KSQ mit gemeinsamen GND und PWM gesucht für DC USV

[Heinz M. (subi)]

Hallo,

ich möchte mir eine USV komplett auf DC Basis 15-30 V mit vorhandenen 
Akkus basteln. Das heißt ein 24 V Netzteil stellt die Netzversorgung zur 
Verfügung. Dahinter ist die ganze USV Schaltung mit verschiedenen 
Akkutypen (12 V Blei, 18 V Lithium, ...). Als Verbraucher kommen nur DC 
Verbraucher zum Einsatz. Version 1 ohne Akkuladung hat schon super 
funktioniert.

Nun möchte ich einen Schritt weiter gehen und die Akkus auch laden. Mein 
Problem dabei ist, dass ich eine gemeinsame Masse benutzen möchte. 
Nahezu alle KSQs haben auf der GND Seite einen Shunt zur Strommessung. 
KSQs für LEDs werden sogar auf der GND Seite geschalten. Macht bei LEDs 
ja auch Sinn.

Die Lademethode und Schaltung ist eigentlich recht simpel. Ein 
Mikrocontroller gibt ein geringes PWM Signal auf die KSQ, wo der Strom 
auf jeden Fall gering genug ist. Z.B. 0,1 %. Nach einer kurzen 
Einschwingzeit wird der Strom gemessen und weiter erhöht bis der 
maximale Ladestrom erreicht ist. Wenn die Ladeschlussspannung näher 
kommt wird das PWM Signal langsam wieder runtergefahren, so dass es in 
Richtung Konstantspannung geht. Reine Konstantspannung ist nicht nötig, 
da ich die Akkus eh nicht komplett an die Kotzgrenze vollballern will.

Ein Ballancing soll nicht stattfinden. Es wird sich einfach nach der 
schwächsten Zelle gerichtet und hin und wieder manuell die einzelnen 
Zellen geladen werden.

Ich bräuchte eine KSQ, die
- 13 bis 32 V Eingangsspannung verträgt
- 0 bis 3 A (1,5 A wären auch ok) Konstantstrom
- uC gesteuert per PWM Signal (I2C oder UART ginge auch)
- gemeinsamen GND hat
- für große Kapazitive Lasten geeignet ist

Ein diskreter Aufbau kommt eigentlich nicht in Frage, wegen Aufwand und 
zu großen Bedenken, dass was schief läuft.

Als Alternative hatte ich mir noch überlegt LM317 zu benutzen. 
Allerdings ist das dann schon einiges an Verlustleistung.

Oder 2 Mikrocontroller einzusetzen. Einer sitzt auf Akkuseite und misst 
die Zellspannungen und der andere sitzt auf der Netzteilseite und 
steuert die KSQ. Neben den 2 Mikrocontrollern müsste dann noch VCC und 
GND getrennt werden, Optokoppler für die Kommunikation eingebaut werden 
und evtl. noch ein Sperrwandler. Außerdem 2 Mikrocontroller und 2 LDOs. 
Also insgesamt ziemlich viel Aufwand.

Warum keinen fertigen Lader? Ganz einfach, ich möchte selbst bestimmen 
bis zu welcher Spannung die Akkus geladen werden.

[MaWin (Gast)]

Heinz M. schrieb:
> Ein Mikrocontroller gibt ein geringes PWM Signal auf die KSQ, wo der
> Strom auf jeden Fall gering genug ist. Z.B. 0,1 %. Nach einer kurzen
> Einschwingzeit wird der Strom gemessen und weiter erhöht bis der
> maximale Ladestrom erreicht ist

Irgendwie hast du den Begriff Konstantstromquelle nicht verstanden.

Eine Konstantstromquelle liefert einen konstanten Strom.

Nicht einen von 0.1% an erhöhten Strom.

Es würde sich höchstens ein pulsförmiger Strom an der Last ergeben: 
volle Kanne  aus  volle Kanne / aus.

Das ist nicht ganz das was Akku mögen, zudem eignet es sich schlecht um 
die Akkuspannung zu messen.

Heinz M. schrieb:
> - 13 bis 32 V Eingangsspannung verträgt

Dachte es wären 24V, schon gekauft.

Es ist zu 100% eine blöde Idee, eine Versorgung so auszulegen, dass sie 
sowohl UNTER (13V < 17V Li) als auch ÜBER (32V > 12V Blei) liegt, weil 
dann weder ein Linearregler, noch ein Buck, noch ein Boost step up 
Regler reicht.

Heinz M. schrieb:
> Ganz einfach, ich möchte selbst bestimmen bis zu welcher Spannung die
> Akkus geladen werden.

Prust, wie willst du das denn genau genug, also auf 0.5% genau.

Versorgungsspannung des uC als Referenz ? Viel zu ungenau. Interne 
Referenz des uC ? Viel zu ungenau. Immerhin könnte man 
justieren..Externe Prazisionsreferenz wie LM4040 ? Schon, bloss wird 
deine Pulsschaltung die Messwerte versauen.

[Heinz M. (subi)]

Mir ist noch etwas eingefallen.

