Feedback zu Schaltung benötigt

[Henry K. (sammx)]

Hallo zusammen,

ich habe folgende Schaltung geplant:

Eine Spannungsquelle lädt vier in Reihe geschaltete 18650 Akkus, an 
denen wiederum verschiedene Verbraucher angeschlossen sind.

Mit einem Arduino möchte ich gerne während des Betriebs die Spannung der 
Akkus messen. Hierzu hab ich einen Spannungsteiler der Schaltung 
hinzugefügt, der 20V auf 5V teilt. Hierzu meine erste Frage: 
Funktioniert das so überhaupt?
Lässt sich das vielleicht sogar eleganter lösen?

Um auch während der Ladung der Akkus die Spannung messen zu können, 
dachte ich mir, ich könne mithilfe eines Relais die Verbindung der 
Spannungsquelle während der Messung unterbrechen (Im Schaltplan als 
gesuchtes_Bauteil bezeichnet). Da der Arduino nicht immer aktiv ist, 
würde ich hierfür gerne ein Relais als Öffner verwenden, habe hierfür 
allerdings noch nichts passendes finden können. Vielleicht kennt jemand 
von euch das Passende?
Ladespannung ist 18V DC mit max. 3,5 A.

Gruß
Henry

[Felix (Gast)]

Es fehlt ein Balancing, damit einzelne Zellen nicht überladen werden 
können und der Spannungsteiler zum Arduino ist wohl falsch herum. Oder 
sollen wirklich 3*3,7V an den Arduino gelegt werden?

[Stefan F. (Gast)]

Das mit dem Spannungsteiler ist fast Ok. Er ist zu hochohmig für den 
ADC. Bei der Messung wird er belastet und dann bricht die Spannung ein.

Du kannst parallel zu R1 einen Kondensator mit z.B. 100nF schalten, um 
dies zu reduzieren. Dann ist es noch wichtig, nicht ununterbrochen zu 
messen sondern durch lange Pausen genug Zeit zu geben, den Kondensator 
wieder aufzuladen. Eine Messung pro Sekunde sollte mehr als genug sein.

Dann mache Dir unbedingt Gedanken über den Leitungsverlauf. Nach deiner 
Zeichnung fällt an den langen horizontalen Leitungen Spannung ab, die 
direkt die ADC Messung versauen. Nicht nur deswegen sollen die GND 
Leitungen immer alle sternförmig zu einem einzigen Punkt zusammen 
laufen.

Als gesuchtes Schaltelement empfehle ich Dir einen PROFET. Den kannst du 
ohne zusätzliche Bauteile direkt als Schalter verwenden. Wenn man mehr 
Ahnung hat, geht es auch billiger mit diskreten Bauteilen. Aber dann 
wirst du wohl noch etwas üben müssen.

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

Henry K. schrieb:
> Ladespannung ist 18V DC mit max. 3,5 A.

Das ist viel zu viel. Erstens fehlt wie o.a. ein Balancing und zweitens 
darft du maximal 4 * 4,2V an die Zellen legen, also 16,8V, wenn du die 
Zellen nicht  beim ersten Laden ruinieren willst. Dabei ist bei leeren 
Zellen auch eine Strombegrenzung nötig.

Wenn die Zellen lange leben sollen, sind auch nur 4,1V pro Zelle gar 
nicht dumm.

[Thomas E. (picalic)]

Henry K. schrieb:
> Um auch während der Ladung der Akkus die Spannung messen zu können,
> dachte ich mir, ich könne mithilfe eines Relais die Verbindung der
> Spannungsquelle während der Messung unterbrechen

Wozu? Die Spannung mit Ladestrom wird sich nicht wesentlich von der 
Spannung ohne Ladestrom unterscheiden. Oder möchtest Du etwa zum Laden 
einfach die 17V Spannungsquelle an den Akku anlegen und ihm so diese 
Spannung aufzwingen?

Der Verpolungsschutz FET ist falsch herum eingezeichnet. So ergibt sich 
kein Verpolungsschutz durch die bei Verpolung leitende Body-Diode.
Bei angeschlossenem Akku ergibt sich aber auch mit korrekt eingebautem 
FET kein Verpolungsschutz, weil der FET durch die Spannung des Akkus 
ohnehin immer eingeschaltet ist. Lass das lieber weg und baue 
stattdessen eine simple Sicherung ein, die dann halt einfach 
durchbrennt.

[Henry K. (sammx)]

Danke für eure Antworten!

