Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik 4S Lithium Akku über USB laden


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von Mike Litoris (Gast)


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Hallo zusammen!

Ich habe folgendes Problem/Projekt:
*Ein 4S Lithium Akku (16,8V Ladeschlussspannung) soll über USB geladen 
werden.*

Wichtig ist vor allem möglichst geringe BOM-Cost und geringer 
Platzbedarf. Das Produkt mit der Schaltung wird später in größeren 
Stückzahlen produziert.

*Dabei stehe ich nun am Anfang meines Konzeptes vor mehreren Problemen:*
- Es soll mit mehr als 500mA geladen werden. Das heisst es muss erkannt 
werden, ob die D+ und D- Pins kurzgeschlossen sind (Erkennungszeichen 
für einen "Dedicated Charging Port" der USB Specs) und der Strom 
entsprechend gesteuert werden.
Alternativ so lange Strom erhöhen, bis die Eingangsspannung unter 4.XX 
Volt sinkt (machen einige Powerbanks so...).

- Die Zellen müssen balanciert werden, bei überschreiten der 
Ladeschlussspannung einer Zelle muss der Ladestrom so lange reduziert 
werden, bis diese Zelle wieder auf dem Niveau der anderen liegt.

- Die 5V von USB müssen auf 16,8V gewandelt werden.

Ich würde nun einen BQ2054 oder BQ2954 Step-Up Wandler nehmen. BMS 
diskret aufbauen, die Logik dahinter kann der vorhandene Mikrocontroller 
übernehmen.

Die Frage ist nun, wie ich den Eingangsstrom an das angeschlossene 
Netzteil anpasse?

Ich habe auch schon an eine 1S Lösung gedacht, da wäre das Laden sehr 
viel einfacher, da das BMS entfällt. Allerdings bin ich mir nicht 
sicher, ob ein Step-Up Wandler von 3V (VinMin) auf 12V bei ca. 8-10A 
wirklich sinnvoll ist.

Grüße!

von Jens G. (jensig)


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>sicher, ob ein Step-Up Wandler von 3V (VinMin) auf 12V bei ca. 8-10A

Wie kommst Du bei USB auf 8-10A?

von Daniel B. (daniel_3d)


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Er meint wohl, anstatt einen 4S-LiPo nur einen 1S-LiPo zu verwenden, um 
die Ladegeschichte einfacher zu machen. Dafür dann das Endgerät mittels 
StepUp-Wandlers zu versorgen.

von Jobst Q. (joquis)


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Mike Litoris schrieb:
> Ich habe auch schon an eine 1S Lösung gedacht, da wäre das Laden sehr
> viel einfacher, da das BMS entfällt. Allerdings bin ich mir nicht
> sicher, ob ein Step-Up Wandler von 3V (VinMin) auf 12V bei ca. 8-10A
> wirklich sinnvoll ist.

Meinst du die 8-10A Entladestrom akkuseitig? Oder verbraucherseitig?

Du müsstest wohl mehrere parallel schalten. Das Laden würde auch mit 
einer Powerbank-Ladeelektronik gehen, dauert dann halt nur etwas länger 
als eine einzelne Zelle. Aber wenn du von USB eh nur ca 1A entnehmen 
kannst, wäre eine 4S-Lösung auch nicht schneller als eine 4P.

von Horst (Gast)


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Mike Litoris schrieb:
> Ich würde nun einen BQ2054 oder BQ2954 Step-Up Wandler nehmen. BMS
> diskret aufbauen, die Logik dahinter kann der vorhandene Mikrocontroller
> übernehmen.

Ich hatte letztens einen Newsletter von Maxim im Postfach, in dem neue 
Laderegler für 2-6S aus USB angeboten wurden.
Vielleicht findest Du da was.

von Mike Litoris (Gast)


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Danke schon einmal für eure Antworten!

Daniel B. schrieb:
> Er meint wohl, anstatt einen 4S-LiPo nur einen 1S-LiPo zu
> verwenden, um
> die Ladegeschichte einfacher zu machen. Dafür dann das Endgerät mittels
> StepUp-Wandlers zu versorgen.

Genau so!
War wohl etwas unglücklich formuliert. Es soll ein DC Motor mit ca. 100W 
Leistungsaufnahme versorgt werden.

