Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Batteriemonitoring mit boost converter in Schaltung


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von T.M .. (max)


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Hallo,

ich habe bei einer geplanten Schaltung folgendes Problem:
Vbat kann von 0.9-4.2V betragen. Mit einem Boost/buck converter werden 
mir 3.3V zur Verfügung gestellt.
Nun möchte ich die Batteriespannung überwachen und frage mich was 
passiert, wenn der MCU nicht mehr mit 3.3V versorgt wird, zB mit 3V, 
weil die Batterie schon leerer ist und der Converter nicht mehr schafft.
Mein Gedanke war mit einem LDO eine Referenzspannung zu erzeugen, zB 
2.5V.
Der MCU 328P schaltet bei 2.7V ab.
Kann man das so machen?
Der 328P hat ja auch eine interne Referenz von 1.1V, die offenbar aber 
nicht sehr stabil ist. Ich frage mich nun welche Spannung ich 
bereitstellen sollte. Ebenfalls eine niedrige um die 1V oder eben 2.5V? 
Der LDO hat ja auch einen gewissen Spannungsabfall. Man müsste ihn 
vermutlich hinter den Converter hängen

LDO zB MCP1811A Ultra-Low Quiescent Current: 250 nA (typical)
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/MCP1811A-11B-12A-12B-Family-Data-Sheet-DS20006088C.pdf

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von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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T.M .. schrieb:
> Ich frage mich nun welche Spannung ich bereitstellen sollte.

Das ist ziemlich egal, solange sie stabil ist.

Für die Spannungsmessung einer Batterie reicht die interne Referenz des 
Mikrocontrollers aber locker. Die Spannung sagt ohnehin kaum etwas 
darüber aus, wie viel Energie oder Laufzeit noch verfügbar ist.

von T.M .. (max)


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>Das ist ziemlich egal, solange sie stabil ist.

Ist der Bereich nicht unpräziser, wenn kleiner? Der zur Verfügung 
stehende Bereich müsste ja kleiner sein

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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T.M .. schrieb:
> Ist der Bereich nicht unpräziser, wenn kleiner?

Vielleicht marginal. Da hat die Temperatur einen viel größeren Einfluss. 
Die Frage ist, welche Genauigkeit du glaubst du brauchen und zu welchem 
Zweck.

von T.M .. (max)


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Gute Frage, im schlimmsten Fall sind es 1.2V vom eneloop Akku. Und es 
soll akkurat sein, um den Spannungsverlauf zu verfolgen, um zu sehen ab 
die Schaltung wohl nicht mehr funktionieren wird. (Der Batteriestand 
wird regelmäßig mit RFM95 übertragen)

: Bearbeitet durch User
von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Die Funktion der Battiere wird nicht nur von ihrer aktuellen Spannung, 
sondern auch vom Laststrom, Temperatur und dem Hormonstand deiner Frau 
abhängen.

Ich sehe hier keinen Sinn darin, anhand der Spannung eine Prognose zur 
Laufzeit machen zu wollen. Ich würde eher den Brown-Out Detektor nutzen, 
um zu erkennen, wenn der Spannungswandler versagt. Dann hast du immer 
noch genug Zeit, schnell ein paar Daten zu sichern und das System 
anzuhalten.

Sollte diese Zeit (sicher einige Millisekunden) nicht ausreichen, 
brauchst du ohnehin eine Ersatz-Stromversorgung.

von T.M .. (max)


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Das ist nett von dir deine Ratschläge, aber sie helfen mir nicht ganz 
weiter. Ich muss aus der Ferne ungefähr abschätzen können wie es der 
Batterie geht

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von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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T.M .. schrieb:
> Das ist nett von dir deine Ratschläge, aber sie helfen mir nicht ganz
> weiter.

Aber ich habe deine Fragen doch beantwortet:

Stefan ⛄ F. schrieb:
>> Ich frage mich nun welche Spannung ich bereitstellen sollte.
> Das ist ziemlich egal, solange sie stabil ist.
> Für die Spannungsmessung einer Batterie reicht die interne Referenz des
> Mikrocontrollers aber locker.

Stefan ⛄ F. schrieb:
>> Ist der Bereich nicht unpräziser, wenn kleiner?
> Vielleicht marginal. Da hat die Temperatur einen viel größeren Einfluss.

