Aktiver Balancer mit MOSFET Schaltern

[Tobias H. (shor-ty)]

Hallo liebe Community,

ich hätte eine Frage an Euch. Beschäftige mich gerade wieder etwas mehr 
mit LT-Spice und diversen BMS und aktiven Balancern für Li-Ionen Zellen. 
Hatte mir gestern das Paper «A Cell Equalization Method based on 
resonant switched Capacitor Balancing for Li-Ion Batteries» (Moghaddam & 
Bossche) durchgelesen und würde das gerne mal in LT-Spice etwas 
nachbauen (aus Interesse).

Die Idee ist eigentlich folgende. Über den LC Schwingkreis wird Energie 
von der Batterie mit der höheren Spannung gespeichert und anschließend 
an die Batterie mit der niedrigeren Spannung abgegeben. Dies geschieht 
mit der entsprechenden Schalterstellung von S1, S2, S3 und S4.

Besitzt beispielsweise C1 (als Batterieersatz in der angehängten 
Schaltung) eine höhere Spannung als C2, würde zuerst S1 und S3 
geschlossen werden. Anschließend würden die zwei Schalter öffnen und S2 
und S4 geschlossen. Die Frequenz der Schalter liegt bei 15.915 kHz (f_r 
= 1/(2pi*sqrt(C*L)))

Nun meine Frage:
- kann man die Schalter mit MOSFET's realisieren?
- Wäre dann S1 und S3 ein p-Channel und S2 und S4 ein n-Channel?
- Müsste man die MOSFETS in antiserieller Ausführung anbringen (also S1 
besteht aus zwei MOSFETS, die antiseriell verschaltet sind - zwecks 
Body-Diode?)
- Gibt es einen Vorteil, wenn man einen Resonanzschwingkreis verwendet 
(LC-Glied) anstelle einer reinen Induktivität? (Für C's ist anscheinend 
der Stromfluss stark begrenzt, dass mit reiner Induktivitäten deutlich 
erhöht werden kann und somit die Balancer mit reinem L effizienter sind, 
vor allem wenn nur kleine Spannungsunterschiede der auzugleichenden 
Zellen vorliegen; wie es aber im Resonanzfall aussieht, weiß ich nicht - 
daher auch das Interesse dieser Schaltung).

Durch die LT Spice Simulation würde ich mir gerne die Spannungs und 
Stromverläufe im LC-Glied anschauen und mit einem normalen Balancer (nur 
C) vergleichen.

Da ich gerade sowieso ans Bett gefesselt bin, würde mich die Schaltung 
schon interessieren.

Danke bereits fürs Durchlesen.
Tobi

[MaWin (Gast)]

Tobias H. schrieb:
> kann man die Schalter mit MOSFET's realisieren?

Ja.

> Wäre dann S1 und S3 ein p-Channel und S2 und S4 ein n-Channel?

Egal. Für N-Channel braucht man eine positive Gate-Ansteuerspannung, für 
P-Channel halt eine negative. Es macht aber Sinn, S1 und S3 als P und S2 
und S4 als N damit man keine Ansteuerspannung braucht die positiver bzw. 
negativer als die Versorgung ist.

Body-Diode stört nicht.

Die Spule L1 dürfte aber ein Problem sein, weil im Umschaltmoment der 
Strom weiter fliessen will. Schalten die MOSFETs nicht extrem synchron, 
fliesst die Energie (über die Body-Dioden) woandershin ab als du haben 
willst.

Ohne L1 ist das die seit 40 Jahren übliche switched capacitor 
Spannungshalbiererschaltung aus dem Datenblatt des ICL7660.

[Tobias H. (shor-ty)]

Hallo MaWin,

hab schon einige Beiträge von Dir gelesen, daher Danke für Deine Antwort 
:) vor allem die Bekanntgabe des ICL7660. Bezüglich der LC-Schaltung 
hätte ich noch eine Frage und eine Anmerkung.

Laut dem Paper ist die Angleichung zwischen den Zellen um ein Vielfaches 
schneller mit dem Resonanz-Kreis LC als mit dem reinen C Bauteil. Es 
wird zwar keine quantitative Angabe darüber gemacht, aber wenn ich die 
Grafiken anschaue muss es definitiv >> 10 sein.

Zudem haben die im Paper noch eine Duty-Time von 50% und 45% analysiert. 
Also quasi das was Du angesprochen hast. Exaktes Switchen der MOSFETS 
mit 50% der Resonanzfrequenz und dann nochmals mit 5% Tot-Zeit. Das ist 
ja genau das was Du auch erwähnt hast, dass das Tricky ist.

Interessant ist aber, dass auch mit den 5%, die Angleichung immernoch um 
ein Faktor >> 10 ist. Also lohnt es sich anscheinend den Standard 
C-Kreis mit einem L Baustein zu erweitern und dann auf der 
Resonanzfrequenz aufzubauen.

