Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Ladestopschaltung OK?


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von Nop (Gast)


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Hi,

ich habe einen Li-Ion-Akku 10s2p 36V / 5.2 Ah mit internem passivem BMS, 
der über einen externen Ladeziegel 42V / 2A geladen wird. Allerdings 
will ich ihn zwischen 80%-20% betreiben. Dazu ziehe ich derzeit bei 
Erreichen einer Spannung etwas unterhalb von 42V den Ladestecker, 
wodurch sich nach ein paar Minuten die Leerlaufspannung auf etwa 40.5V 
einpendelt. Das soll nun mit einer Schaltung zwischen Ladeziegel und 
Akku automatisiert werden.

Ich habe mir folgende Schaltung überlegt, siehe unten die 
oldschool-ASCII-art.

Im rechten Teil ist der Meß-Spannungsteiler aus R1 (10kΩ) und den 
folgenden Widerständen. Die angegebenen Spannungen 5.8V bis 8.1V 
beziehen sich auf Mittelstellung des Potis RP (2kΩ), wenn der Akku 
zwischen 30V und 42V schwankt. Mit dem Poti habe ich darüberhinaus +/- 
2.5V Spielraum zum Einstellen. Dieser Meßabgriff wird mit C4 (10µF) 
gepuffert und an den TLC555 geführt, welcher als invertierender 
Schmitt-Trigger arbeitet. Mit dem Taster S1 kann C4 entladen werden, so 
daß der Meßpunkt auf höchstens 0.4V sinkt. R2b (100Ω) begrenzt hierbei 
den Entladestrom von C4 auf etwa 80mA.

Links ist die Zenerdiode Z1 (12V), die eine 12V-Schiene gewährleistet. 
R5 (2.5kΩ) begrenzt hierbei den Strom. An Verbrauchern ergeben sich die 
grüne Dauer-LED Lg und die rote Lade-LED Lr mit jeweils 2mA, was mit R6 
(5.1kΩ) bzw. R7 (5.2kΩ) eingestellt wird. Dazu sollen bei 30V VCC immer 
noch 3mA durch Z1 fließen.

An dieser 12V-Schiene hängt der 555, dessen Triggerpunkte also bei 4V 
und 8V liegen. C1 (10µF) soll Ripple in der 12V-Schiene ausgleichen, C2 
ist der allfällige 100nF am IC zwischen VCC und GND. C3 (100nF) 
entkoppelt Pin 5 des 555 nach GND wie im Datenblatt empfohlen.

Schließt man nun den Taster S1, wird der Ladevorgang angestoßen, da am 
555 mit 0.4V der untere Schaltpunkt von 4V unterschritten wird. Der 
Ausgang vom 555 geht dadurch auf 12V. Die rote LED Lr leuchtet auf, und 
über R4 (1.5kΩ) wird das Gate vom Mosfet T1 (IRFZ44) auf 12V gezogen. 
Der TLC555 kann 10mA sourcen, und das Datenblatt warnt vor Beschädigung 
ab 15mA. Daher begrenzt R4 den Ladestrom der T1-Gatekapazität (1800pF) 
auf 8mA, was zusammen mit den 2mA von Lr den zulässigen Bereich einhält.

Da hier keine PWM vorliegt, sondern ein einmaliger Schaltvorgang, ist 
das langsamere Durchschalten von T1 zu verschmerzen, und es geht ohne 
Gate-Treiber. An T1 können schlimmstenfalls 12V bei 2A abfallen. Die 10V 
zum Durchschalten werden am Gate nach knapp 2RC überschritten sein, das 
sind 5µs. Dadurch wird T1 leitend, und der Akku wird geladen. R3 (100kΩ) 
ist ein Pulldown zur Sicherheit, weil die Toleranzbreite der maximalen 
Durchlaßspannung der roten LED 2V ist, während die minimale 
Sperrspannung U_GS(th) von T1 ebenfalls bei 2V sein könnte.

