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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Entwicklungsidee einfacher LiIon-LiPo Balancer


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Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Ich habe mal diese einfache Balancerschaltung aufgebaut und in letzter 
Zeit mit einigen Notebook- und RC-Akkuzellen getestet und finde bis 
jetzt keine Probleme.
Im Prinzipschaltbild sind Zener eingezeichnet, die durch die Schaltung 
mit TL431 und BD140 ersetzt bzw. nachgebildet werden.

1. Ideen für einen besseren PNP oder P-Kanal Transistor/FET? Wenn FET, 
müsste es vermutlich ein Logiclevel Typ sein.
2. Ist da irgendwo ein grundsätzlicher Denkfehler?

Klar, das die Ladespannung Vcc bei (4*4.2) 16.8V max. liegt. Der R ist 
ein Begrenzer für Imax.

Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Matthias Sch. schrieb:
> Ich habe mal diese einfache Balancerschaltung aufgebaut und in letzter
> Zeit mit einigen Notebook- und RC-Akkuzellen getestet und finde bis
> jetzt keine Probleme.
Hast du mal eine U-I-Kennlinie aufgenommen? Wie sieht die aus?

Weil die BE-Strecke Teil des Reglers ist: wie stark wirken sich 
Temperaturschwankungen auf die Konstanz der "Zenerspannung" aus?

Die Abgleichanweisung "Adjust R2 for 4.2V on terminals" sollte auf jeden 
Fall noch um den dabei fließenden Strom erweitert werden. Denn bei 100uA 
Abgleichstrom leitet der Transistor noch nicht, und die eingestellte 
Spannung wird falsch sein (und das fatalerweise in die falsche 
Richtung)...

Autor: ArnoR (Gast)
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zu 1. Du hast keinen Ladestrom angegeben, daher kann man zu Wahl des 
Transistors nicht viel sagen, aber der BD140 hat bei 1A nur noch eine 
Stromverstärkung von etwa 10da dürfte es Schwierigkeiten geben. Der 
2SB772 hat bei 2A noch 100-fache Stromverstärkung.

zu 2. Nein. Allerdings braucht der TL431 normalerweise eine bestimmte 
Kapazität an A-K um stabil zu sein. Und der BD bringt auch noch 
zusätzliche Verstärkung in den Regelkreis. Man sollte daher mal über die 
Stabilität der Schaltung nachdenken, bzw. diese überprüfen.

Autor: MaWin (Gast)
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Willst du wirklich den Akku mit 2k2 belasten ?
Trennst du den Balancer direkt nach dem Laden ?
Du brauchst einen TL431B wegen der Genauigkeit,
und solltest das Trimmpoti nicht auf den ganzen
Bereich einstellbar machen, sondern genauer nur
in der Gegend 4.2V->2.5V mit 2 Widerständen
an den Enden.

Autor: ArnoR (Gast)
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> Weil die BE-Strecke Teil des Reglers ist: wie stark wirken sich
> Temperaturschwankungen auf die Konstanz der "Zenerspannung" aus?

Praktisch gar nicht, weil die Schaltung ein geschlossener Regelkreis ist 
und die Zenerspannung mit dem Faktor 4,2/2,5 auf die Genauigkeit der 
Referenzspannung des TL431 ausgeregelt wird.

Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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ArnoR schrieb:
> Praktisch gar nicht, weil die Schaltung ein geschlossener Regelkreis ist
Das sehe ich aber nicht so, denn der TL431 wird nicht auf 4,2V 
eingestellt, sondern auf 4,2V-Ube (sonst würde der Transistor erst bei 
4,7V zu leiten beginnen). Und damit ist diese Ube direkt als 
Fehlerquelle in der Regelstrecke...

Autor: ArnoR (Gast)
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> Das sehe ich aber nicht so, denn der TL431 wird nicht auf 4,2V
> eingestellt, sondern auf 4,2V-Ube (sonst würde der Transistor erst bei
> 4,7V zu leiten beginnen). Und damit ist diese Ube direkt als
> Fehlerquelle in der Regelstrecke...

Nein, der TL431 bekommt über R2 einen Teil (2,5/4,2) der Zenerspannung 
und stellt seinen Kathodenstrom so ein, dass die rückgeführte Spannung 
am Ref-Pin immer 2,5V ist. Daher ist die Zenerspannung Uz=4,2/2,5*Uref.

