Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Ladestation einer Batteriezelle bis 20A


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von Ammar A. (Firma: TU Berlin) (ammar)


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Heyo Community :)

Ich muss ein Batterieladegerät einer Batteriezelle für meine 
Bachelorarbeit bauen und habe hier ein paar offene Fragen.

Mein Auftrag: Es soll ein Batterieladegerät bzw. eine konstante 
Stromquelle bauen, welche mit einem PWM Signal gesteuert werden kann 
(Abhängig vom Tastgead). Die KSQ soll am Ausgang bis 5V & 20A ausgeben. 
Es wäre auch schön, wenn der Strom am Ausgang negativ werden kann bzw. 
wenn das Tastgrad 0.5 - 1, soll der Strom positiv sein, und wenn das 
Tastgrad = 0 - 0.5, soll der Strom negativ sein.

Ich habe tatsächlich schon im Kopf ein paar Schaltungen dazu, aber ich 
will wissen, wie man das am Besten machen kann. Soll ich dazu einen 
Sperrwandler verwenden? Oder was schlagt ihr mir vor?

Liebe Grüße und vielen Dank im Voraus

: Verschoben durch Moderator
von STK500-Besitzer (Gast)


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Ammar A. schrieb:
> Ich habe tatsächlich schon im Kopf ein paar Schaltungen dazu, aber ich
> will wissen, wie man das am Besten machen kann. Soll ich dazu einen
> Sperrwandler verwenden? Oder was schlagt ihr mir vor?

Es dürfte ein Teil deiner Aufgabe sein, diese Entscheidung zu treffen.
Dafür gibt es entsprechende Methoden.
Einfach nur nach einer Lösung fragen gehört nicht dazu.

von Andrew T. (marsufant)


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Ammar A. schrieb:
> Ich muss ein Batterieladegerät einer Batteriezelle für meine
> Bachelorarbeit bauen und habe hier ein paar offene Fragen.

Nimm mal zum einlesen:

https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/106334/12volts-15amps-battery-charger-using-uc3909-or-bq2031

von Helge (Gast)


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schaltregler sind nicht geeignet, eine bestimmte Menge Leistung zu 
verheizen. Zeig mal deine Ideen.

von Nichtverzweifelnder (Gast)


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Du brauchst ein Konzept das sowohl "laden" als auch "entladen" kann. Ein 
Sperrwandler kann nur "liefern".

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Ammar A. schrieb:
> Die KSQ soll am Ausgang bis 5V & 20A ausgeben.
Bevor man sich an Schaltungen mit 20A wagt, wäre es sinnvoll, sich an 
Schltungen mit 2A zu versuchen und dabei zu lernen. Einfach so aus dem 
Stand ohne guten Betreuer wird das nichts.

> Es wäre auch schön, wenn der Strom am Ausgang negativ werden kann bzw.
> wenn das Tastgrad 0.5 - 1, soll der Strom positiv sein, und wenn das
> Tastgrad = 0 - 0.5, soll der Strom negativ sein.
Kannst du den Strom beim Entladen wieder irgendwo hin zurückspeisen? 
Oder musst du diese Energie dann irgendwo verheizen?

von MaWin (Gast)


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Ammar A. schrieb:
> Es wäre auch schön, wenn der Strom am Ausgang negativ werden kann

Also Entladen, also 2-Quadranten-Netzteil bis 100 Watt, nach filterung 
der PWM in ein Analogsignal kommt eine Konstantstromquelle mit 
Spannungsbegrenzung durch Speisespannung und eine Konstantstromsenke.

Das geht noch mit Linearregler aus Transistoren auf Kühlkörper, immerhin 
kann man denselben für Laden und Entladen verwenden da beides nicht 
gleichzeitig erfolgt, aber um auch den/dieselben Transistoren zu 
verwenden müsste man wohl mit Relais umschalten, ansonsten nimmt man 
eben doppelt so viele Transistoren, und einem 5V/20A Schaltnetzteil.

Problematisch ist, wie genau man auf 0V bzw. 5V kommen muss, weil 
Transistor und Strommessung Spannung kosten. Normale 
LiIon/LiPoly/LiFePo4 gehen aber nur von 2.5 bis 4.3V, da hat man Luft 
nach oben und unten was die Sache einfacher macht. Ein echtes 
Labornetzteil sollte auf 0 kommen, da muss man mehr Aufwand treiben.

Aber diese 100 Watt sind ziemlich die Grenze für Linearregler. Auch mit 
einem Schaltregler hat man aber bis 100 Watt Verlustleistung, denn man 
muss den Entladestrom irgendwo (in Widerständen) verheizen. Eine 
Rückspeisung ins Netz ist wohl zu aufwändig. Ein Schaltregler spart also 
keine Auslegung für die maximale Verlustleistung.

