Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik DC/DC Step-UP Schaltregler von 3V nach 40V 1A


von Brillenputzer (Gast)


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Hallo,

habe einige hochkapazitive Li-Ion Akkus im Format 16850 mit 
unterschiedlicher Kapazität, Innenwiderstand und Alter liegen,. 
Parallell geschaltet käme da ein ganz schöner Batzen Energie zusammen. 
Ich überlege, aus den Zellen einen Zusatzpack für mein Elektrobike 
(Eigenbau) zu bauen.

Die Zellen würde ich alle parallel schalten, deshalb sollte der Step-UP 
Schaltregler eingangsseitig zwischen 4,2V und 3,0V sicher funktionieren. 
Am Ausgang möchte ich 40V sehen, als Strom würde 1A reichen. Mit den 40V 
puffere ich über eine Schottky-Diode meinen Fahrakku, der vollgeladen 
42V hat (Entladeende 30V).

Eingangsseitig wären das ca. 12A, sehr guter Wirkungsgrad 
vorrausgesetzt. Wenn der Schaltregler bei Erreichen von 3V 
Eingangsspannung automatisch abschaltet, wäre das optimal.

Gibt es sowas fertig oder hat schonmal jemand sowas gebaut?
Hoher Wirkungsgrad ist Pflicht und das Ganze darf auch was kosten.

Vielen Dank für eure Antworten
Michael

von Wieso? (Gast)


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Brillenputzer schrieb:
> Parallell

Warum?

von Mark S. (voltwide)


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Spart das balancing. Aber diese hohen Ströme und daraus resultierenden 
extrem niedrigen Impedanzen dürften eine ziemliche Herausforderung sein.

von W.A. (Gast)


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Brillenputzer schrieb:
> Parallell geschaltet käme da ein ganz schöner Batzen Energie zusammen.

Der Energiegehalt ist von der Art der Verschaltung völlig unabhängig ...

von Harald W. (wilhelms)


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W.A. schrieb:

>> Parallell geschaltet käme da ein ganz schöner Batzen Energie zusammen.
>
> Der Energiegehalt ist von der Art der Verschaltung völlig unabhängig ...

...nicht aber der Wirkungsgrad. Insbesondere bei Strömen von fast
20A! Ausserdfem glaube ich nicht, das 40W für ein E-Bike reichen, 
insbesondere beim Anfahren werden wohl mehr als die sechsfache
Leistung gebraucht.

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Brillenputzer schrieb:
> und das Ganze darf auch was kosten.

Die grosse Herausforderung ist der Step-Up Transformator, denn du 
vermutlich nirgends kaufen kannst, der Rest der Schaltung ist 
überschaubar und besteht aus ein paar Hochstrom MOSFets und einem 
kleinen Stepup, um die mit genügend Gatespannung zu versorgen.
Aber der Hauptwandlertrafo ist deine grosse Baustelle. Der muss primär 
mindestens mit 3-4mm² CuL gewickelt werden, um den Strom tragen zu 
können.
Wenn das Ganze dann noch einen guten Wirkungsgrad haben soll, wird das 
eine richtige Wissenschaft.

: Bearbeitet durch User
von Brillenputzer (Gast)


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W.A. schrieb:
> Der Energiegehalt ist von der Art der Verschaltung völlig unabhängig ...

Im Prinzip richtig, in meinem Fall aber nicht. Da die Zellen alle 
unterschiedliche Kapazität, Alter usw. haben, lassen die sich nicht 
vernünftig in Serie schalten. Nur wenn ich alle Zellen parallel schalte, 
kann ich den Energiegehalt entnehmen.

Meine Recherchen ergaben, dass wohl der Wirkungsgrad dramatisch in den 
Keller geht, je niedriger die Eingansspannung ist. Zumindest bei dem 
ganzen Billigzeug zwischen 9,95 und 19,95 EUR, sofern überhaupt Angaben 
zum Wirkungsgrad gemacht werden.

Harald W. schrieb:
> Ausserdfem glaube ich nicht, das 40W für ein E-Bike reichen,
> insbesondere beim Anfahren werden wohl mehr als die sechsfache
> Leistung gebraucht.

Bitte n.M. den Eingangspost aufmerksam lesen, da stand:
> Mit den 40V
> puffere ich über eine Schottky-Diode meinen FAHRAKKU ...

Matthias S. schrieb:
> Die grosse Herausforderung ist der Step-Up Transformator, denn du
> vermutlich nirgends kaufen kannst ...

OK, dann muss ich die Idee beerdigen. Gerne hätte ich was fertiges 
gekauft. Wundert mich allerdings, dass es keinen Step-UP Regler gibt, 
der mit einer einzigen Li-Xx Zelle auskommt. In einer Zeit, wo es 
eigentlich nichts gibt, was es nicht gibt ...

