Batterie Spannung stabilisieren

[lukas (Gast)]

Liebe Alle,

Mein Problem ist folgendes: Ich würde gerne meine Schaltung (CC1190 von 
TI + BG96 GSM Modul von Quectel) mit einer einzelnen 
Lithium-Thionylchlorid Batterie (ER34615 von EVE - Datenblatt im Anhang) 
versorgen.

Die durchgehend konstante Spannung der Batterie von 3,6 Volt ist sowohl 
für das CC1190 als auch das GSM-Modul optimal.
Problematisch wird es nun, wenn es zu den Puls-Strömen kommt welche das 
GSM-Modul für die Übertragung benötigt,- diese liegen bei Imax = 2A.

Die ER34615 schafft jedoch nur 400mA/0,1s Pulse. EVE bietet nun 
zusätzlich zu der Batterie einen Superpuls Kondensator den SPC1550 
(Datenblatt im Anhang). Dieser kann die hohen Pulse puffern,- ohne dass 
dabei die Spannung der Batterie einbricht und das bis zu dem Zeitpunkt 
an dem sie fast leer ist.

Die Verfügbarkeit des SPC in Verbindung mit der Batterie ist für mich 
jedoch suboptimal weil: weniger Distributoren, höherer Platzaufwand, 
Lötfahnen benötigt.

Ich suche daher eine äquivalente Lösung mit Kondensatoren direkt auf der 
Platine. Bei der Dimensionierung wäre meine Voraussetzung nun, dass ich 
für 1s 2A entnehmen kann und das bei einer Spannung von 3,6V Q=C*U = 
7,2F. Die Zeit zwischen den Sende-Impulsen beträgt mind. 15min. Die 
Anwendung befindet sich während dieser Zeit in einem UltraLowPower Modus 
(Iq~10uA). Jede Lösung welche im Sleep-Modus mehr als 2*Iq benötigt 
würde die Laufzeit der Anwendung von optimal 3 Jahren sehr 
beeinträchtigen.


Was würdet ihr mir in so einer Situation raten? Hatte jemand von euch 
mal ein ähnlich Problem?

Vielen Dank! Freundliche Grüße!

Lukas

[Jörg R. (solar77)]

lukas schrieb:
> dass ich für 1s 2A entnehmen kann und das bei einer Spannung von 3,6V

Wie weit darf die Spannung in dieser Sekunde denn einbrechen damit alles 
noch einwandfrei funktioniert?

[Lukas (Gast)]

Der minimal Wert für die Versorgung beträgt 3,3V. Mit der Spannung 
funktionieren GSM-modul und CC1190 noch einwandfrei.  Ab 3,2V können 
Abstürzte nicht mehr ausgeschlossen werden.

LG

[Jörg R. (solar77)]

Lukas schrieb:
> Der minimal Wert für die Versorgung beträgt 3,3V. Mit der Spannung
> funktionieren GSM-modul und CC1190 noch einwandfrei.  Ab 3,2V können
> Abstürzte nicht mehr ausgeschlossen werden.

lukas schrieb:
> Ich suche daher eine äquivalente Lösung mit Kondensatoren direkt auf der
> Platine. Bei der Dimensionierung wäre meine Voraussetzung nun, dass ich
> für 1s 2A entnehmen kann und das bei einer Spannung von 3,6V Q=C*U =
> 7,2F

Solche Kondensatoren gibt es auch zum Einlöten. Ich würde zur Sicherheit 
10F verwenden.

https://www.capcomp.de/ultracaps-spscap/zellen/scv-ltz-1f-60f.html


Der von Dir gennate Batterietyp gibt rs ebenfalls zum einlöten, z.B. von 
Saft. Kapazitäten bis zu 17 Ah sind möglich.

[U. M. (oeletronika)]

Hallo,
> lukas schrieb:
> Die Verfügbarkeit des SPC in Verbindung mit der Batterie ist für mich
> jedoch suboptimal weil: weniger Distributoren, höherer Platzaufwand,
> Lötfahnen benötigt.
Es muß ja bei 2A nicht unbedingt dieser Typ SPC sein.
Andere SuperCaps entsprechender Größe würde es doch auch machen, oder?
Ich habe für eine Anwendung z.B. den Typ DRE von Samxon im Einsatz mit 
22F.
https://produktinfo.conrad.com/datenblaetter/450000-474999/456744-da-01-en-DOPPELSCHICHT_KONDENSATOR_DRC_22F__2_3V.pdf
Die kann mman auch einlöten.
Ich hatte die auch mal exemplarisch auf Alterung bei hohen Einsatztemp. 
geprüft (bis ca. 80°C) und war erstaunt, dass entgegen den 
Datenblattangaben über einige Monate keinerlei Derating festzustellen 
war.

> Ich suche daher eine äquivalente Lösung mit Kondensatoren direkt auf der
> Platine. Bei der Dimensionierung wäre meine Voraussetzung nun, dass ich
> für 1s 2A entnehmen kann und das bei einer Spannung von 3,6V Q=C*U =
> 7,2F.

