LiIon Balancer - Hilfe bei Schaltung

Hallo,
ich habe eine sehr einfache Balancierschaltung für eine 18650-Batterie 
einbebaut. Die ist aber nur für moderate Ladeströme ausgelegt.
Da ich eh von einem Tag zum nächsten über Nacht lade, ist das aber für 
mich kein Problem.
Gruß Öletronik

@Klaus2 (Gast)

>...der balancing teil an sich schon :)

Das ist die gleiche Schaltung wie von mir vorgeschlagen, allerdings 
halte ich die Dimensionierung für ungünstig.

Der Spannungsteiler an jedem ZR431 ist unnötig niederohmig, hier fließen 
bei Nennspannung der Zelle schon 1,04mA. Dafür ist der Vorwiderstand für 
den ZR431 mit 10k zu hoch, denn beim minimalen Kathodenstrom von 50uA 
fallen hier bereits 0,5V ab, damit könnte der PNP-Transistor schon 
langsam aufsteuern.

Die 10K sollte man duch 4k7 ersetzen und den Spannungsteiler um Faktor 
10-100 ehöhen, dann frißt der Balancer ca. 60uA Ruhestrom, im Gegensatz 
zu den aktuellen 1100uA.

Hallo,
> Falk B. schrieb:
> Die 10K sollte man duch 4k7 ersetzen und den Spannungsteiler um Faktor
> 10-100 ehöhen, dann frißt der Balancer ca. 60uA Ruhestrom, im Gegensatz
> zu den aktuellen 1100uA.
Ja, diese Optimierungen kann man machen.

Zumindest bei mir funktioniert die Begrenzung aber sehr zuverlässig.
Ich meine, die 10k sind völlig unkritisch.
Der Transistor soll ja aufsteuern, wenn Iz größer wird. Praktisch wird 
bei ca. 60uA der Transitor anfangen zu leiten. das liegt also im 
Nennbereich des ZR431 (laut Datenblatt ab typ. 35uA, max 50uA) für 
stabilen Betrieb.
Wenn die Spannung aber unter der Z-Spannung liegt, dann
spielt das alles auch keine Rolle.

Der Ruhestrom war mir allerdings auch nicht wichtig, weil ich die 
LiPo-Zellen bei Nichtbenutzung raus nehme. Wenn man das nicht machen 
will, dann sollte man tatsächlich hochohmiger werden. Ich würde aber nur 
10...20 fach empfehlen.
100 fach höher wäre schon grenzwertig. Der Strom am Eingang Iref kann 
bis ca. 1uA betragen. Der Strom durch den Spannungteiler sollte aber 
deutlich größer sein, sonst kann der Spannungteiler nicht mehr als 
unbelastet gelten. Das hängt aber sicher auch wieder von der Temp. ab.
Bei Erwärmung, z.B. durch höhere Balancierströme könnte die Z-Spannung 
wegdriften, weil Iref bei Erwärmung wahrscheinlich zunimmt.
Gruß Öletronika

@ U. M. (oeletronika)

>Ja, diese Optimierungen kann man machen.

Sollte.

>Zumindest bei mir funktioniert die Begrenzung aber sehr zuverlässig.
>Ich meine, die 10k sind völlig unkritisch.

Nö.

>Der Transistor soll ja aufsteuern, wenn Iz größer wird. Praktisch wird
>bei ca. 60uA der Transitor anfangen zu leiten.

Aber UNTERHALB der Ladeschlußspannung soll der Transistor möglichst 
vollkommen geschlossen sein. Und genau deshlab sollten dann KEINE 500mV 
an der Basis anliegen. Das ist nämlich grenzwertig, je nach Temperatur.

> das liegt also im
>Nennbereich des ZR431 (laut Datenblatt ab typ. 35uA, max 50uA) für
>stabilen Betrieb.

Es ist grenzwertig.

>Wenn die Spannung aber unter der Z-Spannung liegt, dann
>spielt das alles auch keine Rolle.

Doch, denn dann sollte der Minimalstrom NUR durch dein Vorwiderstand, 
aber keinesfalls durch die Basis des PNP fließen.

>will, dann sollte man tatsächlich hochohmiger werden. Ich würde aber nur
>10...20 fach empfehlen.
>100 fach höher wäre schon grenzwertig.

Das wären 10uA.

>Der Strom am Eingang Iref kann
>bis ca. 1uA betragen. Der Strom durch den Spannungteiler sollte aber
>deutlich größer sein, sonst kann der Spannungteiler nicht mehr als
>unbelastet gelten.

10:1 ist schon OK. Ausserdem hast du doch bis hierher auch immer mit 
typischen Werten argumentiert und nicht mit maximalen.

Ok, man kann vielleicht auch 20-30uA gehen, dann ist es sicher und die 
Gesamtstromaufnahme liegt immer noch unter 100uA.

Hallo,
> Falk B. schrieb:
> Aber UNTERHALB der Ladeschlußspannung soll der Transistor möglichst
> vollkommen geschlossen sein. Und genau deshlab sollten dann KEINE 500mV
> an der Basis anliegen. Das ist nämlich grenzwertig, je nach Temperatur.
ich weiß nicht, auf was du hinaus willst bzw. ob du was missverstehst?
Oder habe doch ich da was falsch interpretiert?