Micha

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Brillenputzer schrieb:
> Wundert mich allerdings, dass es keinen Step-UP Regler gibt,
> der mit einer einzigen Li-Xx Zelle auskommt. In einer Zeit, wo es
> eigentlich nichts gibt, was es nicht gibt ...

Sowas gibt es natürlich - aber eben nicht für solche Ströme und 
Spannungshübe, die du bei deinem 'Akku-Recycling' Projekt nutzen willst.
Die anderen nehmen für sowas eben gleichförmige Zellen aus einer Charge 
und schalten sie dann hintereinander, genau wie im Akku deines 
Fahrrades. Den Rest erledigt beim Laden eine Balancerschaltung, um die 
Akkus auf gleichem Level zu halten.

: Bearbeitet durch User
von Mark S. (voltwide)


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Brillenputzer schrieb:
> In einer Zeit, wo es
> eigentlich nichts gibt, was es nicht gibt ...

Stimmt so natürlich nicht. Deine Anwendung ist einfach zu speziell als 
dass das irgendjemand auf den Markt werfen will.

von Brillenputzer (Gast)


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Matthias S. schrieb:
> Die anderen nehmen für sowas eben gleichförmige Zellen aus einer Charge
> und schalten sie dann hintereinander, genau wie im Akku deines
> Fahrrades. Den Rest erledigt beim Laden eine Balancerschaltung, um die
> Akkus auf gleichem Level zu halten.

Das ist mir schon klar. Ich hoffte eben, vorhandene Zellen noch nutzen 
zu können. Oft krepiert eine Zelle in einer Serienschaltung und der 
ganze Akku wird unbrauchbar. Aus solchen Akkus habe ich ca. 800Wh 
intakte Zellen rumliegen, die keinen Cent kosten. Immer nur neu kaufen 
(und noch brauchbares wegwerfen) kann jeder.

Matthias S. schrieb:
> Sowas gibt es natürlich - aber eben nicht für solche Ströme und
> Spannungshübe ...

Aus reinem Interesse: Für welche Ströme gäbe es denn so eine Schaltung 
bei welchem Wirkungsgrad? Von 3V nach 40V sollte allerdings schon sein.

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Brillenputzer schrieb:
> Ich hoffte eben, vorhandene Zellen noch nutzen
> zu können.

Das ist ja auch ok, nur eben für so eine E-Bike Anwendung nicht. Ich 
benutze fast ausschliesslich recyclete 18650er Zellen für meine 
Projekte, allerdings nehme ich dann gleichartige und schalte sie auch in 
Reihe und parallel, wenn ich höhere Spannungen und Ströme brauche.
Deine Idee ist eine ausgefallene, um nicht zu sagen, Schnapsidee, denn 
wer will schon aus 3,7V plötzlich 40V machen, um damit ein Fahrrad 
anzutreiben. Das ist zu sehr an den Haaren herbeigezogene 
Wiederverwendung.

von Brillenputzer (Gast)


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Matthias S. schrieb:
> wer will schon aus 3,7V plötzlich 40V machen, um damit ein Fahrrad
> anzutreiben.

Wie schonmal gesagt, ich will damit nicht ein Fahrrad antreiben, sondern 
den Fahrakku puffern. Wenn ich Stunden unterwegs bin, würde es reichen, 
wenn ständig 1A nachgepuffert wird. Nach der Zeit wären die 
Mischmasch-Akkus dann auch leer.

Mischmasch-Akkus in Reihe und Serie zu verschalten, stelle ich mir 
abenteuerlich vor, außer ich ermittle tagelang die Kapazität der Zellen, 
führe Listen und kombiniere die Zellen entsprechend. Das Problem der 
unterschiedlichen Selbstentadung der Zellen wird man damit kaum in den 
Griff bekommen.

Dann braucht es eine Einzelspannungsüberwachung beim Entladen und beim 
Laden leistungsfähige Balancer, letzteres gibt es m.W. auch nicht. Ob 
man die wirklich vorhandene Kapazität entnehmen kann, ist zweifelhaft, 
weil einzelne Zell-Etagen vor der Zeit in die Knie gehen werden und eine 
weitere Entladung verhindert werden muss.

Meine "Schnapps"-Idee wäre eben, die vielen LiXx Mischmasch-Akkus zu 
einer einzige Zelle zusammenzuschalten. Das erspart eine Menge Zirkus 
beim Laden, sowie beim Entladen. Das steht und fällt aber mit einem 
leistungsfähigen Step-Up Wandler mit gutem Wirkungsgrad. Den gibt es 
offensichtlich nicht. Also ausgeträumt.

von M. K. (sylaina)


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Matthias S. schrieb:
> Der muss primär
> mindestens mit 3-4mm² CuL gewickelt werden, um den Strom tragen zu
> können.