Ich bin immer auf dem Trip gewesen, dass ich gemeinsames GND brauche, 
weil das bei den Schaltreglern für die Verbraucher nötig ist. Falls mal 
welche zusammengeschlossen werden.

Bei den gängigen Chinamodulen (LM2596S) mit Konstantstrom per Poti 
einstellbar sitzt im GND der Shunt für den Strom. Deswegen dacht ich der 
wäre nicht nutzbar. Ich müsste es aber nur so auslegen, dass keine 
nennenswerten Ströme an dem Shunt vorbei gehen. Siehe Anhang.

- ADC für Zellspannungen: Bei dem Regler den ich mir gerade angesehen 
habe, war ein 0,050 Ohm Shunt drauf. Bei einem Spannungsteiler von 10 zu 
100 K Ohm fällt das kaum ins Gewicht.

- Strommessung: Mit einem Messverstärker könnte ich den Shunt des 
Schaltreglers nutzen. Hier dürfte ebenfalls der Eingangswiderstand so 
hoch sein, dass es keinen Einfluss hat.

- GND der LM2596S Platine bidirektional nutzen: Das dürfte das größere 
Problem sein. Genügt die Beschaltung (Poti zum Strom einstellen), damit 
bei negativer Stromrichtung die -0,3 V des Feedbackpins nicht 
unterschritten werden? Bei 10 A die ich darüber ziehen möchten wären es 
schon -0,5 V, die am Shunt abfallen. Ansonsten müsste ich einen zweiten 
Shunt parallel löten oder gegen 0,02 Ohm tauschen. Auf den Regler dürfte 
der Tausch keinen Einfluss haben, da der Strom über den Poti eingestellt 
wird und damit einfach nur anders eingestellt werden müsste. Bei 0,02 
Ohm gegenüber 0,05 Ohm erwarte ich auch nicht, dass die Schaltung 
plötzlich verrücktspielt. Bei anderen Platinen die ich da habe ist der 
Shunt ein Stück S förmige Leiterbahn.

- GND der Platine für 10 A in Entladerichtung. Die GND Bahn müsste wohl 
mit 1,5 mm² Kupferdraht verstärkt werden. Problematisch ist der 
Messshunt. 0,05 Ohm bei 10 A wären 5 W. Der würde zwar durch die 
Kupferdrähte gekühlt werden. Aber 5 W halt ich für kritisch. Werde ich 
wohl auch aus diesem Grund austauschen müssen.

- LM2596S ohne zusätzlichen Mosfet oder Diode: Wie verhält sich der 
LM2596S, wenn eine Spannung am Ausgang anliegt, die nicht vom Regler 
selbst kommt? Da diese Regler als Akkulader empfohlen werden und die 
Sollspannung immer höher eingestellt sein wird, als der Akku, gehe ich 
mal davon aus, dass es kein Problem ist. Maximal im abgeschaltenen 
Zustand könnte es Probleme geben. Oder dass er sich nicht abschalten 
lässt.

- Steuerung des Ladestroms könnte ich auch erst mal fest einstellen auf 
ca. 0,3 A und mich später damit beschäftigen. Das beste was ich gefungen 
habe ist diese Skizze:
https://electronics.stackexchange.com/questions/207614/cc-cc-buck-schematic-circuit-help
Demnach ist der Poti zum Strom einstellen direkt an GND. Das würde die 
Ansteuerung per DAC oder geglättetem PWM vereinfachen.


@MaWin: Etwas Höflichkeit kann nicht schaden. Denn irgendwann wirst du 
auch mal Hilfe brauchen. Denn wie in anderen Themen zeigt sich auch 
hier, dass du nicht alles weißt.

KSQ und PWM: KSQs per PWM zu steuern ist eine sehr verbreitete Methode. 
Beispiel Meanwell LDD-1500. Leider sind 99 % der günstigen und gut 
erhältlichen Kostantstromquellen für LEDs und schalten demzufolge die 
Masse.

13 bis 32 V: Bisher sind alle geplanten Teile bis mindestens 32 V 
tauglich. Auch das Netzteil lässt sich wie viele Industrienetzteile auf 
fast 29 V nachregeln. Daher ist es nur sinnvoll und konsequent bis 32 V 
hoch zu gehen. 13 V einfach, um eine untere Grenze zu nennen. Letzten 
Endes muss nur das Netzteil eine höhere Spannung haben als die 
Ladeschlussspannung + Schaltregleroffset. Wenn nicht, dann kann der Akku 
nicht geladen werden. Oder man nimmt einen Buck/Boost Konverter. Z.B. 
LTC3780.

Bei Ladeschlussspannung 4,2 V für Lithium und von mir gewünschter 
Ladeschlussspannung von 4,0 V um den Akku zu schonen reicht eine 
absolute Genauigkeit von +-0,1 V, um eine Schädigung des Akkus 
auszuschließen. Das sind bei 30 V 9 Bit bzw. 0,3 %. Und 9 Bit ist nun 
wirklich nicht viel. 8 Bit absolute Genauigkeit erreiche ich bereits bei 
Steckbrettaufbau, Justierung über Poti und ein bisschen Oversampling. Da 
ist noch viel Spielraum nach oben.