Kondensator Balance Board

[Sebastian (Gast)]

Hallo Allerseits,

Ich habe derzeit vor mehrere Kondensatoren in Reihe zu schalten (2,7 V 
310F +-20%), jedoch möchte ich diese auf Grund der Toleranzen in der 
Kapazität nicht überladen und somit einen Schutz realisieren. Nun bin 
ich auf ein paar lustige China Schaltungen gestoßen, diese sollen ein 
Balancing ermöglichen/durchführen.

Kann mir bitte jemand erklären wie diese Schaltungen funktionieren 
könnten? Ich würde so etwas gerne verstehen und ggf. nachbauen. Anbei 2 
Bilder aus Schaltungen welche oft zu finden sind.

Danke schonmal vorab!
Sebastian

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Sebastian schrieb:
> Super-capacitor-balanced.jpg

Diese Schaltung heisst 'Fang den TL431' und ist eine Power Z-Diode, die 
als spannungsbestimmendes Bauteil den bewährten TL431 (hier 'U1' 
genannt) benutzt. Übersteigt die Spannung an den Terminals das 
eingestellte Limit, fängt die Schaltung an, zu leiten und führt den 
Ladestrom am Kondensator vorbei.
http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/powzen.htm

So ähnlich sieht mein Simpel Balancer aus:
Beitrag "Entwicklungsidee einfacher LiIon-LiPo Balancer"

[Der Zahn der Zeit (Gast)]

Hi,

aufgrund der Fotos die genaue Funktion zu ermitteln, ist etwas 
schwierig. Nicht nur die Halbleiter müssen erraten werden, sondern auch 
die Schaltung ist ohne Bild der Rückseite der Leiterplatten und einem 
verwischten Foto nicht direkt zu erkennen.

Ich würde, wie auch Matthias, tippen, dass das im Prinzip eine Art 
aktive Zenerdioden sind, wobei bei der "roten" Version keine 
Referenzquelle erkennbar wäre (oder soll Q2 ein IC sein?).

So eine Z-Dioden Schaltung macht kein Balancing (auch wenn es so genannt 
wird), es ist lediglich eine Überladungssicherung. Wenn du mehrere 
Kondensatoren in Reihe hast, kann es z. B. im Pufferbetrieb passieren, 
das alle Kondensatoren auf maximale Spannung (2,7 V) aufgeladen sind, 
bis auf einen - nämlich den mit der höchsten Selbstentladung.

Ich habe selber gerade 10 Stück in Reihe geschaltet und bin von einer 
aktiven "echten" Balancer-Schaltung (9 Op-Amps) auf eine einfache 
Widerstandskette umgestiegen. Das war für diese Applikation ausreichend. 
Nebenbei habe ich noch einige andere Balancer-Konzepte überlegt. Es 
hängt von dem Einsatz ab, was ich in anderen Fällen machen würde. Das 
Z-Dioden-Konzept kommt dabei am wenigsten in Frage, weil immer ein 
Kondensator mit höherer Spannung läuft als andere, und das verkürzt 
dessen Lebensdauer.

DZDZ

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Der Zahn der Zeit schrieb:
> So eine Z-Dioden Schaltung macht kein Balancing (auch wenn es so genannt
> wird), es ist lediglich eine Überladungssicherung.

Doch, das tut sie in der Reihenschaltung von Zellen, sowas ist im 
E-Mobil Bereich gang und gäbe. Über jeder LiFePo4 Zelle liegt eine 
Platine, die genau auf die Ladeschlussspannung eingestellt ist und den 
Ladestrom an der vollen Zelle 'vorbeileitet'. Wenn alle Zellen die 
Schlussspannung erreicht haben, sind sie auch balanciert:
https://www.ev-power.eu/Battery-Management/BMS123-Cell-Module.html
http://bestechpower.com/balanceboard/HCX-D162.html

Es liegt nach wie vor in der Verantwortung des Ladegerätes, die 
Gesamtspannung der Reihenschaltung nicht zu überschreiten. Die besseren 
Balancerboards werden heute zentral gemanaged, früher waren die Boards 
recht einfach und es war wirklich nur eines pro Zelle ohne Kommunikation 
- wie die o.a. Kondensator Boards oder das Simpel Dings von Bestech und 
auch die funktionieren.

[Sebastian (Gast)]

Super Sache, ich habe es, so glaube ich, verstanden.
Wundern tut mich aber die Parallelschaltung vieler Wiederstände auf den 
obigen PCB's. Diese wären bei der Power-Zener-Diode eigentlich unnötig. 
Jedoch gefällt mir die Lösung mit der Power-Zener recht gut. Ist einfach 
aufzubauen, und flott auf die eigenen Bedürfnisse anzupassen. Danke für 
den Tipp!

MFG Sebastian

[Der Zahn der Zeit (Gast)]

Hallo Matthias,

ich mache mir von Zeit zu Zeit Gedanken über optimale 
Balancer-Schaltungen und diskutiere deshalb auch gerne mal darüber. Ich 
stecke nicht so tief in der Praxis, aber ich weiß natürlich, dass diese 
"Zener"-Lösung üblich sind.