Autor: ArnoR (Gast)
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Zusatz: Die Spannung Uak, am TL431 ist diesem weitgehend egal, er regelt 
primär seinen Kathodenstrom, aber nicht die Kathodenspannung.

Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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ArnoR schrieb:
> Nein, der TL431 bekommt über R2 einen Teil (2,5/4,2) der Zenerspannung
> und stellt seinen Kathodenstrom so ein, dass die rückgeführte Spannung
> am Ref-Pin immer 2,5V ist. Daher ist die Zenerspannung Uz=4,2/2,5*Uref.
Richtig. Schlags kaputt, da hab ich mich verguckt...  :-/

Die Schaltung ist in etwa die bekannte Power-Zenerdiode, nur mit einer 
Transistorstufe weniger:
http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/powzen.htm

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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ArnoR schrieb:
> Der
> 2SB772 hat bei 2A noch 100-fache Stromverstärkung.

Das ist ein guter Tipp, denn es gibt für meine Begriffe noch eine zu 
starke Abhängigkeit der Zenerspannung vom durchfliessenden Strom. Eine 
höhere Vestärkung würde das vermutlich steiler machen, deswegen auch die 
Überlegung, einen FET zu nehmen.
Ich habe (mit umgedrehter Schaltung) auch schon NPN probiert, das ist 
prektisch das gleiche.

ArnoR schrieb:
> Man sollte daher mal über die
> Stabilität der Schaltung nachdenken, bzw. diese überprüfen.

Richtig, habe ich vergessen, einzuzeichnen. Da sind noch 10µF über der 
Zelle.

MaWin schrieb:
> willst du wirklich den Akku mit 2k2 belasten ?
Ja - ist das ein Problem? Die Last ist mit den nicht mal 2mA doch sehr 
klein? Der TL431 ist da allerdings sehr tolerant und ein 47k Poti sollte 
genauso gehen.
> Trennst du den Balancer direkt nach dem Laden ?
Sollte ich?

Lothar Miller schrieb:
> Weil die BE-Strecke Teil des Reglers ist: wie stark wirken sich
> Temperaturschwankungen auf die Konstanz der "Zenerspannung" aus?

Der 431 selber ist ja temperaturkompensiert und bezieht den Transistor 
in die Regelschleife mit ein. Die BE Strecke sollte dann doch 
mitkompensiert werden?

MaWin schrieb:
> Du brauchst einen TL431B wegen der Genauigkeit,
> und solltest das Trimmpoti nicht auf den ganzen
> Bereich einstellbar machen, sondern genauer nur
> in der Gegend 4.2V->2.5V mit 2 Widerständen
> an den Enden.

Das ist klar, das hier ist ja die Entwicklervariante, da habe ich 
Feinheiten noch nicht drin. Wenn ich 4,15 Volt als Zellenschlussspannung 
wähle, bin ich vermutlich auch mit dem A-Typ noch innerhalb der Toleranz 
des Akku.

Lothar Miller schrieb:
> Hast du mal eine U-I-Kennlinie aufgenommen? Wie sieht die aus?

Nur grob. Wenn ich über die Gesamt Schaltung messe mit einem auf 4,3 
Volt gestellten Labornetzteil, sieht es so aus als ob der Ladestrom 
tatsächlich ab 4,15 Volt Zellenspannung rapide  vom Transistor übernommn 
wird, in die Zelle fliesst dann nichts mehr. Ab ca. 4,2 V ist der 
Ladestrom gleich null.

Autor: MaWin (Gast)
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> > Trennst du den Balancer direkt nach dem Laden ?
> Sollte ich?

Weil sonst die Akkus nach wenigen Tagen nicht nur entladen, sondern 
tiefentladen wären.

Daher bat man das normalerweise nicht so, sondern uA-stromsparend.

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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MaWin schrieb:
> Weil sonst die Akkus nach wenigen Tagen nicht nur entladen, sondern
> tiefentladen wären.

Naja, es geht hier ja nicht um popelige Handyakkus, sondern um Zellen 
der 4-8Ah Klasse, wie z.B. RC-Flug/Fahrakkus oder Notebookzellen. Eine 
4000mAh Zelle könnte die 2 mA also locker 1000-1500 Stunden liefern, 
inklusive Reserve. Aber wie oben schon gesagt, der TL431 käme ja auch 
mit einem hochohmigeren Poti klar, ein z.B. 22k Poti erhöht das schon 
auf 10000 Stunden.