Bei Erreichen der mit dem Poti RP eingestellten Ladespannung werden 8V 
am 555 überschritten, also der obere Schaltpunkt, und der Ausgang geht 
auf GND. Die rote LED Lr geht aus, T1 sperrt, und der Akku wird nicht 
mehr geladen. Dank des Schmitt-Triggers sollte es keine Oszillationen am 
Schaltpunkt geben.

Das Ladegerät wird die Spannung auf seine Leerlaufspannung anheben, so 
daß nach dem Wegschalten des Akkus kein weiterer Ladevorgang mehr 
erfolgt, außer bei manueller Auslösung mit S1.

Gibt's da irgendwelche Denkfehler drin? Danke schonmal.
1
o-------+---------------------------+--------------o-+
2
VCC     |                           |                |
3
42V DC  R5                          R1               |
4
2A      |                           |                |
5
        |                           |  5.8V...8.1V   |
6
        |         12V               |  (S1: 0.4V)    |      
7
        +---+-------+     +---------+------+         |
8
        |   |       |     |         |      |         |
9
        Z1  R6      |     |       -RP->    |         |
10
        |   |       |     |         |      |         | +
11
        |   Lg      |     |        R2a      / S1    BAT
12
        |   |       |     |         |      |     30V...42V
13
        +---+       |     |         +------+         | -
14
        |           |     |         |                |
15
        |           |     |         |                |
16
        |           |     |         |                |
17
        |   +---+---+  +--+         |                |
18
        |   |   |   | /   |         |                |
19
        |   C1  C2 555---/|\---+---/|\--R4--+    +-o-+
20
        |   |   |   |     |    |    |       |    |
21
        |   +---+---+     |    |    |       |    |
22
        |   |       |     |    |    |       |    |
23
        |   |       C3    C4   R7  R2b      +---|< T1
24
        |   |       |     |    |    |       |    |
25
        |   |       |     |    Lr   |       R3   |
26
GND     |   |       |     |    |    |       |    |
27
o-------+---+-------+-----+----+----+-------+----+

30V: R5 18V / 7mA : Z1  3mA + Lg 2ma + Lr 2mA (laden)
42V: R5 30V / 12mA: Z1  8mA + Lg 2mA + Lr 2mA (laden)
42V: R5 30V / 12mA: Z1 10mA + Lg 2mA          (fertig)

R1  10k
RP  2k
R2a 1.3k
R2b 100
R3  100k
R4  1.5k
R5  2.5k
R6  5.1k
R7  5.2k

C1  10µ
C2  100n
C3  100n
C4  10µ

Lr  LED rot,  1.7V, 2mA
Lg  LED grün, 1.9V, 2mA

Z1  Zener 12V

T1  IRFZ44 VPbF (Mosfet N-Ch)

555 TLC555 (als inv. Schmitt-Trigger)

von Michael K. (Gast)


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Das die Spg eines JEDEN Einzelakkus permanent und sehr genau überwacht 
werden muss und es seit dem Pleistozän ganz ausgefuchte Lade ICs dafür 
gibt, ist Dir neu?

von Michael B. (laberkopp)


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R3 und R4 kannst du dir bei einer IRFZ44 sparen, die hält 12V aus.

Ich finde es halt recht aufwändig, ein TL431 wäre einfacher
1
42V ---+----+--------+
2
       |    |        |
3
      375k 10k      Akku
4
       |    |        |
5
       |    +---+---|I IRFZ44
6
       |    |   |    |S
7
       +--TL431 |ZD12|
8
       |    |  _|_   |
9
      25k   |  /_\`  |
10
       |    |   |    |
11
GND ---+----+---+----+

von Nop (Gast)


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Michael K. schrieb:
> Das die Spg eines JEDEN Einzelakkus permanent und sehr genau
> überwacht werden muss und es seit dem Pleistozän ganz
> ausgefuchte Lade ICs dafür gibt, ist Dir neu?

Nein. Aber der Akku ist im Gerät verbaut und wird über den Ladeziegel 
angeschlossen. Das passive BMS ist im Gerät.


