Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Balancer Auslegung (Stromstärke) für Supercaps


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von Planlos im Stadverkehr (Gast)


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Hallo Leute,

ich will Supercaps für zyklischen betrieb nutzen (~25Zyklen pro Stunde) 
bei unterschiedlichen Spannungslagen (Ein 6S2P String mit aus 400F 
Zellen).

Da ich unterschiedliche Spannungslagen (16Vmax bis 8Vmin) habe, ist ein 
Topbalancing per Shuntregler (Falk [meine ich] hatte mal einen solchen 
für Akkus gezeigt) eher ungeeignet, da unter umständen die Spannungslage 
des Strings nicht den Topbalancer Auslegung treffen. Ergo könnte zwar 
einzelne Zellen topbalanced sein, andere hingegen nicht. - Und bevor die 
mir die Polarität wechseln, will ich diese, wie es so schön heißt, aktiv 
balancen. Sprich die Spannung im String symmetrisch verteilen. Wie das 
geht, weiß ich ;)

Allerdings habe ich keine Ahnung, wie potent solch ein Balancer 
ausgelegt sein muss. Sollte ich diese grob gesagt ~ 1:1 zum Lade bzw. 
Entladestrom auslegen?
Einen Topbalancer sehe ich als OV-Schutz (also weniger als Balancer) 
übrigens trotzdem vor!

Zur Größe:
https://www.maxwell.com/images/documents/Integration_Kit_Data_Sheet_1006286_9.pdf 
Dieser Balancer ist für Zellen im dreistelligen Farad Bereich ausgelegt 
und macht "nur" 225mA. Aber Maxwell (wie auch irgendwie alle anderen 
Hersteller von Supercaps) sagt, das man sowas im Zyklischen Betrieb 
braucht, gibt aber keine Rechengrundlagen oder Auslegungsbeispiele an...

Vielen Dank

von Elektrofurz (Gast)


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Bei einem Zyklus von gut 120 Sekunden und einem angenommenen Supercap 
mit einer Kapazität von 120 Farad, fließt schon ein Strom von bis zu 1 
Ampere.

T = R * C

nach R umstellen:

R = T / C = 120s / 120F = 1A

Die Ausgleichsströme zwischen den Caps untereinander können allerdings 
auch kleiner sein.

von Planlos im Stadtverkehrt (Gast)


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Ja Cool,

ich hätte jetzt aus dem Bauch auch gut 1A für die Auslegung gewürfelt...

Ich versuch auch die Caps vorher mal zu vermessen um ungefähr die 
krassen Schwankungen von gut +/-30% Toleranz der Kapazität so zu 
matchen, das es optimal passt.

von Falk B. (falk)


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Planlos im Stadverkehr schrieb:
> des Strings nicht den Topbalancer Auslegung treffen. Ergo könnte zwar
> einzelne Zellen topbalanced sein, andere hingegen nicht. - Und bevor die
> mir die Polarität wechseln,

Das kann man leicht mit einer antiparallen Schottkydiode verhindern. Die 
0,5V Sperrspannung halten die aus.

> will ich diese, wie es so schön heißt, aktiv
> balancen. Sprich die Spannung im String symmetrisch verteilen.

Und was bringt dir das beim Entladen? Wenn die Kapazitäten arg 
verschieden sind, wird der mit der kleinsten Kapazität auch dann 
irgendwann verpolt.

von Reinhold E. (reinhold_by)


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Hallo Planlos,
die Supercaps haben doch prinzipiell auch Fertigungtoleranzen (1%, 10%?)
Damit ergibt sich im Ladezyklus auch eine verschieden hohe Spannung,
die sich beim Entladen aber wieder umgekehrt angleicht. Hier musst du 
nur rechtzeitig aufhören, damit keiner mehr als 2,5V hat.
'Balancen' musst um unterschiedliche Leckströme im Kondensator 
langfristig zu kompensieren, also wenn die Spannungsdifferenzen sich 
vergrössert. Dafür reichen aber deutlich kleinere Ströme. Bei den LiIon 
Balancern arbeitet man mit Milliamperes wo der Nutz-Strom im 
Amperebereich liegt. Ähnlich dürfte es hier auch sein.
Analog zu den Akkus musst du nur aufpassen dass bei keinem die max. 2,5V 
überschritten werden (Hat die SW den 'schwächsten' C gelernt, reicht es 
im Prinzip beim laden nur diesen zu beobachten
Nach 'unten' dürfte weniger kritisch sein, deine Anwendung geht ja nie 
bis ganz 0 Volt runter (bei dir 8-16V). Die Ladesschaltung um die 8V zu 
erreichen, die braucht natürlich höhere Ströme.
Ach ja, Wenn du nur mA Balancierströme hast, reicht passiv mit 
Heizwiderstand wie bei den Akkus, da gibt es ja auch genug fertige 
Schaltungen.