Autor: Norbert (Gast)
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Frage:

Näme man Ube mit zB 0,6V an und die Spannung an der Basis mit 4,2V-Ube, 
würde dann nicht auch ein Strom von ca. 1,2mA - 1,3mA über R3 und VR1 
fließen? (Zusätzlich zum Strom durch den Spannungsteiler)
Oder liege ich hier komplett falsch?

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Norbert schrieb:
> Oder liege ich hier komplett falsch?

Nö, das ist schon richtig, bezieht sich aber nur auf den Fall, das die 
Zellenschlussspannung von 4,2 Volt auch schon erreicht ist. In diesem 
Fall leitet ja VR1 und steuert Q1 durch, der dann den Ladestrom vom Akku 
fernhält, bzw. übernimmt. Im normalen Ladefall unter 4,2 Volt sperrt die 
ganze Schaltung bis auf den Querstrom durch das Poti.

Autor: Norbert (Gast)
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OK, ich hatte den irgendwo weiter oben genannten Einwand so verstanden, 
das die Spannungsversorgung irgendwann nach Ladeschluss abgenommen, 
jedoch die Balancer Schaltung an den Akkus verbleibt.

Dann würden die Zellen über das Poti und über R3-VR1 entladen.

Während des Ladens sind die paar mA natürlich völlig uninteressant.

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Norbert schrieb:
> Dann würden die Zellen über das Poti und über R3-VR1 entladen.

Sobald die Spannung der Zelle unter die 4,2 V fällt, sperrt VR1. Da dann 
nur noch der Querstrom durch das Poti fliesst, kann man bei 
entsprechender Potiwahl (22k-100k) den Balancer auch dranlassen. Eine 
LiIon/LiPo Kette nimmt man ja typisch nicht für lowcurrent Aufgaben wie 
RTCs oder SRAM Puffer, sondern um da Strom rauszuziehen. (Im Pufferfall 
braucht man ja auch keinen Balancer).
Für mich ist es also uninteressant, ob der Akku durch den Balancer nach 
10000h (ca. 316 Tage) oder 40000h (mehr als 3 Jahre) entladen wäre.

Autor: Norbert (Gast)
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Matthias Sch. schrieb:

> Sobald die Spannung der Zelle unter die 4,2 V fällt, sperrt VR1.

Und das ist mir unklar. Wird denn die Spannung an der Basis Q1 nicht um 
die Durchlassspannung der Q1be niedriger eingestellt? Also zB. auf ca. 
3,6V?
Nur dann würde Q1 doch bei ca. 4,2V zu leiten beginnen und so die 
Ausgangsspannung per Shuntregelung halten.

Näme man nun die Stromversorgung weg, so würde das aber bedeuten das VR1 
bei (Akku)Spannungen  >3,6V und <4,2V noch Strom durchließe.

Trotzdem, die Schaltung gefällt mir, ich muß das mal simulieren... ;-)

Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Norbert schrieb:
> Und das ist mir unklar. Wird denn die Spannung an der Basis Q1 nicht um
> die Durchlassspannung der Q1be niedriger eingestellt? Also zB. auf ca.
> 3,6V?
Ja, aber eben nur dann, wenn die Spannung am Poti R2 4,2V hat.

> Näme man nun die Stromversorgung weg, so würde das aber bedeuten das VR1
> bei (Akku)Spannungen  >3,6V und <4,2V noch Strom durchließe.
Nein, denn der TL431 sperrt, wenn die Spannung an seinem ADJ Eingang 
kleiner als 2,5V wird. Und damit sperrt auch der Transistor...

Autor: Norbert (Gast)
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OK, Danke an Alle für die Erläuterungen.
Ich bin leider von einer falschen Annahme ausgegangen. Was wieder einmal 
beweist: Nicht annehmen sondern nachprüfen.

Hab mir gerade das (Fairchild)Datenblatt angeschaut und auch die 
Schaltung in Fig.12 wiedergefunden.
Das Block Diagram brachte sozusagen die Erleuchtung. ;-)

Autor: Udo S. (urschmitt)
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Interessant ist vieleicht noch der Fall, daß der Transistor überlastet 
wird und durchlegiert.
Was dann?
Massiver Kurzschluss der Zelle und Abbrand?

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Udo Schmitt schrieb:
> Interessant ist vieleicht noch der Fall, daß der Transistor überlastet
> wird und durchlegiert.