Michael B. schrieb:
> R3 und R4 kannst du dir bei einer IRFZ44 sparen, die hält 12V aus.

R3 / R4 sind keine Spannungsteiler. R3 ist der Pulldown zur statischen 
Entladung, und R4 schützt den Ausgang des TLC555, nicht etwa das Gate 
des IRFZ44.

> Ich finde es halt recht aufwändig, ein TL431 wäre einfacher

Kommt die Schaltung damit klar, daß der Akku die 42V-Schiene auf bis zu 
30V runterziehen kann bei Voll-Entladung? Ist da eine Schalt-Hysterese 
dabei? Wie stelle ich die Abschaltschwelle ein?

von Nop (Gast)


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Michael B. schrieb:

> Ich finde es halt recht aufwändig, ein TL431 wäre einfacher

OK, nmit nochmal Draufschauen sehe ich auch, was diese Schaltung tut. 
Solange die Spannung am 25k unter 2.5V liegt, sperrt der TL341, woduch 
das Mosfet-Gate auf 12V gezogen wird und der Mosfet durchschaltet. Ab 
2.5V am 25k schaltet der TL341 nach GND durch, wodurch der Mosfet 
sperrt. Der Ladeziegel zieht dann vollends auf 42V hoch, und der Mosfet 
bleibt auch gesperrt.

Sowas in der Art hatte ich zuerst mit einem Komparator statt dem 
Schmitt-Trigger  aufbauen wollen. Das sah so aus, als wenn es 
funktionieren könnte - allerdings befürchtete ich, daß das zusammen mit 
dem Ripple auf der 42V-Schiene zum Schwingen führen kann.

Deswegen kam ich überhaupt erst zum Schmitt-Trigger und den 
RC-Tiefpässen.

von Dieter (Gast)


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Das würde nur Sinn machen, wenn da BMS dazwischengebaut würde, das bis 
zu 3,9..4,0V je Zelle lädt und bei dieser Spannungsgrenze bereits 
balanciert. Die untere Schwelle müßte bei 3,1..3,3V liegen, ab der 
abgeschaltet würde.

von Nop (Gast)


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Dieter schrieb:
> Das würde nur Sinn machen, wenn da BMS dazwischengebaut würde, das
> bis zu 3,9..4,0V je Zelle lädt

BMS intern.

> und bei dieser Spannungsgrenze bereits balanciert.

Passives BMS - das balanciert nicht. Ein passives BMS lädt alle Zellen 
in Reihe, hat aber parallel zu jeder Zelle einen schaltbaren 
Bypass-Widerstand, um Überladung zu verhindern.

> Die untere Schwelle müßte bei 3,1..3,3V liegen, ab der
> abgeschaltet würde.

Es geht um die Auflade-Endabschaltung, nicht um die 
Entlade-Schutzabschaltung.

von MaWin (Gast)


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Nop schrieb:
> R3 ist der Pulldown zur statischen
> Entladung

Überflüssig an eonen Ausgang def nie Eingang oder nicht-angrschlossen 
sein kann.

> und R4 schützt den Ausgang des TLC555

Überflüssig, der schützt sich bei Kondensatorumladung schon selbst.

> Kommt die Schaltung damit klar, daß der Akku die 42V-Schiene auf bis zu
> 30V runterziehen kann bei Voll-Entladung?

Sicher, da ist sie eingeschaltdt.

> Ist da eine Schalt-Hysterese
> dabei?

Da bei 40V der Akku abgeklemmt wird, steigt die Spannung schlagartig auf 
42V.  Die Migkopplung entspricht einer Hysterese.

Die Schaltung bleibt ausgeschaltet bis die Spannung wieder auf 40V 
sinkt.

von Nop (Gast)


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MaWin schrieb:
> Nop schrieb:
>> R3 ist der Pulldown zur statischen
>> Entladung
>
> Überflüssig an eonen Ausgang def nie Eingang oder nicht-angrschlossen
> sein kann.

Ja, der ist schon ziemlich defensiv - kostet aber auch kaum etwas bei 
einem Einzelstück.