Wenn ich dich richtig verstehe, oder wenn ich deine Angabe "zentral 
gemanaged" noch etwas verfeinere, komme ich auf eine "Zener"-Lösung, die 
ich einwandfrei fände, wenn es dann so gemacht wird:

Ich will erreichen, dass alle N Zellen die volle Ladeschlussspannung 
erreichen, ohne dass eine Gesamt-Ladespannung präzise eingestellt sein 
muss, denn N einzelne Zener"dioden" je x.y Volt sowie eine 
Gesamt-Ladespannung von N * x.y Volt wollen natürlich genau abgestimmt 
sein, wenn nicht die Gefahr entstehen soll, dass entweder eine Zelle auf 
Dauer niemals voll geladen wird oder alle Z-Dioden dauerhaft unter Strom 
stehen. Je mehr Zellen in Reihe, desto genauer sollte es sein. Das 
gefällt mir nicht.

Wenn ich aber im Sinne des "zentralen Managements" den Ladestrom nicht 
danach einstelle, ob die volle Ladeendspannung erreicht wurde, sondern 
ob für jede Zelle die volle Ladeendspannung erreicht wurde, dann gibt 
es keine N * x.y Volt mehr, weil nur noch das Minimum aller N Spannungen 
der Zellen als Kriterium ausgewertet wird. Die Ladeschaltung geht erst 
dann vom Konstantstrom- in den Konstantspannungsbetrieb, wenn auch bei 
der letzten Zelle der Zenerstrom zu fließen beginnt. Das erfordert mehr 
Aufwand als lauter kleine autarke Schaltungen, die nur Überladung 
verhindern. Gibt es das in der Praxis?

Unter echtem Balancing verstehe ich, dass, unabhängig vom Ladezustand, 
alle Zellen auf gleicher Spannung gehalten werden, dass sie also ständig 
ausbalanciert sind. Entlade ich eine Zelle einzeln, werden automatisch 
auch alle anderen Zellen entsprechend entladen. Idealerweise und 
technisch durchaus möglich auch umgekehrt beim Laden einer einzelnen 
Zelle. Aber das wird in der Praxis wohl kaum jemanden interessieren.

Dass unter einem simplen Einzelzellen-Überladeschutz auch Balancing 
verstanden wird, empfinde ich als falsche Wortwahl, aber es ist (leider) 
üblich.

DZDZ

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Sebastian schrieb:
> Wundern tut mich aber die Parallelschaltung vieler Wiederstände auf den
> obigen PCB's.

Das sind die Lastwiderstände der Power Z-Diode. Die sind in Serie mit 
dem Leistungstransistor und leiten an der Zelle vorbei, wenn voll. 
Gleichzeitig bilden sie als Shunt eine prima Messmöglichkeit für den 
über sie fliessenden Strom.

Der Zahn der Zeit schrieb:
> ch will erreichen, dass alle N Zellen die volle Ladeschlussspannung
> erreichen, ohne dass eine Gesamt-Ladespannung präzise eingestellt sein
> muss

Sowas geht natürlich, das Ladegerät muss aber mehr Spannung liefern 
können als alle Zellen in Reihe und man muss damit leben, das, wenn alle 
Zellen die Ladeschlussspannung erreicht haben, Leistung in den Balancern 
verbraten wird.

[Patrick J. (ho-bit-hun-ter)]

HI

Würde es nicht ausreichen, beim 'Durchbruch' des TL431 zusätzlich einen 
Opto-Koppler durchzusteuern? (genügend 'freien' Strom sollte es ja 
geben)
Alle Opto-Koppler der Kondensator-Batterie in Reihe.
Wenn jetzt durch die Opto-Koppler 'was durch kommt', haben alle 
Überlade-Schutz-Schaltungen durchgeschaltet.
Das Ladegerät muß diese Information 'nur' umsetzen und 'einen Schritt 
weiter' gehen.

MfG

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Patrick J. schrieb:
> Alle Opto-Koppler der Kondensator-Batterie in Reihe.
> Wenn jetzt durch die Opto-Koppler 'was durch kommt', haben alle
> Überlade-Schutz-Schaltungen durchgeschaltet.

Die Idee gefällt mir :-) Praktisch ein 'Alle Zellen Voll' Signal, was 
auch noch galvanisch getrennt ist.

[Klaus (Gast)]

Patrick J. schrieb:
> Alle Opto-Koppler der Kondensator-Batterie in Reihe.

Ich würd sie parallel schalten und es gäbe dann diese Funktion: solange 
keiner geschaltet hat großen Ladestrom, sobald (mindestens) einer 
gekommen ist, Ladestrom auf Balancer-freundlichen Wert reduzieren. 
Entweder wenn alle geschaltet haben oder wenn die Gesamtspannung 
erreicht ist, ist Ladeschluß.

MfG Klaus