Was möchtest du denn noch wissen?

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von Manfred (Gast)


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T.M .. schrieb:
> Der 328P hat ja auch eine interne Referenz von 1.1V,
> die offenbar aber nicht sehr stabil ist.

Unfug.

Die Referenz hat eine große Streuung von einem AT328 zum anderen, ist 
für sich gesehen aber sehr gut. Bei einem Einzelstück egal, baut man 
mehrere, muß man irgendwo einen Kalibrierwert rein schreiben.

Soweit nur eine Spannung gemessen werden muß, geht das auch mit einem 
Trimmpoti.

von T.M .. (max)


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Ja ich verwechselte stabil mit akkurat. Ich wollte vermeiden bei jedem 
Gerät neu kalibrieren zu müssen.
Ich werde das einfach mal testen, wenn Stefan meint das würde 
ausreichen. Vielleicht ist die Abweichung ja nicht zu groß und reicht 
für den Zweck

von Manfred (Gast)


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T.M .. schrieb:
> Ja ich verwechselte stabil mit akkurat.

Gut, Unklarheit bereinigt.

> Ich wollte vermeiden bei jedem Gerät neu kalibrieren zu müssen.
> Vielleicht ist die Abweichung ja nicht zu groß und reicht
> für den Zweck

Da mache ich Dir keine Hoffnung, nach meinen Beobachtungen sind die 
Abweichungen erheblich. Laut Datenblatt kann die interne Bandgap von 
1,0..1,2 Volt streuen, mache mal eine theoretische Rechnung auf, wenn 
der eine 1,15 V und der nächste 1,05 V hat - Du musst justieren.

Für ein Einzelstück (für mich typisch) schreibe ich es in den Quellcode, 
für ein paar würde ich ein Trimmpoti einsetzen. Werden es mehr, 
Kleinserie und Bauteilekosten sparen, müsste man den Korrekturfaktor ins 
EEPROM schreiben, eine Kalibrierroutine ins Programm stricken.

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Manfred schrieb:
> ach meinen Beobachtungen sind die
> Abweichungen erheblich. Laut Datenblatt kann die interne Bandgap von
> 1,0..1,2 Volt streuen

Real habe ich bisher viel geringere Abweichungen beobachtet.

Aber die Referenzspannung ist nicht das Problem des TO. Sondern daß er 
glaubt, die Restenergie in seiner Batterie anhand einer Spannungsmessung 
abschätzen zu können. Das funktioniert so nicht. Zumal er anscheinend 
noch gar nicht festgelegt hat, welche Art von Batterie/Akku er verwenden 
will. Im Eröffnungspost heißt es:

T.M .. schrieb:
> Vbat kann von 0.9-4.2V betragen

Was zu keiner mir bekannten Chemie paßt. OK, 4.2V sind die Obergrenze 
für Li-Ion und 0.9V sind die Untergrenze für Alkali-Mangan (und NiMH). 
Aber es kann ja nur eines von beidem sein.

Für LiPo funktioniert eine Abschätzung der verbleibednen Kapazität 
anhand der Klemmenspannung ganz gut. Allerdings ist der exakte 
Kurzenverlauf von der konkreten Zellchemie abhängig. Das müßte man dann 
wenigstens einmal ausmessen. Danach kann man es auf vielleicht 5% 
Abweichung abschätzen. Die Temperatur spielt aber auch noch mit rein. 
Und Alterung.

von T.M .. (max)


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Hallo,

vielleicht werde ich auf dem ersten layout einfach mal einen LDO noch 
vorsehen. Ich kann ihn dann ja bestücken oder eben nicht. Als SOT-23 
nimmt er ja nicht viel Platz weg.

Es sollen 1.5V Alkaline Batterien benutzt werden können und als 
Alternative LiIon Akkus. Dafür werde ich vermutlich zwei getrennte DCDC 
verwenden, da sie effizienter sind als buck-boost.
>Das funktioniert so nicht.

Wie würdest du es denn machen? In ersten Tests hat das schon einen 
Hinweis gegeben, ab wann die Batterie nicht mehr zu gebrauchen war

>Die Temperatur spielt aber auch noch mit rein. Und Alterung.
Das könnte ein Problem werden, weil das ganze dann draußen hängt.