Gut MaWin, dann versuche ich mein Glück mal mit dem LT-Spice Modell und 
hoffe, dass ich da etwas weiter komme.

Danke,
Tobi

[Tobias H. (shor-ty)]

Ich hätte noch eine Frage bezüglich der Beschaltung der MOSFETS für das 
oben genannte Schaltprinzip. Für einen Test habe ich mir eine 
vereinfachte Schaltung aufgebaut, die lediglich den p- und n-channel 
MOSFET leitend macht und damit über den Widerstand bei aktiven MOSFETS 
eine Leistung verbraten wird.

Schaltplan im Anhang. Hier frage ich mich aber, ob es möglich ist, für 
die Ansteuerung beider MOSFETS nur eine Spannungsquelle zu verwenden und 
wenn ja, wie diese Verschaltung aussieht. Ich hab zwar mein Spatzenhirn 
eingesetzt und dabei ist die zweite Schaltung herausgekommen, bin mir 
aber nicht sicher, ob das sinnvoll ist, da ich hierbei nochmals einen 
p-Channel MOSFET benötige. Außerdem liegt am n-Channel MOSFET dann nur 
die V1 Spannung zum Schalten des MOSFETS an und nicht die, von V2 :). 
Also ist das hier von mir sicherlich nicht wirklich gut durchdacht.


Grüße Tobi

Nachtrag: Zweite Schaltung ist falsch. Die p-Channel Mosfets müssen 
gedreht werden.

[Tobias H. (shor-ty)]

Hallo zusammen,

ich hab mal ein einfaches Modell mit LTSpice erzeugt. Habe allerdings 
noch keine MOSFETS verwendet, sondern einfache Switches. Soweit 
funktioniert das alles, allerdings gibt mir gerade die Anmerkung von 
MaWin zu denken und zwar folgende:

>Ohne L1 ist das die seit 40 Jahren übliche switched capacitor
Spannungshalbiererschaltung aus dem Datenblatt des ICL7660.

Ich habe diesbezüglich einfach mal L1 überbrückt und mir das nochmals 
angeschaut und sehe jetzt nicht wirklich einen sonderlichen 
Geschwindigkeitsvorteil in Bezug auf das Angleichen der Spannungen. In 
dem Paper, dass ich zu Beginn erwähnt hatte, sind die Ergebnisse 
deutlich anders. Da ist definitiv ein Faktor 10 dazwischen und hier 
werden auch 10uF und 10uH verwendet. Allerdings nur 100uF Kondensatoren, 
die die Batterien darstellen sollen (ich hab im Beispiel 100mF 
verwendet, da sonst der Ausgleich bereits nach zwanzig Impulsen 
durchgeführt ist). Das einzige das beim LC schöner aussieht, sind die 
Spannungsverläufe.

Entweder mach ich etwas falsch, oder das Paper ist nicht richtig. Die 
gleichen auch 7 Kondensatoren gleichzeitig aneinander an; vielleicht 
macht das etwas aus? Ich hab mal die Grafiken vom Paper angehängt.

Ich werde jedenfalls mal versuchen die Schaltung nun mit MOSFETS zum 
Laufen zu bringen. Da hab ich noch etwas Hirn-Kuddelmuddel drin.

Sollte sich nochmal jemand bezüglich dem Thema melden, wäre ich sehr 
dankbar.
Tobi

[Thomas R. (thomasr)]

So etwas? Wenn du willst können wir "mogeln" und ich versuche die 
Beschriftungen zu entziffern?

[Tobias H. (shor-ty)]

Hallo Thomas,

Danke für Deine Rückmeldung.
Diese aktiven Balancer kenne ich und die sind ja auch auf YouTube schon 
durchgetestet worden (Kosten glaub auf Aliexpress 30-40 EUR). Das sind 
aber reine Kondensator Balancer. In dem Paper das ich gelesen habe steht 
eben eindeutig drin, dass der Resonanz-Balancer mit LC deutlich besser 
arbeitet als ein reiner C Balancer (Die Ausgleichszeiten waren hier um 
Faktor >> 10 kürzer bei LC als bei reinem C). Daher wollte ich mir das 
mal etwas genauer in LT Spice anschauen und verstehen warum das denn 
besser ist.

Die von gezeigten Balancer sollten demnach deutlich langsamer 
ausgleichen als ein Äquivalent mit dem Resonanzschwingkreis LC. 
Allerdings hat mir LT Spice ja mehr oder weniger mitgeteilt, dass da 
nicht wirklich viel um ist. Und hier hänge ich eben.

Mir gehts eigentlich darum, die Ergebnisse von dem Paper erstmal zu 
verifizieren.

Tobi

[Abdul K. (ehydra)]

Zeig mal das Paper.

[Eins N00B (Gast)]

Tobias H. schrieb:
> Allerdings nur 100uF Kondensatoren, die die Batterien darstellen sollen
> (ich hab im Beispiel 100mF verwendet, da sonst der Ausgleich bereits
> nach zwanzig Impulsen durchgeführt ist).

