Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Ladezustand Li-Ion zählen


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von dercr (Gast)


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In einem Projekt möchte ich eine Ladezustandsanzeige für die enthaltenen 
Li-Ion-Akkus integrieren.
Dazu soll über einen Shunt der Lade- bzw. Entladestrom gemessen werden 
und so die entnommene bzw. eingeladene Kapazität gezählt werden.
Beim Vollladen wird rekalibriert.

Nun meine Frage, ob es zielführender/präziser ist, in Ah oder Wh 
mitzuzählen.

: Verschoben durch Moderator
von Klaus R. (klaus2)


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Wenn du eh rekalibrierst dann reichen doch Ah?

Klaus.

von dercr (Gast)


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Bei hohen Entladeströmen sinkt die nutzbare Kapazität, dadurch gibt es 
Abweichungen.
Meine Frage ist, ob diese Abweichungen beim Zählen der Ah oder der Wh 
geringer sind.

von Jobst Q. (joquis)


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Das kommt auf dein Projekt an. Mit der Anzeige soll ja erreicht werden, 
dass man abschätzen kann, wie lange das Gerät noch einsetzbar ist.

Wenn die Spannung direkt genutzt wird und die Schaltung mit 2,5V etwa 
genauso viel Strom zieht wie mit 4,2V reicht eine Ah-Zählung. Wenn aber 
mit einem Step-Up-Wandler eine konstante Spannung erzeugt wird, ist Wh 
sinnvoller, da bei niedrigerer Spannung des Akkus mehr Strom gebraucht 
wird.

von dercr (Gast)


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Die Restlaufzeit soll aus der durch Abzählen bekannten Restkapazität und 
dem aktuellen Strom bzw. der aktuellen Leistung (beides stets bekannt) 
berechnet werden.

Mein Gedankengang war, dass bei hoher Belastung die nutzbare Kapazität 
in Ah zahlenmäßig weniger stark sinkt als die in Wh, da hier ja auch die 
Spannung berücksichtigt wird, die durch den Innenwiderstand des Akkus 
sinkt.
Somit wäre Ah/A stets näher an der Realität als Wh/W.

Nachvollziehbar erklärt? Mir erscheint das zwar logisch, aber 
kontra-intuitiv, daher frage ich.

von Jobst Q. (joquis)


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Wenn das Gerät eine bestimmte Leistung braucht, ist die Ah-Zählung 
irreführend. Sie täuscht mehr Kapazität vor, als da ist.

Wenn der Akku voll ist, wird weniger Strom verbraucht für die gleiche 
Leistung als wenn er fast leer ist. Der Ah-Zähler zählt also anfangs 
langsam und mit fallender Spannung immer schneller. Er würde bei halber 
Leistungskapazität zB immer noch 75% anzeigen.

von Manfred (Gast)


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dercr schrieb:
> Dazu soll über einen Shunt der Lade- bzw. Entladestrom gemessen werden
> und so die entnommene bzw. eingeladene Kapazität gezählt werden.

Suche mal nach INA219 (Texas Instruments) und schaue Dir bei Adafruit 
die zugehörige Arduino-Library an - das IC will das können.

von Volle22 (Gast)


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dercr schrieb:
> Die Restlaufzeit soll aus der durch Abzählen bekannten Restkapazität und
> dem aktuellen Strom bzw. der aktuellen Leistung (beides stets bekannt)
> berechnet werden.


Du berechnest aber nur einen groben Schätzwert.

Es gibt da noch einige Effekte:
-Die Temperatur spielt auch eine große Rolle.
-Nach einer großen Belastung und anschließender Ruhephase steigt der 
Ladezustand wieder an.
- Die vorherigen Zyklen haben Einfluss auf den aktuellen Zyklus
- ein starker Zyklus verhält sich anders als ein schwacher.
...

Und alles hängt von der Zellchemie und dem Aufbau ab.

von Hans M. (Gast)


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Schau mal bei Maxim vorbei, z.B. sowas hier:
https://www.maximintegrated.com/en/products/power/battery-management/MAX17055.html

MfG, Hans

von Thomas E. (picalic)


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Servus,

um den Ladezustand des Akkus zu kennen, ist es meiner Meinung nach 
Quatsch, die Wattstunden zu zählen! Wenn man aus einem vollen 1 Ah Akku 
0,5Ah entnimmt, ist er immer zur Hälfte leer, egal, ob es ein geringer 
oder hoher Entladestrom war. Die entnommene Leistung ist aber bei hohem 
Strom weniger, da die Spannung bei höheren Strömen geringer ist. Würde 
man also Wattstunden zählen, bekäme man bei höheren Entladeleistungen 
das falsche Bild, den Akku weniger tief entladen zu haben!

