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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Batterieschutzschaltung. Murks oder möglich?


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Autor: Markus B. (besser)
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Grüß euch!

Ich möchte eine Batterieschutzschaltung für 2 18650er Zellen die in 
Serie geschalten sind, bauen, um die Beiden vor Tiefenentladung zu 
schützen. Die Schutzschaltung soll nominell 25A liefern können. Ich hab 
daher 2 parallele Mosfets (IRLU2905) vorgesehen um die beiden nicht über 
ihre 110W Pdiss zu belasten. Gerechnet hab ich mit 8V und 12,5A pro 
Fet... macht dann ca 100W pro Fet. Da das ganze ein Akkupack für ein 
Spielzeug werden soll, könnte es jetzt sein dass das noch zu viel ist. 
Wenn jemand ein besseres Bauteil zur Hand hat bin ich auch nicht 
traurig.


Als Spannungssensor hab ich einen aus dem Farnell Sortiment genommen mit 
einer Vtrh =5,6V. Das sollte genug Reserve geben damit die Zellen nicht 
beleidigt sind. Der Spannungssensor sollte bei 5,6V dann am Ausgang in 
den LOW Zustand wechseln und damit die (beiden) Fets "Abschalten". Dann 
dürfte nix mehr gehen und der Akku verhält sich so als wäre er leer...

Die Diode (1N5822) soll das Laden der Zellen über den gleichen Stecker 
ermöglichen, die Zellen vertragen 1,25A Ladestrom. Die Diode sollte also 
mit 3A Vorwärtsstrom ausreichend dimensioniert sein.

Die Konstruktion mit dem Widerstand und der Z-Diode soll den IC vor 
einer zu hohen Ladespannung schützen. Der verträgt nur 10V, daher dachte 
ich mir ich bastel sowas dahin, vielleicht ist es aber auch unnötig da 
das Ladegerät eigentlich nur ca 8V liefern sollte, oder hab ich mich da 
vertan?

Soweit mein Gedankengang dazu, ich freue mich auf eure konstruktiven 
Vorschläge was daran falsch/schlecht/besser oder gut gemacht wurde!

Autor: Klaus (Gast)
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Markus B. schrieb:
> 8V und 12,5A pro Fet...

Set wann fallen bei 12,5A 8V an einem FET ab?

MfG Klaus

Autor: MaWin (Gast)
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D? ist in den IRLU2905 schon drin, was dir aufgefallen wäre wenn du das 
richtige Schaltzeichen verwendet hättest.
Den 470 (der unendlich viel Strom braucht so lange der Akku noch nicht 
entladen ist) kann bei BD49 statt BD48 entfallen.
Der BD4xE56 hat typ. 0.05*5.6 = 0.28V Hysterese. Das reicht bei 30A also 
nur für Akkus unter 10mOhm (inkl. Verkabelung) sonst schaltet der 
ständig an und aus, die MOSFETs bleiben halb leitend und werden wirklich 
heiss. Schalten sie richtig, reicht für 30A ein MOSFET.
Die Z-Diode mit Vorwiderstand ist Quatsch, erstens taugt das so sowieso 
nicht, zweitens hast du ein ganz anderes Problem wenn die Akkuspannung 
an 2S satte 9.6V beträgt.

Autor: Markus B. (besser)
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Klaus schrieb:
> Markus B. schrieb:
>> 8V und 12,5A pro Fet...
>
> Set wann fallen bei 12,5A 8V an einem FET ab?
>
> MfG Klaus

facepalm verkehrt gedacht... Rds-on ist ja 20mOhm, also müsste alles 
locker über einen Fet laufen. 25A*0,02Ohm = 0,5V macht ein Pdiss von 
25*0,5=12,5W?

Heut ists schon ein langer Tag bei mir...

@MaWin: Tatsache, falsches Schaltzeichen, ich glaub ich lass es dann für 
heute. Damit ich das mit der Hysterese richtig verstehe... Meinst du 
dass die Akkuspannung bei einer solchen Last soweit zusammenbricht dass 
der Spannungssensor anfängt die Zellen zu trennen? Dann könnte man das 
Abschalten mit einem Kondensator um Tplh verzögern?

Ich glaub ich schlaf da nochmal drüber und versuch das morgen genauer zu 
lesen, das bringt heute nix mehr. Danke schon mal für die Hilfe!