Jobst Q. schrieb:
> Meinst du die 8-10A Entladestrom akkuseitig? Oder verbraucherseitig?
Verbraucherseitig, also dann wohl so 30A - 40A am Akku. Für unsere 
Zellen ist das kein Problem.

Jobst Q. schrieb:
> Du müsstest wohl mehrere parallel schalten. Das Laden würde auch mit
> einer Powerbank-Ladeelektronik gehen, dauert dann halt nur etwas länger
> als eine einzelne Zelle. Aber wenn du von USB eh nur ca 1A entnehmen
> kannst, wäre eine 4S-Lösung auch nicht schneller als eine 4P.
Genau das wäre meine Idee gewesen, sowas habe ich auch schon einmal 
gebaut.

Frage ist jetzt, was wohl sinnvoller ist:
Aufwändige Ladeelektronik für 4S oder 1S (mehrere Parallel) mit Boost 
Converter?

von Hmm... (Gast)


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Ich würde letzteres bevorzugen. Die Ladegeschichte 1S/4P wäre von 5V aus 
auf verschiedene Weise bzw. einfacher machbar, und für den Boost gälte 
ähnliches.

Beitrag #5247369 wurde vom Autor gelöscht.
von Hmm... (Gast)


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Ein (Continuous Conduction Mode) Boost von 1S hoch würde im Gegensatz 
zum Buck von 4S runter auch praktisch lückenlose Stromaufnahme haben 
(nur der Ripple, welchen man sogar noch über höhere Induktivität pro 
Schaltfrequenz weiter senken könnte) - der Buck würde aus Prinzip 
gepulst Strom aufnehmen.

 ---> Zellen halten länger (auch Hochstrom-Zellen). Wolltest Du ähnlich 
günstige Verhältnisse beim Buck schaffen, wäre eine zusätzliche Drossel 
vom Akkupack zum Eingangselko nötig. Ich wüßte, was meine erste Wahl 
wäre.

Oder übersehe ich etwas?

von Armin X. (werweiswas)


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Mike Litoris schrieb:
> Verbraucherseitig, also dann wohl so 30A - 40A am Akku. Für unsere
> Zellen ist das kein Problem.

Oha! 30 - 40A... Was sollen denn das für Zellen sein? LiPo? Bei LiIon 
Becherzellen geht das nur kurzzeitig wenn die Akkus nicht zu heiß werden 
sollen. Außer Du hast gute in der Bauform 20700 oder gar Samsung in 
21700.
Eigentlich egal. Bei Uin 5V und Ua 16,8V 1A benötigst Du eingangsseitig 
wenigstens 4A! Wo bitteschön sollen die herkommen? Aus den D+ und D-? 
Ich denke mal die Hälfte dürfte realistisch sein...

MfG

von Max M. (jens2001)


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Warum gibt es eigendlich noch keinen Adapter um einen Tesla über USB zu 
laden?

Beitrag #5247405 wurde vom Autor gelöscht.
von Max M. (jens2001)


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Mike Litoris schrieb:
> den Eingangsstrom an das angeschlossene
> Netzteil anpasse?

Was ist das für ein Netzteil?
Wenn das ein 230V Netzteil ist, warum dann der Schwachsinn mit USB?

Mike Litoris schrieb:
> DC Motor mit ca. 100W

Welche Laufzeiten soll der haben?
Und welche Ladezeit darf dem entgegenstehen?

von Hmm... (Gast)


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An jedem beliebigen Anschluß würde das Laden natürlich nicht vernünftig 
funktionieren.

https://de.wikipedia.org/wiki/Universal_Serial_Bus#Spannungsversorgung

Max M. schrieb:
> Warum gibt es eigendlich noch keinen Adapter um einen Tesla über USB zu
> laden?

Weil die Freie-Energie-Teslaspulen für 142% Effizienz zu aufwändig 
wären. Trotz des gelungenen Perpetuum-Mobile-Prinzipes bei Tesla-Cars.

Im Ernst: Sagte der TO was von "an jedem beliebigen USB-Anschluß"?

Und nun die Frage an Dich: An welche Anschlüsse dachtest Du wirklich?

von Jobst Q. (joquis)


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Mike Litoris schrieb:
> Allerdings bin ich mir nicht
> sicher, ob ein Step-Up Wandler von 3V (VinMin) auf 12V bei ca. 8-10A
> wirklich sinnvoll ist.

Wenn du 12V brauchst ist die Parallellschaltung mit StepUp sinnvoller, 
weil sie unabhängig vom Ladezustand genau 12V liefert.