von Volle22 (Gast)


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Thomas E. schrieb:
> Wenn man aus einem vollen 1 Ah Akku
> 0,5Ah entnimmt, ist er immer zur Hälfte leer, egal, ob es ein geringer
> oder hoher Entladestrom war.

nur wenn er aktuell tatsächlich 1Ah hat

und es kann sein das er bei 1A Entnahmestrom 1,1 Ah liefert
aber bei 5A nur 0,9Ah bis zu Tiefentladegrenze.
Das geben aber die Datenblätter der Zelle grob an.

von Hurra (Gast)


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Üblich sind mAh, denn das ist direkt messbar. Beisiele:
http://cds.linear.com/docs/en/product-selector-card/2PB_29421b.pdf

Ich bau die in meine Projekte auch manchmal ein. Ist recht praktisch, 
und um Häuser präziser als eine Spannungsmessung, vor allem wenn man oft 
Teilladungen macht.

von Thomas E. (picalic)


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Volle22 schrieb:
> nur wenn er aktuell tatsächlich 1Ah hat
>
> und es kann sein das er bei 1A Entnahmestrom 1,1 Ah liefert
> aber bei 5A nur 0,9Ah bis zu Tiefentladegrenze.

Aber entnommene 500mAh bleiben 500 mAh, egal, ob ich die über 5 Stunden 
mit 100mA Last entnehme, oder in 3 Minuten mit 10A. Ein evtl. Verlust an 
nutzbarer Gesamtkapazität hat doch mit der Protokollierung der ge- und 
entladenen Strommenge nichts zu tun.

von Volle22 (Gast)


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Thomas E. schrieb:
> Aber entnommene 500mAh bleiben 500 mAh, egal, ob ich die über 5 Stunden
> mit 100mA Last entnehme, oder in 3 Minuten mit 10A. Ein evtl. Verlust an
> nutzbarer Gesamtkapazität hat doch mit der Protokollierung der ge- und
> entladenen Strommenge nichts zu tun.

aber mit dem Ladezustand
und den will der TO ja laut Titel ermittel.

Das ist die noch verfügbare Energie
die hängt aber von vielen Parametern ab

von Thomas E. (picalic)


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Volle22 schrieb:
> aber mit dem Ladezustand
> und den will der TO ja laut Titel ermittel.

Ok, dann schlag eine bessere Messtechnik vor, mit der Du den Ladezustand 
genauer ermittelst!
Wenn Du nicht in die Zukunft sehen kannst, kannst Du bei einem 
teilentladenen Akku sowieso nicht angeben, wieviel Kapazität noch genau 
entnommen werden kann, weil Du ja auch nicht weißt, mit welchem Strom er 
für die Restentladung belastet wird. Also, was ist Deine Alternative, 
den Ladezustand vernünftig anzuzeigen? Vielleicht den Akku wiegen?

von Jobst Q. (joquis)


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Thomas E. schrieb:
> Wenn man aus einem vollen 1 Ah Akku
> 0,5Ah entnimmt, ist er immer zur Hälfte leer, egal, ob es ein geringer
> oder hoher Entladestrom war.

Aber eben nur, wenn man es strommäßig sieht. Leistungs- oder 
energiemäßig ist er dann nur noch etwa ein drittel voll, da die Spannung 
gesunken ist und weiter sinken wird.

Ob jetzt der Strom oder die Leistung wichtiger ist, hängt von der 
Anwendung ab, über die uns der Fragesteller leider im Dunkeln lässt.

von Stephan (Gast)


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dercr schrieb:
> Nun meine Frage, ob es zielführender/präziser ist, in Ah oder Wh
> mitzuzählen.

Ah.
Aber auch die Kapazitäts-Änderung mit der Zeit rekalibrieren. Z.B. 
Kapazität je begonnenem Ladevorgang um 1% reduzieren. Bei nachgewiesen 
höherer Stromentnahme hochsetzen.
Je nach Bedarf für Teilentladungen optimieren. Der Ladezustand von 
Lithium-Akkus lässt sich ja ganz gut aus der Spannung ableiten.

von Thomas E. (picalic)


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Stephan schrieb:
> Der Ladezustand von
> Lithium-Akkus lässt sich ja ganz gut aus der Spannung ableiten.

Naja, je nach Zellchemie - bei LiFe z.B. klappt das überhaupt nicht!

von Thomas E. (picalic)


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Jobst Q. schrieb:
> Aber eben nur, wenn man es strommäßig sieht. Leistungs- oder
> energiemäßig ist er dann nur noch etwa ein drittel voll, da die Spannung
> gesunken ist und weiter sinken wird.