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Überlege doch mal kurz, welche Spannung zwischen Gate und Source liegt, 
solange die MOSFet durchgeschaltet sein sollen. Der MOSFet wird nicht 
durchschalten, sondern in einen halbleitenden Zustand gelangen, da er 
nur bei genügend Spannung zwischen G und S leitet. (Stell dir einfach 
vor, das der MOSFet ja nichts von Plus und Minus weiss, sondern nur die 
Spannungen an seinen Pins sieht).
Das kann also so nicht klappen. Wenn du die Highside schalten musst, 
dann sind P-Kanaler die richtige Wahl, deren Gate musst du zum 
Durchschalten dann auf Masse ziehen.

Da LowLogiklevel P-Kanaler nicht so häufig sind, nehmen viele LiIon 
Protektoren N-Kanal, schalten aber die Lowside.

Autor: MaWin (Gast)
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Markus B. schrieb:
> Damit ich das mit der Hysterese richtig verstehe... Meinst du dass die
> Akkuspannung bei einer solchen Last soweit zusammenbricht dass der
> Spannungssensor anfängt die Zellen zu trennen? Dann könnte man das
> Abschalten mit einem Kondensator um Tplh verzögern?

Nein, du verstehst nicht.
Hysterese ist wichtig, damit die MOSFETs nicht inm linearen Betrieb 
hängen. Sie ist aber nicht so besonders gross bei dem IC. Also muss der 
Rest damit zusammenspielen oder man muss sie vergrössern.

Autor: Icke ®. (49636b65)
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Markus B. schrieb:
> Die Diode (1N5822) soll das Laden der Zellen über den gleichen Stecker
> ermöglichen, die Zellen vertragen 1,25A Ladestrom.

Keine gute Idee. Die Flußspannung der Diode verfälscht die 
Klemmenspannnug des Akkus. Das Ladegerät sieht somit zu wenig Spannung 
und lädt die Zellen zu Tode. Wenn sie dir nicht vorher um die Ohren 
fliegen oder die Bude in Brand setzen.

> Die Schutzschaltung soll nominell 25A liefern können.

25A aus 18650ern? Sportlich...

Autor: Markus B. (besser)
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Hallo!

Ich hab mich jetzt nocheinmal halbwegs ausgeschlafen hingesetzt und das 
ganze durchgedacht, da mein erster Ansatz nicht sehr sinnvoll war.

Das mit dem falschen Schaltzeichen und der dadurch unterschlagenen Body 
Diode des Fets und die, im Nachhinein, hirnrissige Z-Dioden-Geschichte 
hab ich schon eliminiert. Ebenso den Fet in die Low-Side der Last 
gelegt.

Danke trotzdem dass ihr mir das in die Antworten geschrieben habt, bin 
zwar selber draufgekommen aber es soll ja passieren dass das auch Leute 
lesen die nicht mein Offlinegeschreibsel zu sehen bekommen!

Zwei kleine Fragezeichen allerdings sind mir geblieben, entweder sehe 
ich den Wald vor lauter Bäumen nicht, oder wir reden hier aneinander 
vorbei...

1)Die Sache mit der Schalthysterese des IC; Wenn ich das Datenblatt 
richtig verstehe schaltet mein IC bei U>5,88V nach "High" und bei U<5,6V 
nach "Low". Wobei "High" der aktuellen Akkupackspannung-0,5V entspricht 
und "Low" max. 0,5V sein sollte. Wenn ich jetzt mit 5,88V ins FET 
Datenblatt gehe und dort in FIG.1 nachsehe, dann bin ich sowohl bei 
Kurve 5 (aka. Vgs=5V) als auch bei Kurve 6 (aka. Vgs=7V) mit einer Vds 
von >5V im Anfangsbereich der Sättigungszone von Id... Das heist für 
mich ich bin nicht im Linearen bereich des FET, sowohl bei Tj=25°C als 
auch bei Tj=175°C. Der IC sollte im "Abschaltmoment" sprich kurz bevor 
er wegen Unterspannung auf den Zellen (U=5,6V) abschaltet, eben mit 5,6V 
versorgt werden. Dann sollte der High-Pegel mindestens 5,1V betragen, 
das sollte doch ausreichen um den FET aus dem Linearen Bereich 
herauszuhalten.