Hm, warum denn so viel? Es geht hier ja "nur" um 10-12 A, da müssten 
doch gefühlt 1.5 qmm locker genügen? 3-4 qmm kommen mir jetzt etwas viel 
vor.

von Der Andere (Gast)


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M. K. schrieb:
> 10-12 A,

Du musst den Strom schalten, du hast Verluste im Trafo, du musst 
sekundär gleichrichten. Da ist nix mit 99% Wirkungsgrad.
80% wären wären schon super, dann bist du bei 50W Eingangsleistung. Wenn 
du jetzt nicht die Ladeschlussspannung, sondern die Nennspannung von ca. 
3,7V ansetzt bist bu bei ca. 15A, bei Entladerschlussspannung schon 
deutlich drüber.

von Der Andere (Gast)


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M. K. schrieb:
> um 10-12 A, da müssten doch gefühlt 1.5 qmm locker genügen?
Nachtrag: Je dünner der Draht, desto größer deine Verluste. Ausserdem 
sollte man die max. Strombelastbarkeit eines frei verlegten NYM Kabels 
für 230/400V nicht mit der beim Trafowickeln gleichsetzen.

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Brillenputzer schrieb:
> Aus reinem Interesse: Für welche Ströme gäbe es denn so eine Schaltung
> bei welchem Wirkungsgrad? Von 3V nach 40V sollte allerdings schon sein.

Es sind aber gerade die 3V die dich umbringen. Die Regelmimik braucht 
Versorgungsspannung. Und die MOSFETs wollen ordentlich Gatespannung 
sehen, wenn sie 15A (Mittelwert!) bei kleinen Verlusten schalten sollen.

Am ehesten würde man sowas zweistufig bauen. Einen kleinen Booster, der 
dir sagen wir 12V bei geringer Leistung erzeugt. Der versorgt dann nur 
den Controller und die MOSFET-Treiber. Und dann den Leistungsteil, der 
die 3.7V Akkuspannung direkt hochtransformiert. Ein Flußwandler wäre 
vermutlich die geschicktere Topologie. Und eine aktive Gleichrichtung 
wäre sicherlich von Vorteil.

: Bearbeitet durch User
von Homo Habilis (Gast)


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Axel hat da völlig recht - in allen Punkten. Problematisch(er als sonst) 
ist es allgemein, wenn die Spannung sehr hoch, oder aber, wie hier, sehr 
niedrig ist. Der Strom geht ja bei FETs wie auch bei den Leitungen und 
Drähten quadratisch in die Verlustberechnung ein.

Auch der Tip mit dem (Gegentakt-)Flußwandler ist Gold wert (Denn ohne 
Trafo stellt einem auch der hohe Boost-Faktor wirkungsgradmäßig ein 
Bein...). Da es bei Dir kaum auf das letzte Quentchen Gewichts- und 
Größeneinsparung ankommen wird, sondern eben auf maximal erreichbare 
Effizienz, kann man einen vernünftigen Trafo verwenden (möglichst weit 
überdimensioniert, um alle Verluste klein zu halten).

Man müßte auch etwas nach den bestmöglichen FETs (12Ver ?) suchen. 
Vielleicht auch nur relativ niederfrequent takten? Ich würde in dem Fall 
alles in Richtung Verlustminimierung versuchen wollen.

von Gästchen (Gast)


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Matthias S. schrieb:
> Die grosse Herausforderung ist der Step-Up Transformator, denn du

Was für ein Trafo?

Da braucht man nur eine Spule. Für 40V 1A wird die wohl um die 20-30A 
Sättigungsstrom brauchen. Nicht unmöglich, vor allem weil die 
Induktivität nicht groß sein muss. Da wird man wohl mit 4,7µH hinkommen 
oder so - je nach Schaltfrequenz. Da gibt schon noch was von der Stange. 
Auch Boost-Controller und FET sollten auftreibbar sein.

Wenn der Boost-Controller etwas mehr Spannung für sich selber braucht, 
auch kein Problem, dann machen wir einen kleinen Hilfsregler hin, wie 
den MCP1640 oder eine kleine Charge-Pump. Manchmal macht das der 
Controller das schon selber.

Generell ist das kein Hexenwerk.

Was nicht heißt, dass die Lösung sinnvoll ist. Das 
Übersetzungsverhältnis ist ungünstig, die Ströme sind gewaltig und die 
Last ist auch nicht sehr konstant.
Ich tippe stark drauf, das Balancing viel billiger ist. Weniger Aufwand 
bei höherem Wirkungsgrad inklusive guter Überlastfähigkeit (die der 
Boost nicht hat) - der Wandler fällt dann komplett weg.

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