Davor ist natürlich keine einzige Schaltung gefeit (auch kein anderer 
Balancer). Da aber der empfindlichste Teil eines Transistors seine BE 
Strecke ist, besteht eine gute Chance, das nur diese 'durchlegiert'.
> Massiver Kurzschluss der Zelle und Abbrand?
Die Zellen sind zwar ohne die üblichen Sicherheitsmassnahmen im 
Schaltbild gezeigt, aber haben im Normalfall (RC-Akku/Notebook) sowohl 
Thermo- als auch Überstromsicherungen.

Autor: soul e. (souleye)
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Matthias Sch. schrieb:

> Die Zellen sind zwar ohne die üblichen Sicherheitsmassnahmen im
> Schaltbild gezeigt, aber haben im Normalfall (RC-Akku/Notebook) sowohl
> Thermo- als auch Überstromsicherungen.

Vorsicht: nur Akkupacks haben Schutz- und ggf Balancer-Schaltungen 
eingebaut.

Die großen Rundzellen, welche man aus alten Laptop-Akkus ausbauen kann, 
kommen ohne jeglichen Schutz. Der sitzt nämlich auf der großen 
Leiterplatte an der Seite.

Autor: Christian S. (christianstr)
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Matthias Sch. schrieb:
> Die Zellen sind zwar ohne die üblichen Sicherheitsmassnahmen im
> Schaltbild gezeigt, aber haben im Normalfall (RC-Akku/Notebook) sowohl
> Thermo- als auch Überstromsicherungen.

soul eye schrieb:
> Vorsicht: nur Akkupacks haben Schutz- und ggf Balancer-Schaltungen
> eingebaut.

Wenn überhaupt. Z.B. haben RC-Akkupacks in den seltensten Fällen 
Schutzbeschaltungen. Immer genau drauf achten! Nur weils ein Pack ist, 
ist da nicht gleich eine Schutzbeschaltung dran.
Bei Notebookakkus sieht das anders aus, da wird wohl eine dabei sein. 
Die Angst, dass die Dinger wie vor ein paar Jahren die Sony-Akkus, 
anfangen zu brennen und so große Schadensersatzforderungen an den 
Hersteller kommen, ist da denke ich mal zu groß.

Zum Balancer: Interessante, platzsparende Idee, ich find da nur den 
Stromverbrauch zu hoch, selbst wenn es um Akkupacks der Größenordnung 
mehrerer Ah geht. Die Lagerfähigkeit wird sehr verringert. Den Poti zu 
vergrößern wird das Problem etwas beheben, aber unter 1mA verbrauch 
wirst du nicht kommen, da die Referenz mindestens 1mA benötigt. Besser 
wäre meiner Meinung nach ein Komparator mit Referenz, da gibt es welche 
mit extrem geringer Stromaufnahme. Dazu dann noch ein Spannungsteiler im 
Megaohm-Bereich und der Verbrauch liegt im µA-Bereich.

Gruß Christian

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Christian S. schrieb:
> Die Lagerfähigkeit wird sehr verringert.

Oh, es hindert dich niemand, den Balancer nach der Ladung abzuziehen, 
dann gibt es das ganze Problem nicht. Auch handelsübliche Notebook Packs 
sind nach einem halben Jahr leer, wenn man sie nicht zwischendurch lädt, 
für mich ist das also kein Nachteil. Und für RC Akkus ist es sowieso von 
Vorteil, wenn man die Ladeschaltung entfernt, schon aus Gewichtsgründen.

Bei einem Poti von 100k und einem 7,4 Volt Pack fliesst da ein Reststrom 
von 74 µA - nicht wirklich viel. Da der TL431 am ADJ Eingang maximal ca. 
2-3 µA zieht, könnte man das Poti sogar noch etwas hochohmiger 
gestalten. Aber im Threadtitel steht ja auch was von 'Entwicklungsidee', 
da ist also noch Potential für Ideen.
> Z.B. haben RC-Akkupacks in den seltensten Fällen
> Schutzbeschaltungen.
Ich hab hier noch keines der 7,4 Volt Klasse ohne gehabt. Während der 
kleine Pfostenfeldstecker nicht über die Sicherung geht, ist der 
Leistungsausgang hier immer gesichert gewesen. Aber man kann ja immer 
eine Sicherung hinzufügen.

Autor: Udo S. (urschmitt)
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Christian S. schrieb:
> Interessante, platzsparende Idee,

Hmm, muss der Transistor wenn er bei voller Zelle dann durchregelt nicht 
bei einem Ladestrom von sagen wir zum Beispiel 2A 8,4W verbraten?