Vielleicht versteh ich auch einfach nicht was mir MaWin sagen will...

2)Das verfälschen der Klemmenspannung durch die Diode; Der Effekt müsste 
doch auch durch die Body Diode des FETs entstehen, lt. Datenblatt(FIG.7) 
beträgt die Usd ca. 0,4V bei einem Isd von 1,5A. wie begegnet man diesem 
Problem? Ich bin ein bisschen ratlos wie man die 0,4 V fürs Ladegerät 
hinbiegt.

Autor: Bernd K. (bmk)
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Lies dir den Beitrag von Matthias S. einmal aufmerksam durch.

Der MOSFET soll ja bei >5,88V durchschalten (leiten).

Hierzu erhält er am Gate (1) +5,88V
Weiterhin liegt an Source (3) +7,4V

Die wirksame Spannung UGS ist damit 5,88V - 7,4V = -1,5V
Wie soll der N-MOSFET damit leiten? Der braucht + Spannung.

Autor: Icke ®. (49636b65)
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Markus B. schrieb:
> Das verfälschen der Klemmenspannung durch die Diode; Der Effekt müsste
> doch auch durch die Body Diode des FETs entstehen

Natürlich.

> Ich bin ein bisschen ratlos wie man die 0,4 V fürs Ladegerät
> hinbiegt.

Indem man das Ladegerät direkt an den Akku anschließt. Der Ladekreis muß 
so niederohmig wie möglich sein, jeder Spannungsabfall führt dazu, daß 
das Ladegerät nicht die Spannung sieht, die der Akku tatsächlich hat. 
Schon rein ohmsche Widerstände sind zu vermeiden, ein nichtlinearer 
Widerstand geht gar nicht. Du mußt dir was anderes einfallen lassen.

Nachtrag:
Meine obige Aussage ist nicht ganz richtig. Der Akku wird nicht 
überladen, sondern nicht voll geladen, weil sich die Flußspannung zur 
Akkuspanung addiert. Insofern ungefährlich, aber trotzdem nicht im Sinne 
des Erfinders.

: Bearbeitet durch User
Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Bernd K. schrieb:
> Hierzu erhält er am Gate (1) +5,88V
> Weiterhin liegt an Source (3) +7,4V

Oder anders gesagt, die Spannung an der Source wird soweit steigen, bis 
Ugs so hoch ist, das ein gewisser Strom (der durch die Last am Ausang 
bestimmt wird) fliesst, die Spannung wird aber immer niedriger sein als 
die am Gate und keinesfalls die Drainspannung erreichen.
Du baust da also ein Sourcefollower.
Anders sieht es aus, wenn du den MOSFet in die Minusleitung (Lowside) 
legst.
Source geht an den Minuspol der Zellen. Dann ist es einfach, den MOSFet 
mit einer positiven Gatespannung zum vollen Durchschalten zu bringen.

Autor: foobar (Gast)
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MaWain bezog sich bei der Hysterese auf den Innenwiderstand der Zellen. 
Eine Zelle hat unbelastet z.B. 3.7V, wenn dann aber 25A gezogen werden, 
bricht die Spannung deutlich ein - auch unterhalb der Abschaltspannung. 
Als Konsequenz schaltet die "Schutzschaltung" ab, dadurch steigt die 
Spannung wieder, es wird wieder eingeschaltet usw usf.  Die Hysterese 
sollte den maximalen Spannungseinbruch abdecken, damit das nicht 
passiert.

Autor: Markus B. (besser)
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Icke ®. schrieb:
> Markus B. schrieb:
>> Das verfälschen der Klemmenspannung durch die Diode; Der Effekt müsste
>> doch auch durch die Body Diode des FETs entstehen
>
> Natürlich.
>
>> Ich bin ein bisschen ratlos wie man die 0,4 V fürs Ladegerät
>> hinbiegt.
>
> Indem man das Ladegerät direkt an den Akku anschließt. Der Ladekreis muß
> so niederohmig wie möglich sein, jeder Spannungsabfall führt dazu, daß
> das Ladegerät nicht die Spannung sieht, die der Akku tatsächlich hat.
> Schon rein ohmsche Widerstände sind zu vermeiden, ein nichtlinearer
> Widerstand geht gar nicht. Du mußt dir was anderes einfallen lassen.
>
Ich wollte gesondert herausgeführte Leitungen vermeiden, ich muss erst 
herausfinden ob das Platzmäßig möglich ist.