Sonst musst du ja 16,8V, mehr als du brauchst, bereitstellen.

von Daniel B. (daniel_3d)


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Tja Mike,

vielleicht solltest du uns ein wenig mehr Informationen geben.
Bisher macht deine Aufgabenstellung nämlich nur Sinn, wenn man ein paar 
sehr wohlwollende Annahmen macht.

Ich mache das mal:
Die 100W deines Motors ist die Spitzenleistung, die nicht dauernd 
gefordert wird. Ich gehe mal von 50W Dauerleistung aus. Plus 10% für 
Wirkungsgradverluste und Verbrauch der Steuerung...
Willst du eine Laufzeit von einer Stunde benötigst du also min. 55Wh an 
nutzbarer Akkukapazität.
Nutzbare Kapazität der Akkus ca. 80 %, ergibt eine Akkukapazität von ca. 
70Wh.
Bei einem 4S-Lipo wären das ca. 4700mAh.
Soweit kein Problem.

Jetzt nehme ich mal an, dass der maximale Strom den du dauerhaft und 
sinnvoll durch die USB-Kabel- und Stecker schicken kannst ca. 2,5A sind.
2,5A x 5V = 12,5W --> 12,5 Wh

Weiter angenommen, du willst jetzt 55Wh nachladen, dauert das min. 5 
Stunden, eher länger. (Balancing und Ladestromabsenkung zum Ladeende 
nicht vergessen).

Wie gesagt, das ist alles sehr wohlwollend überschlagen und einige 
Wirkungsgradverluste durch StepUp-Regler, Ladeschaltung.... noch nicht 
eingerechnet.
Und es wird vorausgesetzt, dass deine USB-Stromquelle auch min. 2,5A 
hergibt.

Bei einem 1S-LiPo benötigte Kapazität wären dann 19000mAh und der 
StepUp-Wandler müsste dann min. 27A vertragen.

Gefühlsmäßig würde ich eher zum 4S Akku tendieren. Zumal du dann, 
solltest du dich doch mal zu einer anderen Ladespannung entscheiden, 
mehr Optionen hast.

von Manfred (Gast)


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Mike Litoris schrieb:
> Das Produkt mit der Schaltung wird später in größeren
> Stückzahlen produziert.

Und wird hier an den Tippgeber mit welchem Anteil ausgezahlt?

von rio71 (Gast)


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ich hab so was ähnliches vor... ausgediente handlampen auf led umgebaut 
und mit 4s zu betreiben.
ich dachte an dieses modul für usb --> 16,8V : SX1308 ; 
https://www.aliexpress.com/wholesale?catId=0&initiative_id=SB_20171218170501&SearchText=sx1308
das dann bissl umgemodelt auf CC/CV damit es thermisch nicht in die 
begrenzung geht und auch den usb je nach gusto definiert belastet.
wenns dann mal mit mehr bumms schneller laden werden soll hab ich noch 
ne erweiterung vorgesehen mit ner rundbuchse für diese ladegeräte :
16.8V 2000mA 4S Li-ion Battery Charger
https://www.ebay.de/sch/sis.html?_nkw=EU+AC%2FDC+16.8V+2A+2000mA+charger+adapter+for+Lithium+Ion+Batterie+Li-ion+LiPo+4S&_id=112203031094&&_trksid=p2057872.m2749.l2658

dazu dann nen balancer: 
https://www.ebay.de/sch/sis.html?_nkw=4S+4.2V+Li-ion+lithium+Battery+balance+board+balncing+full+charge+Circuit+16.8V&_id=272645090360&&_trksid=p2057872.m2749.l2658
wenn man schon geschützte zellen hat.. bei mir 4x soshine 26650 , 
5500mAh
alternativ dazu nen balancer inklusive zellenschutz : 4s 30a 16.8v 
balancer
https://www.ebay.de/sch/i.html?_odkw=4s+30a+16.8v+balance&LH_PrefLoc=2&_osacat=0&_from=R40&_trksid=p2045573.m570.l1313.TR0.TRC0.H0.X4s+30a+16.8v+balancer.TRS0&_nkw=4s+30a+16.8v+balancer&_sacat=0
bei bedarf auch weniger amperes..

wie gesagt.. liegt alles schon hier rum... aber noch nicht 
zusammengefügt und noch nicht montiert und oder getestet,

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