Unterhalb der Z-Spannung geht der Z-Strom quasi gegen Null, also 
deutlich unter 50uA und dann kann an dem Transistor auch keine relevante 
Basisspannung mehr anliegen. In dem Fall spielt es also keine Rolle 
mehr, bei welchem Strom die Z-Diode stabil begrenzt, weil man sowieso 
ganz sicher unterhalb dieser Spannung liegt!

Erst wenn die Z-Spannung überschritten wird, dann fließt auch der 
notwendige Z-Strom (typ 35uA, max 50uA) und erst darüber setzt auch der 
Transistor ein (ab ca.60uA).

> 10:1 ist schon OK.
Nein, ist es nicht, weil die Drift der eingestellten Z-Spannung dann 
fast 10% sein kann. Es ist schon ein messbarer Unterschied, ob der 
Teiler bei 10uA Querstrom mit 0,1uA oder 1uA belastet wird. Auch eine 
Belastung mit 0.5uA würde schon einen deutlichen Fehler verursachen.
Die Balancierspannung möchte man schon auf weniger als 0,1V genau habeb. 
Die Schaltung läßt das auch problemlos zu, wenn man sie nicht falsch 
dimensioniert.

> Ausserdem hast du doch bis hierher
> auch immer mit typischen Werten argumentiert und
> nicht mit maximalen.

> Ok, man kann vielleicht auch 20-30uA gehen, dann ist es
> sicher und die Gesamtstromaufnahme liegt immer noch unter 100uA.
Bei 20uA liegt man im WostCase immer noch bei fast 5% Driftfehler.
Ich meine, unter ca. 2% wäre ok.

>immer mit typischen Werten argumentiert und nicht mit maximalen.
Nein, das habe ich nicht! Ich habe im gleichen Satz sowohl den typ. als 
auch den max. Wert genannt und mich ansonsten nicht auf typ. Werte 
bezogen, eher auf höhere Werte (z.B. 60uA).

Abgesehen davon bin ich auch darauf eingegangen, dass der Setstrom von 
1uA auch nur als Maximalwert angegeben ist und nicht unbedingt so hoch 
sein muss.
Aber zumindest kann man auch hier nicht nur 0,1uA als festen Wert 
annehmen. Der Vorwurf nur typ. Werte zu nutzen, trifft dich selbst.

Um stabile Verhältnisse zu erhalten, sollte der Strom durch den 
Spannungteiler eher mind. ca. 50...100 fach höher sein und nicht nur 
10...30-fach. Die Balancierspannung möchte man ja schließlich nicht nur 
auf 5% genau haben oder sogar noch schlechter.
Nur wenn Stromsparen absolute Priorität hat, dann kann man unter 
Beachtung möglicher Toleranzen weiter in diese Richtung optimieren. Das 
ist aber nicht pauschal zu empfehlen.
Gruß Öletronika

@ U. M. (oeletronika)

>Unterhalb der Z-Spannung geht der Z-Strom quasi egen Null, also deutlich
>unter 50uA

Das glaube ich nicht ganz. Hast du das gemessen?

>Erst wenn die Z-Spannung überschritten wird,

Sie wird nicht überschritten, bestenfalls um ein paar mV.

>> 10:1 ist schon OK.
>Nein, ist es nicht, weil die Drift der eingestellten Z-Spannung dann
>fast 10% sein kann.

Nö. Simulier es.

> Es ist schon ein messbarer Unterschied, ob der
>Teiler bei 10uA Querstrom mit 0,1uA oder 1uA belastet wird.

Sicher. Aber ein 10uA Teiler wird durch 1uA NICHT um 10% verstimmt.
Ein Teiler aus 160k+240k wird durch 1uA Fehlerstrom um ca. 3% verstimmt, 
sagt PSpice.

>Bei 20uA liegt man im WostCase immer noch bei fast 5% Driftfehler.

Nö.

>Ich meine, unter ca. 2..3% wäre ok.

OK

>Um stabile Verhältnisse zu erhalten, sollte der Strom durch den
>Spannungteiler eher ca. 50...100 fach höher sein

Das ist übertrieben.

>und nicht nur
>10...30-fach.

30fach reicht. Ein Teiler 53k + 80k wird durch 1uA um gerade mal noch 1% 
verstimmt.

> Die Balancierspannung möchte man ja schließlich nicht nur
>auf 5% genau haben oder sogar noch schlechter.

Schon klar, aber 1mA ist deutlich zuviel und macht den Ansatz mit dem 
stromsparenden ZR431 zunichte. Da hätte man auch gleich den ollen TL431 
nehmen können. Und wer es genauer will, braucht sowieso einen Poti zum 
Abgleich (ja, der gleicht natürlich keine thermische Drift bei sich 
änderndem Iref aus)

Hallo,
>Unterhalb der Z-Spannung geht der Z-Strom quasi egen Null, also deutlich
>unter 50uA
>Das glaube ich nicht ganz. Hast du das gemessen?