Sollte ich falsch liegen bitte korrigieren, kein Mensch ist allwissend 
:-)

Ergebnisse bitte dann auch mal posten, ist sicher interessant.

von Planlos im Stadtverkehrt (Gast)


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Reinhold E. schrieb:
> Sollte ich falsch liegen bitte korrigieren, kein Mensch ist allwissend
> :-)

Das weiß ich jetzt noch nicht :P

Der Unterschied zwischen Akkus und Den Caps ist der Entladestrom, dem 
ich ihnen Entlocken will...

Ich habe Entladepulse von gut 50-80A... Von daher denke ich sollte ich 
durchaus den höheren Balancestrom nehmen. Weniger geht ja damit immer 
noch ;)

Die Caps hängen parallel zu einem nicht so(ooo) hochstromfähigen 
Akkupack und sollen, wenn alles Klappt die ganze gepulste Last 
aufnehmen. Zwischen Akku und Cap sitzt eine relativ einfache lineare 
Strombegrenzung, so das aus dem Akku nie ein kritisch hoher Strom 
entladen werden kann

von Reinhold E. (reinhold_by)


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Hallo Planlos,
Es handelt sich also nicht um Rückspeisung von Energie die dann spätere 
wieder gezogen wird, sondern um Pulsförmige Last die mit möglichst 
konstantem eingehenden Energiefluß versorgt werden soll?

Wie lange ist denn der (maximale) einzelne Puls, welche Energiemenge 
dafür nötig?
Daraus kannst du die nötige Größe deiner Supercaps bestimmen oder 
nachrechnen ob deine Auswahl passt. Als maximalen Spannungshub sehe ich 
ca 1.5V, evtl. 1,8V beim schlechtesten Kondensator. Wichtig ist noch die 
minimal nötige Ausgangsspannung, je kleiner desto besser kann man die 
Supercaps nutzen.
Ist dein Verbraucher hier nicht flexibel genug, könnte man einen 
Schaltregler am Ausgang einplanen der dann z.B. bei unterer Schwelle von 
0,5V pro Kondensator (->3 Volt, 100A -> 300 Watt) das in z.B. 50 A mit 6 
Volt umsetzen würde.
Du kannst natürlich in diesem Fall die Kondensatoren auch nur bis 1,0 
Volt entladen und dir den Regler sparen, verschenkst dann aber 20% 
mögliche Kapazität (die Supercaps müssen entsprechend größer 
dimensioniert werden).

Entladen bis auf 0 Volt runter ist nicht sinnvoll, hier sollte der 
Verbraucher abgeschaltet werden.
Nach oben ist das Limit dann wenn der erste (schlechteste) Kondensator 
seine Maximalspannung (2,7V?) erreicht: 5 * guter mit je 2,3V + 1* 
schlechter mit 2,7V ergibt 14,2 V. Optimal selektiert wäre 6*2,7 V (16,2 
V) möglich aber real nicht erreichbar.
Mit aktiver Balancierschaltung kannst du natürlich alle Zellen auf die 
2,7V laden, die Spannungsdifferenzen ergeben sich dann beim entladen an 
den unteren Spannungsschwellen.

von too hot (Gast)


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Planlos im Stadtverkehrt schrieb:
> Zwischen Akku und Cap ... eine ... lineare Strombegrenzung,

Meinst Du etwa wirklich einen Transistor im Linearbetrieb?
Das muß doch nicht sein - denn das kann auch ein Switcher.

> so daß aus dem Akku nie ein kritisch hoher Strom entladen
> werden kann

Oder gleich alles ganz "modern":
Für ziemlich hohe Ströme habe ich da vor einiger Zeit einmal
etwas gesehen, mittels einer Phase Shift PWM (bidirektional,
Ladevorgang erst bei Aktivierung (Betrieb relativ selten) @
Strom- (oder war es Leistungs- ?) regelung + Maximalspannung,
Entladevorgang ebfs. I- (o. P- ?) geregelt + Minimalspannung).

Schade, daß ich nicht die URL vermerkt oder gar den Inhalt
gespeichert habe - diese (gewissermaßen) Ideallösung würde
ich Dir gerne liefern. Vielleicht bringt aber die Anregung,
überhaupt auf Schaltwandler zu setzen, doch irgendetwas?

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