Matthias S. schrieb:
> Das ist viel zu viel. Erstens fehlt wie o.a. ein Balancing und zweitens
> darft du maximal 4 * 4,2V an die Zellen legen, also 16,8V, wenn du die
> Zellen nicht  beim ersten Laden ruinieren willst. Dabei ist bei leeren
> Zellen auch eine Strombegrenzung nötig.
>
> Wenn die Zellen lange leben sollen, sind auch nur 4,1V pro Zelle gar
> nicht dumm.

Die Zellen verfügen alle über PCB und ich verwende auch einen Balancer, 
den ich aus Zeitgründen und zur Vereinfachung im Schaltplan nicht 
eingezeichnet habe. Ich habe sowieso vor, die Spannung auf konstante 
16,5V zu reduzieren, auch die Ladeleistung wird wahrscheinlich bei ca. 
2A liegen. Ich wollte nur Bauteile verwenden, die nicht getauscht werden 
müssen, wenn ich weitere 18650 parallel schalte und die Ladeleistung 
erhöhe.


Stefanus F. schrieb:
> Du kannst parallel zu R1 einen Kondensator mit z.B. 100nF schalten, um
> dies zu reduzieren. Dann ist es noch wichtig, nicht ununterbrochen zu
> messen sondern durch lange Pausen genug Zeit zu geben, den Kondensator
> wieder aufzuladen. Eine Messung pro Sekunde sollte mehr als genug sein.

Das passt perfekt, einen passenden Kondensator habe ich noch zuhause. 
Messungen finden sowieso nur im Minutentakt statt, weshalb das 
funktionieren dürfte.

Stefanus F. schrieb:
> ls gesuchtes Schaltelement empfehle ich Dir einen PROFET. Den kannst du
> ohne zusätzliche Bauteile direkt als Schalter verwenden.

Das sagt mir leider gar nichts.
Ich habe zu dem Thema nur den BTS 5242-2L gefunden, der aber über 2 
Kanäle verfügt.

Thomas E. schrieb:
> Der Verpolungsschutz FET ist falsch herum eingezeichnet.
Da hast du Recht, da war ich beim Zeichnen etwas zu schnell, dass 
Bauteil gehört natürlich gespiegelt.

[Thomas E. (picalic)]

Henry K. schrieb:
>> Der Verpolungsschutz FET ist falsch herum eingezeichnet.
> Da hast du Recht, da war ich beim Zeichnen etwas zu schnell, dass
> Bauteil gehört natürlich gespiegelt.

Dann bleibt aber immer noch das Problem, daß der Verpolungsschutz 
faktisch wirkungslos ist, sobald der Akku ihn mit Spannung versorgt (was 
sich ja nicht verhindern lässt). Ok, mit einer Diode geht das, aber dann 
ist die Diode allein ja auch schon der Verpolungsschutz...

[Henry K. (sammx)]

Thomas E. schrieb:
> Henry K. schrieb:
>>> Der Verpolungsschutz FET ist falsch herum eingezeichnet.
>> Da hast du Recht, da war ich beim Zeichnen etwas zu schnell, dass
>> Bauteil gehört natürlich gespiegelt.
>
> Dann bleibt aber immer noch das Problem, daß der Verpolungsschutz
> faktisch wirkungslos ist, sobald der Akku ihn mit Spannung versorgt (was
> sich ja nicht verhindern lässt). Ok, mit einer Diode geht das, aber dann
> ist die Diode allein ja auch schon der Verpolungsschutz...

Da hast du Recht, das ist mir noch nicht einmal aufgefallen

[Stefan F. (Gast)]

Wegen dem Profet, schau Dir den an: 
https://www.reichelt.de/BS-Transistoren/BTS-432/3/index.html?ARTICLE=115932

Ich stimme den anderen zu, was das Laden der Akkus angeht. NiMh Zellen 
haben beim Laden eine deutlich höhere Spannung, vor allem weil an deren 
Innenwiderstand je nach Modell und Verschließ einige hundert Millivolt 
abfallen.

Bei LiIo und LiPo ist das aber anders. Nach der ersten Stunde sinkt der 
Strom allmählich bis auf annähernd null ab.

> Dann bleibt aber immer noch das Problem, daß der Verpolungsschutz
> faktisch wirkungslos ist, sobald der Akku ihn mit Spannung versorgt

ja.

Was du also letztendlich brauchst ist ein ganz gewöhnliches Ladegerät 
(für diesen Akkutyp), sowie einen Balancer. Die Spannung kannst du gerne 
über einen Spannungsteiler messen.

Der Verpolungsschutz ist sinnlos, sinnvoll wäre aber eine großzügig 
dimensionierte Schmelzsicherung gegen Kurzschluss.