>> und R4 schützt den Ausgang des TLC555
>
> Überflüssig, der schützt sich bei Kondensatorumladung schon selbst.

Ist das so? Ich habe im Datenblatt des TLC555 dazu keine Angaben 
gefunden. Zwar ist er CMOS-kompatibel, das steht drin, aber das lese ich 
nur für Logik-Eingänge und nicht für Leistungs-FETs mit einer 
Gatekapazität im nF-Bereich.

> Da bei 40V der Akku abgeklemmt wird, steigt die Spannung schlagartig auf
> 42V.  Die Migkopplung entspricht einer Hysterese.

Siehe oben - sowas hatte ich zuerst mit einem Komparator im Sinne, was 
zwar weniger elegant als der TL431 gewesen wäre, aber wo ich ebenfalls 
potentielle Probleme beim Abschalten im Hinblick auf den Ripple sehe.

Das läßt sich mit einem RC-Glied zwar wegdämpfen, aber dann brauche ich 
erst recht einen Schmitt-Trigger. Ich weiß nämlich nicht, wie Akku und 
BMS auf eine gepulste Ladespannung reagieren würden und will es auch 
lieber nicht herausfinden.

von Kilo S. (kilo_s)


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Nop schrieb:
> Das läßt sich mit einem RC-Glied zwar wegdämpfen, aber dann brauche ich
> erst recht einen Schmitt-Trigger. Ich weiß nämlich nicht, wie Akku und
> BMS auf eine gepulste Ladespannung reagieren würden und will es auch
> lieber nicht herausfinden.

Schade... ich will meinen Scooter auf Li umbumsen...

"Selbstlader" beim rollen auf blei ist er ja schon....

Hat zwar dauernd kulcht die Kiste, aber ich glaub ich habe es gefixt!

: Bearbeitet durch User
von leser (Gast)


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von Kilo S. (kilo_s)


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leser schrieb:
> Kilo S. schrieb:
> umbumsen
>
> Eventuell aus dem Kontext ersichtlich, aber...
>
> Kilo S. schrieb:
> kulcht
>
> 
https://www.google.com/search?q=kulcht&oq=kulcht&aqs=chrome..69i57j0.3963j0j7&sourceid=chrome&ie=UTF-8
>
> ?

Steuergerät brannte ab und zu, Bauteile qualitativ zu schlecht.

Jetzt werkeln da teile aus alter Medizintechnik (Schrottplatz) drin.

Wird noch warm, mehr aber auch nicht. ;-)

(Umbumsen... Wortwitz. LI Akkus, Brennbar usw ;-) )

Durch die Modifikation bin ich zwar mit dem Teil ein Graus auf KW bis 
fast 6m Band. (Selbst funker) Aber immer nur Kurz. Forca Evo/Race-king. 
25/40 (eco/normal-modus) 25Km Reichweite mit 128Kg max. Ges. Und 36V 
12Ah Akkus.

Li hat dann 42V und 20Ah. (Passt, die blei haben ja voll 45V) leichter, 
größere Reichweite, gleicher Max. Geschwindigkeit, mehr zuladung 
möglich.

Die Strombegrenzung macht mir noch Sorgen, original hat das Steuergerät 
maximal 30 Ampere. Der Akku kann bis 60 Ampere Maximalstrom liefern. 
Ansonsten nur noch das selbst laden, oder die selbst Ladefunktion 
deaktivieren.

Beim Rollen wirkt der 1300 Watt Motor wie ein Generator.

: Bearbeitet durch User
von Kilo S. (kilo_s)


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Hust... röchel....
hochschieb

Schon jemand Erfahrung gemacht?

Der LI-Akku kommt in 4-6 Tagen ;-)

von Nop (Gast)


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Ich habe die Schaltung aus dem OP jetzt aufgebaut und getestet. 
Funktioniert wie gewünscht!

von Kilo S. (kilo_s)


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Ich bin gerade am testen.

Bisher keine negativen Effekte.

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