ich möchte mir einen LiIon-Simulator bauen und entwerfe hierzu gerade die Ausgangsstufe für die zwei notwendigen Quadranten "push" und "pull". Ziel ist eine Batterie-Spannung vorzugeben (VIn im Schaltplan), die dann bei welcher Stromrichtung auch immer (laden, entladen) aufrechterhalten wird.
An den derzeitigen Stand habe ich mich mit Hilfe von Google, KI und NI heran-iteriert. So sind hoffentlich keine Anfängerfehler mehr drin und ich habe auch die richtigen falschen Infos der KI herausgefiltert.
Randbedingungen:
Einzel-Zelle
Spannungsbereich von tiefentladener Zelle bis überladen, also etwa 0.5V bis 4.5V
Strombegrenzung auf +-2A bis 4.2V am Ausgang
Ausgangsstrom oberhalb von 4.2V und unterhalb von 2.5V (fast) egal; muss zum Testen einer BMS reichen
5V-Versorgung vom Hilfskanal des Labornetzteils. Daher nur 5V Versorgungsspannung für die push/pull-Ausgangstufe. (Die ebenfalls benötigen 9V werden intern erzeugt (hier nicht Thema))
Drei offene Themen bleiben aber (unterer Zweige jeweils entsprechend)
Temperatur-Stabilität
Mein Verständnis ist, dass bei Montage von Q102, Q103 und Q104 auf einem Kühlkörper alle Transistoren der gleichen Temperatur-Drift von -2mV/K unterliegen. Funktioniert natürlich nicht perfekt, daher R104 als negative Gegenkopplung, um die gewünschte Temperatur-Unabhängigkeit zu erreichen
Frage 1: Ist das richtig so?
Einstellung des Ruhestroms Q102 – R104 – R106 – Q108: Geht, denke ich, nur indirekt. Wenn der Strom durch Q104, eingestellt über die Stromquelle um U101 (~8.2mA), 'ausreichend' groß ist, wird, da die Basis-Emitter-Spannung gemäß Diodenkennlinie von Q104 größer sein wird als die Q103 (hier nur uA) ein paar Millivolt für R104 übrig bleiben. Damit sind sowohl Q102 als auch Q108 wie gewünscht „offen“. Finaler Wert von R101 durch ausprobieren.
Frage 2: Ist das der zu wählende Mechanismus, um den Ruhestrom im Lastpfad einzustellen? Wenn nicht, wie sonst?
Stabilität: Tja, die Zelle wird in der Zielanwendung eine kapazitive Last sehen (vom Lade-Regler, vom Buck-Boost-Converter, andere Abblock-Kondensatoren), die sich zu etwa 35uF aufaddieren. Und nun weiß ich nicht, ob das Ding überhaupt stabil zu bekommen ist.
R105 ist keine wirklich gute Idee. Gerne genommen zur Entkopplung von OpAmp-Ausgängen von kapazitiven Lasten, aber mit 22R und 2A Ausgangsstrom wird das alles nichts. (also nur zur Info, mal erwogen, aber gleich wieder in die Tonne getreten)
Mit großen Zeitkonstanten gebildet aus C102 und R110 ließe sich der Regelkreis wohl stabilisieren, möglicherweise aber auf Kosten von einer batterie-untypischen langen Ausregelzeit von Lastsprüngen
Frage 3: Hat das Konzept eine Chance auf eine Bandbreite von, hm, 10kHz oder ein bisschen mehr?
Über Antworten und Anregungen würde ich mich freuen. Und wenn die Schaltung nicht zu retten ist, hätte ich gerne verstanden, warum, und wie eine Alternative aussehen könnte.
Gruß
P.S.: Datenblätter sind, denke ich, nicht notwendig. Der ZXTC2045 ist ein NPN/PNP Kleinsignal-Transistorpaar, das bei mir rumliegt. Die BD-Typen sind Allerwelts-Leistungs-Transistoren und mehr als ausreichend für den Anwendungsfall (liegen hier aber auch rum), der OPA2991 ein R2R OpAmp.
Ich hätte eher den Schaltplan in Verdacht. Also entweder bin ich zu alt für das Hobby oder der Schaltungsentwurf ist sehr krude.
Bitte habe gute Nachrichten für mich...
TE: bitte teile der KImit das Agilent LMG mit Batterie Simulation seit
Jahren verkauft,
An der Zellchemie bin ich nicht interessiert.
Zum Thema:
Bzgl Frage 1 (Temperatur-Stabilität) kam mir inzwischen der Gedanke, dass die Montage von Q103 auf einem gemeinsamen Kühlkörper mit Q102 und Q104 auch kontraproduktiv sein könnte. Es wären dann zwei thermisch driftende B-E Strecken, während nur eine von Q104 kompensiert wird. Dann doch besser eine "kalt" lassen, und das wäre eben Q103.