Insofern ist dann Platzsparend relativ.

Autor: Christian S. (christianstr)
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Matthias Sch. schrieb:
> Ich hab hier noch keines der 7,4 Volt Klasse ohne gehabt.

Und ich hab hier noch keinen 7.4V Akku mit gehabt ;) Kommt wohl drauf 
an, wo man die bezieht, die ich hier habe sind von Kokam, die haben 
keine. Wo sind deine her?

Udo Schmitt schrieb:
> Hmm, muss der Transistor wenn er bei voller Zelle dann durchregelt nicht
> bei einem Ladestrom von sagen wir zum Beispiel 2A 8,4W verbraten?
>
> Insofern ist dann Platzsparend relativ.

Soweit ich das weiss, sind viele Balancer so ausgelegt, dass sie den 
gesamten Ladestrom nicht vorbeiführen können, sondern nur einen 
geringeren Anteil. Dies kommt auch nicht vor, wenn der Akku von 
vorneherein mit einem Balancer geladen wird, da dann kurz vor 
Ladeschluss, d.h. während der C-U Phase gebalanced wird.
Schließe ich natürlich einen Akku an, bei dem die Zellen schon weit 
auseinander gedriftet sind, kann das natürlich passieren, dass man den 
gesamten Ladestrom vorbeiführen muss, da muss dann ein anderer Balancer 
her.

Gruß Christian

Autor: Εrnst B. (ernst)
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soul eye schrieb:
> Die großen Rundzellen, welche man aus alten Laptop-Akkus ausbauen kann,
> kommen ohne jeglichen Schutz

Dochdoch, die haben normalerweise einen mechanischen Schutz.
Schau mal unter dem Pluspol nach, oft ist da ein zusätzlicher Metalldorn 
verschweißt.

Wenn die Zelle sich aufbläht, piekst der ein Loch in die Hülle, und der 
Druck kann entweichen...

Zelle ist dann tot & Zimmer stinkt, aber besser als Anwender tot & 
Zimmer brennt.

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Udo Schmitt schrieb:
> Hmm, muss der Transistor wenn er bei voller Zelle dann durchregelt nicht
> bei einem Ladestrom von sagen wir zum Beispiel 2A 8,4W verbraten?

Nein, er verbrät ihn nicht, sondern leitet ihn zur nächsten Zelle durch. 
Vergesst nicht, das hier ist kein Ladegerät, sondern ein Balancer. Es 
liegt nach wie vor in der Verantwortung des Ladegerätes, die 
Gesamtschlussspannung der Kette einzuhalten, das wären bei z.B. 4 Zellen 
die 16,8 Volt, oder bei zwei Zellen 8,4 Volt. Wenn das eingehalten wird, 
fliesst im Zustand 'alle Zellen voll' gar kein Strom mehr.

Autor: Udo S. (urschmitt)
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Matthias Sch. schrieb:
> Wenn das eingehalten wird,
> fliesst im Zustand 'alle Zellen voll' gar kein Strom mehr.

Schon klar, aber wenn in der letzten Minute vor dem Abschalten des 
Ladegeräts eine Zelle schon 4,2V hat, dann fällt an dem Transistor 4,2V 
ab und es fliessen durch ihn der volle Ladestrom, oder nicht?.
Ich weiss nicht wie fliessend dieser Übergang ist, deshalb frage ich 
dumm.

Autor: Chris (Gast)
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Hier ein ähnliches Projekt:
http://www.coolcircuit.com/project/lipo_charger/lipo_charger.html
Und der Wandler für 12V:
http://www.richard-dj1pi.de/Auto_Wandler_18V.jpg

Ansonsten finde ich diese Schaltung nicht schlecht:
http://doktor-baumgartner.com/spectra/balancer1.gif

Autor: Basti (Gast)
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"Der Lade Strom fließt hindurch" klingt mir auch recht milde. ;)
Man könnte auch sagen: Die Zelle vollen Zellen werden um den Ladestrom 
wieder entladen und da kann schon ganz schön Leistung zusammen kommen...
Aber das ist nur eine Ansichtssache...
bloß die Leistung am Transistor bleibt die selbe... Daher haben andere 
Balancer auch einen Lastwiderstand der den Balancerstrom, auf ein paar 
100 mA hält... das kann evtl. auch schlimmeres Verhindern, wenn der doch 
mal durch einen Fehler kurzgeschlossen ist...

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