Völlig aus der Luft gegriffen und deshalb auch stark daneben! Das 
rechnen wir doch nochmal nach, gelle?

Ist schon richtig und klar, daß die Energie in der 2. Entladehälfte 
weniger ist, als in der ersten, aber nicht 2/3 zu 1/3...

Jobst Q. schrieb:
> Ob jetzt der Strom oder die Leistung wichtiger ist, hängt von der
> Anwendung ab, über die uns der Fragesteller leider im Dunkeln lässt.

In der Regel interessiert natürlich eher die Leistung bzw. die noch zur 
Verfügung stehende Energiemenge, aber es geht hier doch um das geeignete 
Messverfahren - Du willst doch nicht etwa behaupten, daß es 
besser/genauer wäre, für die Restenergie im Akku die abgegebenen 
Wattstunden heranzuziehen, statt die abgegebenen Amperestunden zu 
zählen?

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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dercr schrieb:
> Meine Frage ist, ob diese Abweichungen beim Zählen der Ah oder der Wh
> geringer sind.
Was verwenden denn fast alle Ladegeräte? Das scheint ja soweit 
hinreichend zu sein.

Fehlerhaft/ungenau bei variabler Stromentnahme sind eh beide 
Varianten...

von Stephan (Gast)


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Thomas E. schrieb:
>> Der Ladezustand von
>> Lithium-Akkus lässt sich ja ganz gut aus der Spannung ableiten.
>
> Naja, je nach Zellchemie - bei LiFe z.B. klappt das überhaupt nicht!

Da hast recht.
Bei LiFePo kann die aktuelle Kapazität nur bei tiefen Entladezyklen 
aktualisert werden. Der TE sprach aber von Li-Ion, da kann aus der 
Spannung (in Verbindung mit Temperatur und Strom) schon einiges 
abgeleitet werden.

Prinzipfrage: Wie hängen Kapazität beim Entladen und unmittelbar 
anschließendem Laden bei Li-Akkus zusammen? Ich bin bislang von 
C-Entladung >= 95% C-Ladung ausgegangen (egal bei welcher Temperatur).
Dass bei tiefen Temperaturen die Entladeschlusspannung früher erreicht 
wird / der Innenwiderstand steigt ist klar. Die nutzbare Kapazität sinkt 
damit, aber das Laden geht auch entsprechend schneller. Die >=95% 
stammen glaube ich von Gerd Giese.
So meine bisherige Annahme... Stimmt das?

Dann könnte man etwa wie folgt rechnen (Selbstentladung ignoriert):

1. aktuelle Akku-Kapazität mit Nenndaten ansetzen
2. Akku voll aufladen, Ladezustand auf aktuelle Akku-Kapazität setzen
3. Akku teilentladen, Ladezustand mit entnommener Kapazität/95% anpassen
4. Akku an Ladegerät anschließen, aktuelle Akku-Kapazität um 1% 
reduzieren
5. Ladezustand mit geladener Kapazität*100% anpassen
6. aktuelle Akku-Kapazität hochsetzen wenn im aktuellen Ladevorgang der 
bisherige Wert überschritten wird, ggf. auch Restkapazität 
berücksichtigen
7. weiter zu 3.

Akku-Kauf
Akku-Kapazität: 1000mAh (Nennwert)
Vollladung (600mAh), Akku-Kapazität 1000mAh, Ladezustand 1000mAh
Entladung 300mAh (/95%)
Ladezustand 684mAh
Vollladung (305mAh), Akku-Kapazität(-1%) 990mAh, Ladezustand 990mAh
Entladung 300mAh (/95%)
Ladezustand 674mAh
Ladung (100mAh), Akku-Kapazität(-1%) 980mAh, Ladezustand 774mAh
Entladung 300mAh (/95%)
Ladezustand 458mAh
Ladung (100mAh), Akku-Kapazität(-1%) 970mAh, Ladezustand 558mAh
Entladung 300mAh (/95%)
Ladezustand 242mAh
Vollladung (750mAh), Akku-Kapazität(-1%) 960mAh, Ladezustand 960mAh
Rekalibrierung Akku-Kapazität 992mAh, Ladezustand 992mAh
...
Ladezustand 300mAh
Vollladung (300mAh), Akku-Kapazität(-1%) 500mAh, Ladezustand 500mAh
Rekalibrierung Akku-Kapazität 600mAh, Ladezustand 600mAh
...
Ladezustand -200mAh (reale Kapazität > als geschätzte, Verluste geringer 
als angenommen)
Vollladung (700mAh), Akku-Kapazität(-1%) 400mAh, Ladezustand 400mAh
Rekalibrierung Akku-Kapazität 700mAh, Ladezustand 700mAh


