Battery-Manager (Erstes projekt)

[Jonas L. (mister775)]

Hallo erstmal,

Ich lese schon lange hier mit und habe soeben meinen ersten Schaltplan 
erstellt.
Ich bin sicher, dass dort noch einige Denkfehler vorhanden sind und es 
Verbesserungsvorschläge gibt.

Der eigentliche Plan ist es eine mobile Lautsprecherbox zu bauen, welche 
mit 4 Li-Ion Akkus versorgt wird. Diese Akkus müssen geladen und 
gebalanced werden.

Mir ist bewusst, dass es dafür schon fertige Module zu kaufen gibt, aber 
diese sind eher schwer erhältlich und idr. schwer zu löten 
(QFN-Package).
Zudem ist es auch spannend dies selbst zu entwerfen.

Funktionsweise Batterymonitor:
Ein Atmega 8L8 frägt über SPI die Zellspannungen ab. Diese werden von 
galvanisch getrennten DACs eingelesen. Die Referenzspannung hierfür wird 
mit einem LM4040 erzeugt. Sollten die Zellspannungen zu unterschiedlich 
sein, wird die Zelle mit zu hoher Ladung über einen MOSFET mit 
Lastwiderstand entladen.
Sollte die Zellspannung unter 3,7V fallen wird die Last und auch die 
Zellelektronik über MOSFETS getrennt.

Der Atmnega soll nur alle 10-20 sek. aufwachen, messen gegebenfalls 
Mosfets an/abschalten und wieder schlafen.

Funktionsweise Laden:

Über der Spannung welcher an einem 0,22 Ohm Widerstand abfällt wird der 
Ladestrom bestimmt.
Mit einem DAC -> MOSFET wird der Ladestrom auf max. 1-2A begrenzt (für 
~2500mAh Zellen)
Die passende Spannung wird vom Netzteil geliefert ca. 17,5V, sodass an 
den Zellen max. 16,8V Ladespannung anliegen.


Ich bin für Gedanken Anregungen etc. offen und hoffe ich habe alles 
richtig gemacht (Richtiges Forum?), da dies mein erster Beitrag ist.

Viele Grüße Jonas

Hab keine möglichkeit gefunden von LTSpice eine Vektorgrafik zu 
exportieren. Als Screenshot ist alles zu klein, dewegen hab ich ein Bild 
vom oberen und ein Bild vom unteren Bereich gemacht. Dazwischen ist 
alles dasselbe (Elektronik für eine Zelle)

[Christopher J. (christopher_j23)]

Hier mal ein paar Sachen die mir direkt ins Auge springen:

Du verwechselst in deinem Text, als auch im Schaltplan die Begriffe ADC 
und DAC. Ich denke aber das du es richtig herum meinst.

Die N-Kanal Mosfets als High-Side Switch (z.B. M8) werden so nicht 
funktionieren. Überleg dir einfach mal, auf welchem Potential Drain ist, 
wenn der Mosfet gegenüber R39 einen Vernachlässigbar kleinen Widerstand 
hat und wie groß dann deine V_GS ist.

Auch bei M3 habe ich starke Zweifel, dass das so funktioniert. Das 
Problem ist, dass du nur steuerst, also einfach eine Spannung auf das 
Gate gibst, bei der du dir ein bestimmtes Ergebnis erhoffst. Sinnvoller 
wäre auf jeden Fall den Strom bzw. die Spannung zu regeln. Es macht in 
dem Zusammenhang auch Sinn den Strommesswiderstand Richtung GND zu 
verlegen. Mit ein paar Opamps kannst du dann deinen Regler realisieren. 
Der DAC dient dir dann als Referenz.

Ich will dich nicht entmutigen aber LiPo Ladegeräte und Balancer sind 
nicht unbedingt das, womit ich an deiner Stelle anfangen würde. Da geht 
dein Lautsprecher nachher auch mal ganz schnell in Flammen auf.

Würde dir deshalb dazu raten für dein Lautsprecherprojekt auf einen 
fertigen Lader und Akku zurückzugreifen und wenn du Bock auf 
Leistungslektronik hast, dann fang mit etwas kleinerem an, z.B. mit 
sowas:
https://www.youtube.com/watch?v=8xX2SVcItOA

Da kannst du dann Poti und Buffer gegen einen DAC eintauschen und kannst 
damit schonmal eine NiMH-Zelle Laden. Die gehen auch nicht so schnell in 
Flammen auf.

[Dirk K. (dekoepi)]

Ich setze das hiermit um. Es gibt sogar Boards, bei denen Balancer und 
Schutzschaltung alles auf einer Platine sind.

Balancer:
http://www.aliexpress.com/item/Balance-Board-for-4-Packs-14-8v-16-8v-Li-ion-18650-Battery-Charging-module/32459701092.html

Schutzschaltung:
http://www.aliexpress.com/item/30W-Professional-Welding-Tip-Soldering-Solder-Iron-ElectricTemperature-Gun-Heating-Pencil-Electric-Tool/32275826078.html
Da muss man einen R0 umsetzen, einen 1k und 100nF dazulöten, um es auf 
vier Zellen umzuprogrammieren.