Matthias S. schrieb:
> Bernd K. schrieb:
>> Hierzu erhält er am Gate (1) +5,88V
>> Weiterhin liegt an Source (3) +7,4V
>
> Oder anders gesagt, die Spannung an der Source wird soweit steigen, bis
> Ugs so hoch ist, das ein gewisser Strom (der durch die Last am Ausang
> bestimmt wird) fliesst, die Spannung wird aber immer niedriger sein als
> die am Gate und keinesfalls die Drainspannung erreichen.
> Du baust da also ein Sourcefollower.
> Anders sieht es aus, wenn du den MOSFet in die Minusleitung (Lowside)
> legst.
> Source geht an den Minuspol der Zellen. Dann ist es einfach, den MOSFet
> mit einer positiven Gatespannung zum vollen Durchschalten zu bringen.

Ich hab den FET schon in die Lowside gelegt, sprich in die Rückleitung 
vom Verbraucher zu den Zellen geschalten. Source an Zellen- und Drain an 
Verbraucher. Ich denke Bernd hat das einfach überlesen...


foobar schrieb:
> MaWain bezog sich bei der Hysterese auf den Innenwiderstand der Zellen.
> Eine Zelle hat unbelastet z.B. 3.7V, wenn dann aber 25A gezogen werden,
> bricht die Spannung deutlich ein - auch unterhalb der Abschaltspannung.
> Als Konsequenz schaltet die "Schutzschaltung" ab, dadurch steigt die
> Spannung wieder, es wird wieder eingeschaltet usw usf.  Die Hysterese
> sollte den maximalen Spannungseinbruch abdecken, damit das nicht
> passiert.

Offenbar hat er sich nicht darauf bezogen...

>Markus B. schrieb:
>> Damit ich das mit der Hysterese richtig verstehe... Meinst du dass die
>> Akkuspannung bei einer solchen Last soweit zusammenbricht dass der
>> Spannungssensor anfängt die Zellen zu trennen?...

> Nein, du verstehst nicht.
> Hysterese ist wichtig, damit die MOSFETs nicht inm linearen Betrieb
> hängen. Sie ist aber nicht so besonders gross bei dem IC. Also muss der
> Rest damit zusammenspielen oder man muss sie vergrössern.

Danke für die Antworten

Autor: MaWin (Gast)
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Markus B. schrieb:
> Der Effekt müsste doch auch durch die Body Diode des FETs entstehen

Nein, weil bei voller werdender Batterie der MOSFET wieder einschaltet 
und die Body-Diode überbrückt (wie auch eine externe Diode). Die 
Ladeschlusspannung wird also bei eingeschaltetem MOSFET gemessen.

Markus B. schrieb:
> Offenbar hat er sich nicht darauf bezogen

Na ja, ich bezog mich vor allem darauf, dass du mit einem 
verlangsamenden Kondensator einer mangelnden Hysterese beikommen 
wolltest.

Völlig falscher Ansatz...

Die einbrechende Akkuspannung ist schon das Problem.

Autor: Markus B. (besser)
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MaWin schrieb:

> Völlig falscher Ansatz...
>
> Die einbrechende Akkuspannung ist schon das Problem.

Und was wäre dann, deiner Meinung nach, der "richtige" Ansatz?
Anderes Bauteil wählen, andere Schaltschwelle wählen?

Wie würdest DU soetwas realisieren?


EDIT: Eigentlich wenn ich so darüber nachdenke sollte der FET doch als 
DoppelFET vorhanden sein, damit der Stromfluss in jede Richtung 
unterbunden wird oder ist das nur bei einer Zelle sinnvoll?

: Bearbeitet durch User
Autor: MaWin (Gast)
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Markus B. schrieb:
> Und was wäre dann, deiner Meinung nach, der "richtige" Ansatz?

Für ausreichende Hysterese passend zum Innenwiderstand des Akkupacks 
sorgen.

> EDIT: Eigentlich wenn ich so darüber nachdenke sollte der FET doch als
> DoppelFET vorhanden sein, damit der Stromfluss in jede Richtung
> unterbunden wird

Du baust keine Überladeschutzschaltung, sondern nur eine 
Tiefentladeschuzzschaltung.

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