Ohne Deep-Cycles driftet der Ladezustand und die aktuelle Akku-Kapazität 
halt nach unten weg. Bei hohem Strom / geringer Temperatur ist auch 
nicht die volle Ladung nutzbar. Als untere Abschätzung kann das aber 
finde ich gut taugen.

von Thomas E. (picalic)


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Stephan schrieb:
> Der TE sprach aber von Li-Ion

LiFe-Akkus sind auch Lithium-Ionen Akkus, AFAIK sind alle Li-Akkus 
Lithium-Ionen Akkus.

Stephan schrieb:
> Prinzipfrage: Wie hängen Kapazität beim Entladen und unmittelbar
> anschließendem Laden bei Li-Akkus zusammen?

Bislang bin ich immer davon ausgegangen, daß bei Li-Akkus der 
Unterschied der entnommenen zur eingeladenen Ladung praktisch 
vernachlässigbar ist, also unter 1%. Daß man trotzdem deutlich mehr 
Energie einladen muss, als 'rauskommt, ist eher dem Spannungsunterschied 
zwischen Laden und Entladen geschuldet. Deshalb ja auch den Ladezustand 
durch zählen der Ah, statt der Wh, ermitteln. Eine zusätsliche 
Spannungsüberwachung braucht man sowieso, damit kann man dann ggf. die 
Prozent-Anzeige abgleichen, also bei Vollladung einfach auf 100% setzen, 
und wenn beim Entladen die Spannung niedriger ist, als durch den 
Ladezustand in % erwartet, die % entsprechend korrigieren und ggf. auch 
die Variable mit der Kapazität anpassen (der Akku altert ja schließlich 
auch irgendwann und verliert Kapazität). Wenn man es perfekt machen 
will, berücksichtigt man bei der Spannungsmessung auch den aktuellen 
Ent-/Ladestrom, um die Leerlaufspannung zu berechnen. Wobei der so 
gemessene Ri auch ein guter Indikator für den "Gesundheitszustand" des 
Akkus ist, zumindest, wenn man die Temperatur nicht außer acht lässt.

: Bearbeitet durch User
von Thomas E. (picalic)


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Thomas E. schrieb:
> Bislang bin ich immer davon ausgegangen, daß bei Li-Akkus der
> Unterschied der entnommenen zur eingeladenen Ladung praktisch
> vernachlässigbar ist

Dazu habe ich eben mal spontan das folgende Experiment durchgeführt:
Probant: eine alte, ausgemusterte A123-Zelle (LiFe, 26650, 2.3Ah 
nominal), die ich wegen schlechter Daten aus einem Akku ausgebaut hatte. 
Die Zelle lag schon mehrere Jahre leer 'rum, leider habe ich es 
versäumt, vor dem Experiment mal das Multimeter dranzuhalten, aber der 
Lader zeigte zu Beginn der Ladung eine Spannung deutlich unter 3V.

1. Ladung (Strom ca. 3,5A, mehr macht der Lader nicht wegen 
Verlustleistung 12V Input -> 3,6V Zelle - der hat halt nur einen Boost- 
aber keinen Buck-Converter): ~2Ah eingeladen bis Zelle voll.

2. Entladung mit 5A um definierten Betrag (1000 mAh)
3. unmittelbar danach wieder Voll-Ladung: eingeladen 1001 mAh.
4. wieder entladen. Hier gab es eine kleine Ruhepause, weil ich nicht 
zugegen war und den nächsten Zyklus sofort gestartet habe
5. Vollgeladen, eingeladene Kapazität: 1011 mAh.
6. Entladen (1000mAh mit 5A)
7. Vollgeladen, eingeladene Kapazität: 1003 mAh

Da der Lader kein hochpräzises, geeichtes Labormessgerät ist, würde ich 
der mAh-Einerstelle jetzt keine allzu hohe Bedeutung beimessen - die 
Differenzen zwischen eingeladener und entnommener Kapazität würde ich 
als im Bereich der Messungenauigkeit des Ladegerätes beurteilen.

Überrascht hat mich die geringe Differenz schon beim ersten Zyklus - 
hier hätte mich eine größere Abweichung wegen irgendwelcher 
Formierungseffekte nach der langen Lagerzeit nicht gewundert.

Ergebnis: eine praktisch relevante Differenz zwischen eingeladener und 
entnommener Ladung gibt es nicht.

: Bearbeitet durch User

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