Ladegerät:
http://www.aliexpress.com/item/free-shipping-power-adapter-EU-16-8V-1A-Lithium-battery-wall-charger/32246784377.html

Akku-Halter:
http://www.aliexpress.com/item/2015-New-DIY-Black-Storage-Box-Holder-Case-For-4-x-18650-3-7V-Rechargeable-Batteries/32353643332.html

http://www.aliexpress.com/item/4S-14-8V-Li-ion-BMS-PCM-Battery-with-Balance-Protection-Board-8A-Lithium-Battery-Protecting/32612911354.html

[Jonas L. (mister775)]

Vielen Dank Christopher für deine ausführliche Antwort.

Christopher J. schrieb:

> Du verwechselst in deinem Text, als auch im Schaltplan die Begriffe ADC
> und DAC. Ich denke aber das du es richtig herum meinst.

Stimmt, hab die Bezeichnung bei den Bildern hinzugefügt und Verwechselt. 
Bei dem unteren Bild ist links der DAC und rechts der ADC
> Die N-Kanal Mosfets als High-Side Switch (z.B. M8) werden so nicht
> funktionieren. Überleg dir einfach mal, auf welchem Potential Drain ist,
> wenn der Mosfet gegenüber R39 einen Vernachlässigbar kleinen Widerstand
> hat und wie groß dann deine V_GS ist.

Drain ist ja (über M9) an den Pluspol der Zelle angeschlossen. Also 
dürfte sich das Potenzial von source nicht ändern, oder? Der Mosfet 
bildet dann mit R39 einen Spannungsteiler, wobei Quasi die gesamte 
Spannung an R39 abfällt. Damit wird aber die U_DS kleiner, und der 
Mosfet nichtmehr leitend. Ist das so richtig, oder totaler Blödsinn? 
Würde es dann Sinn machen R39 vor dem M8 zu haben?

> Auch bei M3 habe ich starke Zweifel, dass das so funktioniert. Das
> Problem ist, dass du nur steuerst, also einfach eine Spannung auf das
> Gate gibst, bei der du dir ein bestimmtes Ergebnis erhoffst. Sinnvoller
> wäre auf jeden Fall den Strom bzw. die Spannung zu regeln. Es macht in
> dem Zusammenhang auch Sinn den Strommesswiderstand Richtung GND zu
> verlegen. Mit ein paar Opamps kannst du dann deinen Regler realisieren.
> Der DAC dient dir dann als Referenz.

Die Idee war, den Strom zu messen und anhand dieser Information den 
Ausgang am DAC zu verändern (oder eben nicht). Es geht hier ja auch 
nicht um eine mA genaue Regelung sondern nur darum die Akkus nicht zu 
überlasten. 250mA genauigkeit ist ausreichend. Damit wäre es doch auch 
streng genommen eine Regelung, oder. Es gibt ja eine Rückkopplung der 
Messgröße auf die Regelstrecke. Ich verstehe nicht ganz wozu ich die 
OPamps benötige.
Den Strommesswiderstand nach ground zu verlegen macht natürlich Sinn, 
dann spare ich mir ja die Spannungsteiler.

> Ich will dich nicht entmutigen aber LiPo Ladegeräte und Balancer sind
> nicht unbedingt das, womit ich an deiner Stelle anfangen würde. Da geht
> dein Lautsprecher nachher auch mal ganz schnell in Flammen auf.

Ich würde das ganze vorher schon auf Herz und Nieren prüfen. Es geht 
auch nicht nur um die Lautsprecher, sondern auch darum Theorie von der 
FH mal an einem eigenem Projekt auszuprobieren. Das Problem dabei ist, 
dass man wenig über zusammenhänge lernt, sondern meistens alle Bauteile 
nur isoliert betrachtet. Zudem ist mein Studiengang sehr allgemein 
(Physikalische Technik) weswegen ich alles n bisschen kann und nichts 
richtig :D

> Würde dir deshalb dazu raten für dein Lautsprecherprojekt auf einen
> fertigen Lader und Akku zurückzugreifen und wenn du Bock auf
> Leistungslektronik hast, dann fang mit etwas kleinerem an, z.B. mit
> sowas:
> https://www.youtube.com/watch?v=8xX2SVcItOA
>
> Da kannst du dann Poti und Buffer gegen einen DAC eintauschen und kannst
> damit schonmal eine NiMH-Zelle Laden. Die gehen auch nicht so schnell in
> Flammen auf.

Vielleicht werde ich am Ende tatsächlich auf ein fertiges Modul 
zurückgreifen, wenn sich das als zu kompliziert herrausstellt. Aber 
eigentlich war der Gedanke, das der Hauptteil an diesem Projekt beim 
Entwurf ist und nicht beim zusammenlöten. Vor allem die Kombination aus 
analoger und digitaler Elektrotechnik ist dabei für mich interessant. 
Ich habe dafür auch Zugriff auf ein Oszi und normale 
Elektronikausstattung.


@Dirk
Die Website und die Module behalte ich auf jedenfall im Kopf. Das ist 
mitsicherheit eine schnelle und einfache Lösung. Ich habe auch ein 
Modellbau Ladegerät welches ich verwenden könnte. Ich möchte die 
Schaltung dafür aber eigentlich selbst entwerfen (wollen kann man ja 
viel :D).

Viele Grüße,
Jonas