Warum nimmst du dafür nicht einfach einen fix und fertigen Leistungs
OP-Amp oder eine Audio Endstufe als IC?
Weil sich, aus meiner Sicht, damit das Problem der kapazitiven Last nicht löst. So es denn eines ist. Aber letztendlich ist die ganze Schaltung noch immer wie ein OpAmp mit V=1. Ich vermute daher, dass auch diese Schaltung keine kapazitiven Last mag.
OPA569: Überschwingen von 45% bei 10nF Last ... danach hört die Grafik im Datenblatt auf
OPA564: 50% bei 50nF (braucht aber auch minimal 7V)
PA75: Phasenreserve bis 2nF spezifiert, aber dort auch nur noch knapp 30°, würde auch eher 7V brauchen
Bei Audio-Verstärkern wird es etwas dünn bei Aussagen zu kapazitiven Lasten. Und teilweise ist die Last nicht massebezogen (z.B. STPA003)
Nun ist der OPA569 recht attraktiv, obwohl dessen Kühlung etwas aufwendiger zu gestalten ist, aber das Stabilitätsproblem mit kapazitiver Last bleibt.
Und was beim OPA569 geht, sollte auch prinzipiell mit der vorgeschlagenen Schaltung funktionieren.... was letztendlich Frage 3 ist.
Statt herum zu rätseln empfehle ich das Ganze zu simulieren, z.B. mit LTSpice und damit die geplanten use-cases durch zu spielen. Auf den ersten Blick ist das eine diskret aufgebaute Spannungsquelle in Form einer linearen Audioendstufe. Hohe kapazitive Last und dann eine Sziklai-Ausgangsstufe erscheint schon mal problematisch. 10kHz Bandbreite? Eher nicht...
R105 ist keine wirklich gute Idee. Gerne genommen zur Entkopplung von
OpAmp-Ausgängen von kapazitiven Lasten, aber mit 22R und 2A
Ausgangsstrom wird das alles nichts. (also nur zur Info, mal erwogen,
aber gleich wieder in die Tonne getreten)
Hier hat wohl die NI versagt. Ich habe geschrieben, dass das keine Lösung ist, um etwaigen Vorschlägen zuvor zukommen.
Statt herum zu rätseln empfehle ich das Ganze zu simulieren, z.B. mit
LTSpice und damit die geplanten use-cases durch zu spielen.
Nur müsste man da auch wissen, was dann zu ändern ist. Und da ich (leider) über kein vollständiges Sortiment von Widerständen und vor allem Kondensatoren verfüge, möchte ich mir bei einer in Vorbereitung befindlichen Bestellung ggf. fehlende Bauteile auf Vorrat zulegen.
Hohe kapazitive Last und dann eine Sziklai-Ausgangsstufe erscheint schon
mal problematisch
Warum? Ich konnte nur Infos finden, die ggf. eine hohe Ozillation in der Stufe selbst aufgrund der internen Rückkopplung von Q102 auf Q103 finden. Nichts aber zu einer kapazitiven Last am Ausgang.
Der Energiespeicher ist das Labornetzteil (entladen). Und solange VIn
nicht verändert wird, unendlich groß.
Mir ist nicht klar, ob der 5V Hilfskanal deines Labornetzteils 2 Ampere liefern kann. Vermutlich nicht.
Um ein BMS ernsthaft zu testen, müsste man aber auch Überlast-Szenarien simulieren, als den Kurzschluss. Dafür reichen die 2 Ampere jedenfalls nicht.
Wenn ich Spannungsabfälle berücksichtige, bleiben von den 5 Volt weit weniger als 4,2 Volt übrig. Wie will man damit sinnvoll eine LiIo Zelle simulieren?
Dein Schaltplan verlangt auch 9 Volt. Wo kommen die her?
BMS werden häufig mit mehreren Zellen betrieben, die in Reihe geschaltet sind. Wie willst du das mit deiner Schaltung simulieren? Etwa mit entsprechend vielen Labornetzteilen? Ich hoffe, die haben einen potentialfreien Ausgang.
ein 2991 opv, der mit 220nF in den langsamen Modus "gezwungen" wird.
KI ist so nice.
OPA2991 habe ich hier rumliegen, und es sind nicht die 220nF allein.
Lies dir mal grundlagen OPV Integrator durch, dann wird es dir klar.
Volker A. schrieb:
Also entweder bin ich zu alt für das Hobby oder der Schaltungsentwurf
ist sehr krude
Was ist krude?
Alles im Plan.