Welche Möglichkeit gibt es denn dann als Alternative? Ich muss im 
Prinzip nur rechtzeitig wissen wann ich raus muss, um die Batterien zu 
wechseln

: Bearbeitet durch User
von Manfred (Gast)


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Axel S. schrieb:
> Aber die Referenzspannung ist nicht das Problem des TO. Sondern daß er
> glaubt, die Restenergie in seiner Batterie anhand einer Spannungsmessung
> abschätzen zu können. Das funktioniert so nicht.

Zustimmung.

> T.M .. schrieb:
>> Vbat kann von 0.9-4.2V betragen
> Was zu keiner mir bekannten Chemie paßt. OK, 4.2V sind die Obergrenze
> für Li-Ion und 0.9V sind die Untergrenze für Alkali-Mangan (und NiMH).
> Aber es kann ja nur eines von beidem sein.

Er schrieb im Eingang "Boost/buck converter", also ein Wunderteil, was 
sowohl mit einer NiMH als auch LiIon umgehen kann? Macht wenig Sinn, man 
sollte sich auf eine Variante festlegen.

> Für LiPo funktioniert eine Abschätzung
> der verbleibednen Kapazität anhand der Klemmenspannung ganz gut.

Diese Aussage teile ich nicht.

> Allerdings ist der exakte  Kurzenverlauf von der konkreten Zellchemie
> abhängig. Das müßte man dann wenigstens einmal ausmessen.

Auch bei LiIon verschiedener Hersteller habe ich deutlich 
unterschiedliche Spannungsverläufe gesehen: Viele liegen im Mittelfeld 
ziemlich gerade, andere haben einen eher schrägen Verlauf. Bei der 
flachen Entladekurve habe ich keine Chance, bei dem schrägeren Verlauf 
könnte man eine sehr grobe Abschätzung machen.

Aber: Mit zunehmndem Alter verändert sich die Steigung der Kurve, was 
einen Vergleich gegen die ursprüngliche Kurve unmöglich macht.

Aus meiner Sicht ist eine Ladezustandsmessung über die Spannung 
esotherische Glaskugelleserei. Ich könnte ab 3.5V melden, dass es gleich 
vorbei ist und bei 3,3V eine Selbstabschaltung aufrufen, mehr nicht.

von Manfred (Gast)


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T.M .. schrieb:
> Es sollen 1.5V Alkaline Batterien benutzt werden können

Die Dinger fallen im Lauf der Nutzung messbar ab, im Gegensatz zu guten 
Akkus.

> Ich muss im Prinzip nur rechtzeitig wissen wann ich raus muss,
> um die Batterien zu wechseln

Wenn die Spannung unter 1,2 Volt geht.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Möglicherweise bist du (T.M.) von der Akkuanzeige eines Laptops 
verwöhnt. Diese funktioniert nur deswegen so gut, weil da ein eigener 
Chip im Akku sitzt der die Eigenschaften des Akkus sehr genau kennt und 
auch dessen Alterung berücksichtigt. Außerdem passt sich der Chip 
automatisch an erkannte Abweichungen an. Wenn der Akku z.B. das 
Erreichen der Entladeschluss-Spannung nicht mit der 0% Schätzung überein 
stimmt, wird dessen angenommene Kapazität reduziert oder erhöht.

Das alles funktioniert aber nur deswegen halbwegs präzise, weil der 
Hersteller zahlreiche Parameter des Akkus vor dem Verkauf ausmißt und in 
den Chip einträgt.

Deswegen befinden sich diese Chips auch im Akku-Pack - nicht im Laptop.

> Ich muss im Prinzip nur rechtzeitig wissen wann ich raus muss,
> um die Batterien zu wechseln.

Rechtzeitig heißt, vorher und planbar, nehme ich an. Dann rate ich Dir, 
die auch Lithium Akkus oder Alkalische Primärzellen zu beschränken. Bei 
NiMH Akkus ist die Differenz zwischen "hat noch reichlich" und "ist in 5 
Minuten leer" nicht an einer konkreten Spannung erkennbar.

: Bearbeitet durch User

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