Also, wenn du für 1s ca. 2A ziehen willst und dabei angenommen max. ca. 
0,3V Spannungsabfall am C entstehen dürfen, dann brauchst du mind. ca. 
6F.
Da aber man aber auch dem SuperCap etwas Spannungsabfall zugestehehn 
muß, dessen Alterung berücksichtigen sollte und evtl. auch der 
3,6V-Zelle etwas Spannungsabfall, Drift und eine Entladeschlußspannung 
zuschreiben sollte, würde ich eher nur mit ca. 0,1V Entladung rechnen. 
Dann wären z.B. 22F eher praktikabel. Für 3,6V brauchst du dann aber 2 
Stück in Reihe, was sich auch gut für bezüglich Leckstrom und 
lebensdauer macht.

> Die Zeit zwischen den Sende-Impulsen beträgt mind. 15min. Die
> Anwendung befindet sich während dieser Zeit in einem UltraLowPower Modus
> (Iq~10uA). Jede Lösung welche im Sleep-Modus mehr als 2*Iq benötigt
> würde die Laufzeit der Anwendung von optimal 3 Jahren sehr
> beeinträchtigen.
Bei 1s x 2A ist das eine Ladung von 2As pro 15Min (900s) = 8As pro 1h!
Diese Ladung muß ja schließlich wieder in den Kondensator rein.
Dafür braucht es also mind. 2As /900s = 2,3mA. Das wird also rein 
rechnerisch nix. mit 20uA Ladestrom, nicht wahr?
Der Laderstrom sollte also schon ca. 3mA sein.

Mit ca. 8As x 24 x 365 kommt man auf ca. 70kAs = 19 Ah.
Die Zelle wird also bei einer Zykluszeit von 15 min eh nur 1 Jahr 
durchhalten. Mit Zykluszeit von 1h kann es 3 Jahre halten.
Gruß Öletronika

[Lukas (Gast)]

Vielen, vielen Dank für die hilfreichen Antworten!

Jörg R. schrieb:
> Solche Kondensatoren gibt es auch zum Einlöten. Ich würde zur Sicherheit
> 10F verwenden.
>
> https://www.capcomp.de/ultracaps-spscap/zellen/scv-ltz-1f-60f.html

U. M. schrieb:
> 
https://produktinfo.conrad.com/datenblaetter/450000-474999/456744-da-01-en-DOPPELSCHICHT_KONDENSATOR_DRC_22F__2_3V.pdf
> Die kann mman auch einlöten.
> Ich hatte die auch mal exemplarisch auf Alterung bei hohen Einsatztemp.
> geprüft (bis ca. 80°C) und war erstaunt, dass entgegen den
> Datenblattangaben über einige Monate keinerlei Derating festzustellen
> war.

Danke! Ich werde mich vermutlich direkt an CampComp wenden.

U. M. schrieb:
> Bei 1s x 2A ist das eine Ladung von 2As pro 15Min (900s) = 8As pro 1h!
> Diese Ladung muß ja schließlich wieder in den Kondensator rein.
> Dafür braucht es also mind. 2As /900s = 2,3mA. Das wird also rein
> rechnerisch nix. mit 20uA Ladestrom, nicht wahr?
> Der Laderstrom sollte also schon ca. 3mA sein.

Ich habe die 2As für das senden zu großzügig gewählt. Lt. Datenblatt des 
BG96-Moduls können im 2G Netz max. 2A beim senden auftreten. Z.B. bei 
sehr schlechtem Empfang im Zuge von Schlechtwetter oder schlechter 
Netzabdeckung. Im Durchschnitt verbraucht die Anwendung 0,6As - 1 As. 
Und hierbei ist der gesamte Programmzyklus gemeint,- Hochfahren, Daten 
abrufen, Senden. Das dauert ungefähr 14s. Habe eine Oszilloskop-Messung 
des gesamten Verlaufs angehängt. Am Ende sieht man die Strom-Spitzen 
welche durch das senden im 2G Netz entstehen. Wie gesagt die können 
jedoch auch je nach Empfang stark variieren. Deshalb mal die großzügige 
Annahme.

Bzgl. meiner Angabe zu Iq=10uA meinte ich eher den Ruhestrom oder 
Verlust-Strom den die Anwendung im SleepModus haben darf. Dies schließt 
den Ladestrom zwischen Kondensatoren und Batterien ja nicht mit ein. - 
Ist ja in dem Sinn kein Verlust sondern nur eine Verschiebung der 
Kapazität. Bezog mich mit der Einschränkung eher auf Verlustbehaftete 
Buck-Boost Konverter oder ähnliche Lösungen.

LG

Lukas

[U. M. (oeletronika)]

Hallo,
> Lukas schrieb:
> Bzgl. meiner Angabe zu Iq=10uA meinte ich eher den Ruhestrom oder
> Verlust-Strom den die Anwendung im SleepModus haben darf.
Warum machst du dir solche Vorgaben?
Die 10uA sind in der Rechnung doch ein völlig vernachlässigbarer Wert.
10uA * 3600s = 0,036As
Der Wert liegt also ca. 100 mal niedriger als die ca. 4As, die du pro 
Stunde für das aktive Senden benötigen würdest.

Selbst ein Ruhestrom von abgenommen 200uA würde über Jahr nur
0,0002A x 3600s x 24 x 365 = ca. 1,3Ah ausmachen. Das ist immer noch 
viel weniger als die Ladung, welche du zum aktiven Senden benötigst. Bei 
bis zu 19Ah in der Zelle würden dir in 3 Jahren, bei diesem 20-fachen 
Ruhestrom, immer noch ca. 15 Ah für den aktiven Betrieb bleiben.
Gruß Öletronika