Andrew T. schrieb:
TE: bitte teile der KImit das Agilent LMG mit Batterie Simulation seit
Jahren verkauft,
An der Zellchemie bin ich nicht interessiert.
Ok, also einfach mal "An der Zellchemie bin ich nicht interessiert" hingerotzt,
ohne sich mal das Agilent Batterie Simulator Manual angesehen zu haben.
Wenn Du es nämlich getan hättest, hättest Du nach 2 Seiten begriffen, was das Teil macht.
Nämlich geanu das, was Du mit Deienr (nicht funktionalen) Schaltung erreichen wplltest.
Hinz hat mit seinem "EOT" schon den Kern getroffen.
ohne sich mal das Agilent Batterie Simulator Manual angesehen zu haben.
Sorry, aber bei meiner Suche mit den Stichworten in deinem Post bin ich auf Simulationen der Zell-Chemie gestossen. Da die mich aber nicht interessiert, habe ich entsprechend geantwortet. Kurz, ja, weil
einen zu starken Fokus auf zwei Buchstaben des Eröffnungspost legt (ich hätte es ahnen müssen, nun ja), und gleichzeitig die hier oft eingeforderte Genauigkeit in den Fragen (etwa "klar, gibt nur diesen einen Transistor") in der Antwort fehlte.
Gerne gebe ich aber zu, dass der Titel "LiIon-Simulator" etwas in die falsche Richtung lenkt. Am Ende des Tages brauche ich ein Zwei-Quadranten-Netzteil, um meine Ladeschaltung und BMS testen zu können, und ggf. auch noch die Fuel-Gauge. In einer Hobby-Anwendung, also ein E36731A von Keysight (nein, nicht Agilent) ist keine Option.
Lies dir mal grundlagen OPV Integrator durch, dann wird es dir klar.
Ach je, das ist mir nun etwas peinlich. Auch wenn mir nicht klar ist, warum alle den Deboo-Integrator als nicht-invertierenden Integrierer hinmalen (z.B. https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/consider-the-deboo-singlesupply-integrator.html, Tietze/Schenk, "Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuit" von Sergio Franco), so sollte es doch auch der klassische, nicht-invertierende Verstärker mit einem Kondensator im oberen Teil des Spannungsteilers gehen.
Schaltplan angepasst.
Der LM4041 kann in Kombination mit Q101 nie arbeiten. Da hat die BE
Strecke was dagegen, das er auf seine Referenzspannung regeln kann.
Hat TI Mist geschrieben (siehe Anhang, AN SNOAA46A, Kapitel 3.2)? Da habe ich das her.
Dessen ungeachtet: Die Stromquelle hatte ich vorgesehen, weil sie häufig in Prinzip-Schaltbildern von OpAmps gezeigt wird. Glaube aber inzwischen, dass sie nicht gebraucht wird: die Versorgungsspannung ist konstant, also sollten einfache Widerstände reichen.
Im Schaltplan angepasst (Ruhestrom etwa 10mA durch die Bias-Dioden von Q104/Q106)
Shunt R104/R106 angepasst. Für den Kurzschluss wird es trotzdem eng, weil der eingeplante BMS-Chip (S-8240ADQ-M6T1U) ein Kurzschluss mit den vorgesehenen anti-seriellen MOSFETs frühestens bei 6A auslösen würde. Zum Testen werde ich den BMS-Chip mit einem zusätzlichen Widerstand im Strompfad bescheissen müssen, auch wenn ich direkt mein Netzteil mit seinen regulären Ausgängen and die BMS anschliesse (was immerhin 6.4A wären).
Dein Schaltplan verlangt auch 9 Volt. Wo kommen die her?
BMS werden häufig mit mehreren Zellen betrieben, die in Reihe geschaltet
sind. Wie willst du das mit deiner Schaltung simulieren?
Bedarf hat sich erledigt (siehe Teil-Antwort zum LM4041), hatte ich aber auch als nicht relevantes Detail im Eingangspost "markiert". Dort auch die Info: Eine Zelle.
Hinz hat mit seinem "EOT" schon den Kern getroffen.
Ach, der ist nur beleidigt, weil er Bild und Text nicht zusammenbekommen hat und das nicht zugeben kann.
Zum Schluss:
C105/C106 zur Kompensation in der Rückkopplung in der Sziklai-Ausgangsstufe. Werte in der Größenordnung wie ich sie in einem Thread in EEVblog finden konnte, also mitnichten Ergebnis einer Berechnung. Somit sind die beiden Kondensatoren eher Platzhalter, falls es hochfrequent schwingen sollte.
Was leider zu der noch immer offenen Frage führt, ob kapazitive Lasten hier ein Problem sind (vielleicht ist da ja gar nicht so), und falls doch, was sich tun liesse.