Das ist aber auch ein sehr primitives Zellmodell. Vielleicht macht das 
noch einen zusätzlichen Unterschied?

[Tobias H. (shor-ty)]

Eins N00B schrieb:
> Tobias H. schrieb:
>> Allerdings nur 100uF Kondensatoren, die die Batterien darstellen sollen
>> (ich hab im Beispiel 100mF verwendet, da sonst der Ausgleich bereits
>> nach zwanzig Impulsen durchgeführt ist).
>
> Das ist aber auch ein sehr primitives Zellmodell. Vielleicht macht das
> noch einen zusätzlichen Unterschied?

Richtig. Aber wie erwähnt, im Paper sinds nur 100uF. Heißt, in meinem 
Modell mit 100mF ist die Kapazität schon deutlich höher. Entsprechend 
verstehe ich nicht, wieso das so komisch ist.


Abdul K. schrieb:
> Zeig mal das Paper.
Hab ich mal angehängt. Ich hoffe, dass ich das nicht falsch verstanden 
habe. Aber eigentlich alles recht klar geschrieben, wenn ich auch beim 
ein oder anderen Abschnitt gerne etwas mehr Infos hätte.

Tobi

[Abdul K. (ehydra)]

Danke. Ich schaue es mir später an. Muß mich gerade noch mit nem 
Bafög-Antrag rumärgern, grr.

Aber beim schnellen Kurzüberfliegen fiel mir gleich auf, daß mein Patent 
nicht referenziert ist. Also allzutoll wird das Paper nicht sein.

[Tobias H. (shor-ty)]

Hast Du ein Patent angemeldet? Die Qualität des Papers kann ich nicht 
beurteilen. Ich komm eher vom Strömungsbereich als vom 
Elektrotechnik-Bereich. Ich fand es nur interessant und die Ergebnisse 
haben mich ziemlich überrascht.

[Roland E. (roland0815)]

Die ETA3000er nutzen eine Spule pro Zellpaar und dürften damit induktiv 
sein.

[MaWin (Gast)]

Tobias H. schrieb:
> Laut dem Paper ist die Angleichung zwischen den Zellen um ein Vielfaches
> schneller mit dem Resonanz-Kreis LC

Also wenn man die MOSFETs nicht mit einer festen Frequenz, sondern genau 
in den Resonanz-Punkten (bei Spannungsdifferenz 0, zero voltage 
switching) schaltet, vermeidet man Verluste durch den Spulenstrom in 
Freilaufdioden.

Dazu muss man aber die Spannung am LC Schwingkreis messen und in 
Relation zu dessen Resonanzfrequenz schnell reagieren.

Allerdings ist ein normaler Akku immer sehr ausgeglichen, die 
Differenzspannung also immer gering (0.1V) und nicht hoch (1V). Somit 
bekommt der LC Schwingkreis wenig Antrieb und unterscheidet sich kaum 
vom nackten Kondensator, es bremst eher der reale Widerstand von Spule 
und Kondensator als die Induktivität der Spule. Daher wird der 
Wirkungsgrad, bzw. die Wirkungsgradsteigerung, vernachlässigbar sein. 
Nur bei stark abweichenden Zellenspannungen wird es was bringen, denn 
dort sackt der Wirkungsgrad des Kondensatorwandlers ja bis auf 50% (eine 
Zelle 4.2V, die andere 0V) runter.

[Tobias H. (shor-ty)]

Roland E. schrieb:
> Die ETA3000er nutzen eine Spule pro Zellpaar und dürften damit induktiv
> sein.

Hallo Roland, danke für den Hinweis. Interessant.

MaWin schrieb:
> Also wenn man die MOSFETs nicht mit einer festen Frequenz, sondern genau
> in den Resonanz-Punkten (bei Spannungsdifferenz 0, zero voltage
> switching) schaltet, vermeidet man Verluste durch den Spulenstrom in
> Freilaufdioden.
>
> Dazu muss man aber die Spannung am LC Schwingkreis messen und in
> Relation zu dessen Resonanzfrequenz schnell reagieren.

Danke MaWin. Denkst Du das das der ganze Trick ist? Ist damit wirklich 
eine deutlich schnellere Angleichung der Spannung (mit Faktor > 10) 
erreichbar? Hört sich eher so an, als würde das nicht so viel ausmachen 
(zumindest so wie Du es schreibst). Im Paper steht ja auch, dass es 
ziemlich einfach sein sollte. Nach Deinem Wortlaut hört sich das aber 
eher deutlich komplexer an.

MaWin schrieb:
> Daher wird der
> Wirkungsgrad, bzw. die Wirkungsgradsteigerung, vernachlässigbar sein.

Und genau da is der springende Punkt. Anscheinend ist ja die Angleichung 
deutlich schneller und zwar mit Zellen, die zwischen 3V und 3,6V liegen 
(siehe mein Bild zehn posts über diesem hier.

Tobi