Ja, und du kannst es auch im Datenblatt lesen.
http://www.diodes.com/_files/datasheets/ZR431.pdf
Die typ 35uA/max. 50uA werden als "Mnimum cathode current for
regulation" abgegeben.
Darunter steht  Iz(off) = "Off-state current" bis herab zu 0,1uA.
Der Z-Strom nimmt unterhalb der Z-Spannung auf alle Fälle deutlich ab.

>Erst wenn die Z-Spannung überschritten wird,
>Sie wird nicht überschritten, bestenfalls um ein paar mV.
Also muss sie ja wohl überschritten werden, sonst könnte der Z-Strom 
nicht fließen. Auf Grund er steilen Kennlinie reichen eben die paar mV.
das ist ja das gute an dieser schaltung im Vergleich zu einfachen 
Z-Dioden.

> Es ist schon ein messbarer Unterschied, ob der
>Teiler bei 10uA Querstrom mit 0,1uA oder 1uA belastet wird.

Sicher. Aber ein 10uA Teiler wird durch 1uA NICHT um 10% verstimmt.
Ein Teiler aus 160k+240k wird durch 1uA Fehlerstrom um ca. 3% verstimmt,
sagt PSpice.
Ok, da habe ich nicht nachgerechnet. Hätte ich machen sollen.
Ich komme aber auf knapp 4% Fehler bei Änderung des Teilerstromes von 
10uA auf 9uA. Hast du berücksichtigt, dass die Spannung sich nur am 
oberen Widertand ändert?  Über den unteren Widertand wird weiterhin die 
Referenzspannung anliegen.

> 30fach reicht. Ein Teiler 53k + 80k wird durch 1uA um gerade mal noch 1%
> verstimmt.
Gut, wenn du um die Effekte weißt und diese nach deinen Ansprüchen 
optimierst, dann ist es ok.
Wie ich oben ja auch schon geschrieben hatte, kann man den Strom mind. 
Faktor 10..20 reduzieren und ja auch Faktor 30...40 wird noch kein 
Problem machen.
> Und wer es genauer will, braucht sowieso einen Poti zum
> Abgleich (ja, der gleicht natürlich keine thermische Drift bei sich
> änderndem Iref aus)
Potis sind potentielle Schwachstellen und haben meist auch noch einen 
miesen TK.
Um thermische Drift zu unterdrücken, versuche die ZR431 möglichst gut 
von den Transistoren zu entkopplen.
Dann must du auch nicht mit so hohen Driftwerten rechnen, wie im DS als 
Maximum angegeben sind. Ist nochmal eine Möglichkeit etwas hochohmiger 
zu werden.
Meine Balancierschaltung ist auch moderat eingestellt. Das schont die 
Akkus, aber wenn es dir auf max. Ladung ankommt, dann kannst du die 
Spannung evtl. auch noch etwas höher setzen.
Gruß Öletronika

@ U. M. (oeletronika)

>>>Unterhalb der Z-Spannung geht der Z-Strom quasi egen Null, also deutlich
>>>unter 50uA

>Das glaube ich nicht ganz. Hast du das gemessen?

>Ja, und du kannst es auch im Datenblatt lesen.
>http://www.diodes.com/_files/datasheets/ZR431.pdf
>Die typ 35uA/max. 50uA werden als "Mnimum cathode current for
>regulation" abgegeben.

Schon klar, aber

>Darunter steht  Iz(off) = "Off-state current" bis herab zu 0,1uA.
>Der Z-Strom nimmt unterhalb der Z-Spannung auf alle Fälle deutlich ab.

Nö, schau dir mal die Testschaltung an! Da liegt IREF hart auf GND!
Also MESSEN, dann reden wir weiter.

>>Erst wenn die Z-Spannung überschritten wird,
>>Sie wird nicht überschritten, bestenfalls um ein paar mV.

>Also muss sie ja wohl überschritten werden, sonst könnte der Z-Strom
>nicht fließen.

Es ist KEINE passive Z-Diode sondern eine aktive Nachbildung, ähnlich 
einem OPV!

> Auf Grund er steilen Kennlinie reichen eben die paar mV.
>das ist ja das gute an dieser schaltung im Vergleich zu einfachen
>Z-Dioden.

Ja.

>> Es ist schon ein messbarer Unterschied, ob der
>>Teiler bei 10uA Querstrom mit 0,1uA oder 1uA belastet wird.

>Sicher. Aber ein 10uA Teiler wird durch 1uA NICHT um 10% verstimmt.
>Ein Teiler aus 160k+240k wird durch 1uA Fehlerstrom um ca. 3% verstimmt,
>sagt PSpice.

>Ok, da habe ich nicht nachgerechnet. Hätte ich machen sollen.
>Ich komme aber auf knapp 4% Fehler bei Änderung des Teilerstromes von
>10uA auf 9uA.

Das ist die falsche Betrachtung, du musst 1uA aus dem Teiler ziehen, 
ähnlich einer Konstantstromquelle.

> Hast du berücksichtigt, dass die Spannung sich nur am
>oberen Widertand ändert?

Nein.

> Über den unteren Widertand wird weiterhin die
> Referenzspannung anliegen.

Ja.