Für die Kapazitätsermittlung aktueller LiFePo4 Zellen, die mit 1C, also 
100 bis 280A, entladen werden möchten, ist das Ding also 
unterdensioniert.

von Ammar A. (Firma: TU Berlin) (ammar)


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@STK500-Besitzer: Selbstverständlich

@ Andrew T.: Vielen Dank!! :)

@ Helge: Also hier waren meine Ideen:
1. Ich wollte am Anfang alles mit Stromspieglung (Current Mirror) machen 
und kann die dann mit einem uC regeln. Aber da ich 24 Bit KSQ will, 
brauche ich dafür mindestens 4 Transistoren x 2^24 Auflösung. Diese 
Lösung ist dann keine realistische Lösung.
2. Spannung-Strom Wandler. Aber da wird der Strom durch die 
"Ausgangswiderstände" durchfließen und so bekommt man große 
Leistungsverluste. (Dieses Problem gilt auch für die alle Arten von 
voltage regulator z.B. lm317)
3. hier habe ich die folg. IC gefunden (LT3763: 
https://www.analog.com/en/products/lt3763.html?doc=LT3763.pdf) Aber die 
ist tatsächlich nicht mehr zu verkaufen.
4. Ein Tiefsetztsteller. Aber damit kann ich nur aufladen oder entladen. 
Deswegen habe ich am Sperrwandler gedacht.

@lkmiller: Ja, also erstmal die Energie beim Entladen wird an einem 
Leistungswiderstand anfallen. Und ja ich habe immer ein Feedback vom 
Strom an einem uC. Ich messe immer den Strom mit einem LEM Sensor.

@MaWin: vielen Dank für die ausführliche Antwort!

von MaWin (Gast)


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Ammar A. schrieb:
> Aber da ich 24 Bit KSQ will

Ähm.

Erst einen Realitätscheck durchführen.

Ammar A. schrieb:
> brauche ich dafür mindestens 4 Transistoren

Meintest du zwei 4 bit KSQ ?

von Andrew T. (marsufant)


Angehängte Dateien:

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Ammar A. schrieb:
> 3. hier habe ich die folg. IC gefunden (LT3763:
> https://www.analog.com/en/products/lt3763.html?doc=LT3763.pdf) Aber die
> ist tatsächlich nicht mehr zu verkaufen.

Nun, warum bestellst Du Dir kein Kostenloses sample?
 das wird doch bei analog.com angeboten!

siehe Bild, aktuell gezogen.

von Ammar A. (Firma: TU Berlin) (ammar)


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@MaWin: Ich meine 4 Transistoren braucht man für 1 Stromspieglung. Ich 
dachte mir, ich kann so viele Stromspieglungen bauen, sodass ich am Ende 
alle Stromspieglungen parallel mit der Zelle anschießen/ausschließen und 
kann damit eine KSQ bauen, die mit meinem uC gesteuert werden kann. Auch 
wenn man niedrige Stufen nehmen möchte z.B. 5 Stufen (was je Stufe 
0.625A entspricht), wird das 4 Transistoren x 2^5 = 128 Transistor.

von Ammar A. (Firma: TU Berlin) (ammar)


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@Andrew T. Wow, danke für die Info. Ich wusste tatsächlich vorher nicht, 
dass ich sample bei analog.com bestellen kann. :')

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Ammar A. schrieb:
> ich kann so viele Stromspieglungen bauen
Die Stromspeigel, die du in der Literatur findest, sind nicht 
Stromspiegel in dem Sinne, wie du es meinst und willst und brauchst.

Sie stellen nicht einen Strom im Ampere-Bereich auf 0,xx Promille genau 
ein, sondern die sind auf 1 kleinen siliziumchip dafür da, dass sich der 
Strom, wenn er sich denn durch Temperatureinflüsse ändert, auf dem 
gesamten Chip in gleichem Verhältnis ändert (das sind dann Flächen im 
mm² Bereich).

Damit kannst du für deine Aufgabe leider nichts anfangen.

Zeichne doch mal dein Konzept auf und schreib dazu, welche Bauteile du 
an der jeweiligen Stelle einsetzen möchtest.

Ammar A. schrieb:
> Soll ich dazu einen Sperrwandler verwenden? Oder was schlagt ihr mir vor?
Im Großen und Ganzen würde ich das so machen: zum Laden einen Stepdown 
(davor kommt dann ein Netzteil, das die nötige Netztrennung 
gewährleistet) und zum Entladen einen weiteren Stepdown, der ein paar 
Widerstände beheizt. Die Entladegeschichte könnte man auch analog machen 
und die Leistung in Transistoren und Widerständen verheizen.

: Bearbeitet durch Moderator
von Helge (Gast)


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Der ausgesuchte Baustein braucht wenigstens 2V mehr am eingang als am 
Ausgang, aber mit 7V auf 5V ist dann schon grenzwertig, der Mosfet soll 
ja ordentlich durchschalten für geringe Verluste. Aber an sich eine 
interessante Idee, das ding zu mißbrauchen. Der kann ja sowohl laden als 
auch entladen steuern und das dürfte mit 2 analogausgängen möglich sein, 
wenn ich nix übersehen hab.

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