[Henry K. (sammx)]

Ich habe den Schaltplan aktualisiert und hoffe, dass ich keine 
Vorschläge von euch übergangen habe.

Stefanus F. schrieb:
> Wegen dem Profet, schau Dir den an:
> https://www.reichelt.de/BS-Transistoren/BTS-432/3/index.html?ARTICLE=115932

Mir scheint es so, dass ich an dem IN-Pin Spannung anlegen muss, damit 
der Stromkreis geschlossen wird. Ist das so richtig?
Ich wollte nämlich einen Schalter, der ohne Spannung geschlossen ist und 
beim Anlegen der Spannung geöffnet wird.

[Thomas E. (picalic)]

Henry K. schrieb:
> Ich habe den Schaltplan aktualisiert und hoffe, dass ich keine
> Vorschläge von euch übergangen habe.

Der Spannungsteiler teilt nach wie vor nicht durch 4, sondern durch 
1,33.
Der Kondensator gehört besser zwischen AD-Eingangspin und GND, statt 
zwischen Akku+ und AD-Pin.

Tipp nebenbei: der Schaltplan könnte übersichtlicher gezeichnet sein. 
Üblicherweise malt man positive Spannungsversorgung eher oben und 
negative unten, nicht genau anders herum. Verbindungen zieht man 
möglichst gerade und ohne unnötige Umwege und Verschnörkelungen durch, 
so daß man leichter sehen kann, was an einem Signal bzw. einer 
Versorgungsspannung dran hängt. Nicht so, wie Dein "negativer Pol" hier, 
bei dem man erst auf den zwiten Blick sieht, was damit alles direkt 
verbunden ist. Noch übersichtlicher, als verschnörkelte Verbindungen, 
sind ggf. GND Symbole für's Bezugspotential.

Henry K. schrieb:
> Ich wollte nämlich einen Schalter, der ohne Spannung geschlossen ist und
> beim Anlegen der Spannung geöffnet wird.

Dafür könntest Du evtl. noch einen Transistor als Inverter spendieren.

[Henry K. (sammx)]

Thomas E. schrieb:
> Henry K. schrieb:
>> Ich habe den Schaltplan aktualisiert und hoffe, dass ich keine
>> Vorschläge von euch übergangen habe.
>
> Der Spannungsteiler teilt nach wie vor nicht durch 4, sondern durch
> 1,33.
> Der Kondensator gehört besser zwischen AD-Eingangspin und GND, statt
> zwischen Akku+ und AD-Pin.
>
> Henry K. schrieb:
>> Ich wollte nämlich einen Schalter, der ohne Spannung geschlossen ist und
>> beim Anlegen der Spannung geöffnet wird.
>
> Dafür könntest Du evtl. noch einen Transistor als Inverter spendieren.

Ich hoffe, dass es so besser aussieht und vor allem funktioniert

[Thomas E. (picalic)]

Ein TIP120 ist eine seltsame Wahl - ein BC548 o.ä. wäre hier deutlich 
besser geeignet. Es fehlt außerdem noch ein Basis-Widerstand. VIN vom 
BT432 soll lt. Datenblatt maximal 6V sein! Da sollte also ein 
Spannungsteiler o.ä. hin, der VIN auf ca. 5V begrenzt. Der sollte 
außerdem vor der Diode D1 angeschlossen werden, damit er nicht langsam 
den Akku entlädt, wenn kein Netzteil angeschlossen ist.

[Henry K. (sammx)]

Thomas E. schrieb:
> Ein TIP120 ist eine seltsame Wahl - ein BC548 o.ä. wäre hier deutlich
> besser geeignet. Es fehlt außerdem noch ein Basis-Widerstand. VIN vom
> BT432 soll lt. Datenblatt maximal 6V sein! Da sollte also ein
> Spannungsteiler o.ä. hin, der VIN auf ca. 5V begrenzt. Der sollte
> außerdem vor der Diode D1 angeschlossen werden, damit er nicht langsam
> den Akku entlädt, wenn kein Netzteil angeschlossen ist.

Ich habe einen TIP120 noch zuhause, habe aber gerade erst gesehen, dass 
er zum Durchschalten 120mA benötigt und das ist zu viel.

[Thomas E. (picalic)]

Der Spannungsteiler ist für den Eingangsstrom des BT432 (typ.25µA) viel 
zu hochohmig und benötigt keinen Kondensator (ist ja kein ADC-Input). 
Ich würde hier einen 10k+4k7 Spannungsteiler vorschlagen.

[Henry K. (sammx)]

Vielen Dank!