LiIon Tiefentladung vermeiden

[Stefan Huebner]

Hallo zusammen,
in letzter Zeit tauchen ja vermehrt Postings zum Thema Li-Ion-Akkus
auf. Ich habe vor, eine 18650-Zelle zur Versorgung eines Messgerätes
einzusetzen, wobei die Ladung durch einen Controller gesteuert wird.
Was mir im Moment mehr sorgen macht, ist das Posting über den
kugelrund aufgeblähten MP3-Player-Akku. Zwar hat meine Zelle ein
Ventil, aber muss ja trotzdem nicht unbedingt kaputt gehen. Wie
verhindern die gängigen Akku-Schutzschaltungen Tiefentladung bzw wird
darauf überhaupt geachtet? Im Moment sieht meine Abschaltung so aus,
dass zum Verbraucher mit einem P-Kanal-MOSFET getrennt wird, der Strom
hier ist also der S-D-Leckstrom bei Ugs=0 und der Leckstrom durch den
Transistor, der das Gate zum Einschalten auf Masse zieht.
Ladegerätseitig hätte ich eine Diode anzubieten, danach kommt dann
wieder ein P-Kanal-MOSFET, der hier allerdings in leitender Richtung
zu sehen ist, also liegt hier nur die Diode im Weg. Ich hatte
spasseshalber mal durchgerechnet, ob die Energiebilanz mit Schottky
(mehr Leckstrom, stärkere Selbstentladung -> Verlust =
Leckstrom*Akkuspannung*Standby-Zeit) oder einer normalen Si-Diode
(mehr Flussspannung beim Laden -> Verlust = Uf*Icharge*Ladezeit)
besser wäre und es fiel zugunsten der Si-Diode aus. Nur leckt auch die
schlimmstenfalls mit einigen zehn bis hundert Nanoampere. Ist das nun
eine Grössenordnung, bei der ich mir Sorgen machen sollte? Das Gerät
schaltet sich zwar Entladeschlussspannung ab (wie hoch war die doch
gleich für Graphitanode....?), aber der Leckstrom fliesst dann ja
immer noch.
Ideen?

-Stefan

 

[MaWin]

"Stefan Huebner" <stefan.huebner@tu-harburg.de> schrieb im Newsbeitrag
news:b303j1dtajp352rtqlpe53gcdpk2j8lcdp@4ax.com...

Ich habe vor, eine 18650-Zelle zur Versorgung eines Messgerätes
einzusetzen

Nimm einfach ein handelsuebliches Akkupack mit eingebauter
Schutzelektronik, z.B. von Digitalphotokameras.
Dann musst du dir keine Gedanken um Ueberladung oder
Tiefentladung machen, der Kunde bekommt Ersatz in jedem
Geschaeft, und DAS so ein Akku wenn er monatelang ungeladen
runmliegt kaputt geht, weiss inzwischen hoffentlich auch
jeder.
--
Manfred Winterhoff, reply-to invalid, use mawin at despammed.com
homepage: http://www.geocities.com/mwinterhoff/
de.sci.electronics FAQ: http://dse-faq.elektronik-kompendium.de/
Read 'Art of Electronics' Horowitz/Hill before you ask.
Lese 'Hohe Schule der Elektronik 1+2' bevor du fragst.

 

[Martin]

Am Wed, 21 Sep 2005 17:55:35 +0200 schrieb Stefan Huebner
<stefan.huebner@tu-harburg.de>:

Hallo zusammen,
in letzter Zeit tauchen ja vermehrt Postings zum Thema Li-Ion-Akkus
auf. Ich habe vor, eine 18650-Zelle zur Versorgung eines Messgerätes
einzusetzen, wobei die Ladung durch einen Controller gesteuert wird.
Was mir im Moment mehr sorgen macht, ist das Posting über den
kugelrund aufgeblähten MP3-Player-Akku. Zwar hat meine Zelle ein
Ventil, aber muss ja trotzdem nicht unbedingt kaputt gehen. Wie
verhindern die gängigen Akku-Schutzschaltungen Tiefentladung bzw wird
darauf überhaupt geachtet? Im Moment sieht meine Abschaltung so aus,
dass zum Verbraucher mit einem P-Kanal-MOSFET getrennt wird, der Strom
hier ist also der S-D-Leckstrom bei Ugs=0 und der Leckstrom durch den
Transistor, der das Gate zum Einschalten auf Masse zieht.
Ladegerätseitig hätte ich eine Diode anzubieten, danach kommt dann
wieder ein P-Kanal-MOSFET, der hier allerdings in leitender Richtung
zu sehen ist, also liegt hier nur die Diode im Weg. Ich hatte
spasseshalber mal durchgerechnet, ob die Energiebilanz mit Schottky
(mehr Leckstrom, stärkere Selbstentladung -> Verlust =
Leckstrom*Akkuspannung*Standby-Zeit) oder einer normalen Si-Diode
(mehr Flussspannung beim Laden -> Verlust = Uf*Icharge*Ladezeit)
besser wäre und es fiel zugunsten der Si-Diode aus. Nur leckt auch die
schlimmstenfalls mit einigen zehn bis hundert Nanoampere. Ist das nun
eine Grössenordnung, bei der ich mir Sorgen machen sollte? Das Gerät
schaltet sich zwar Entladeschlussspannung ab (wie hoch war die doch
gleich für Graphitanode....?), aber der Leckstrom fliesst dann ja
immer noch.
Ideen?

Die Diode im Ladezweig ist keine gute Idee, ihr Spannungsabfall verhindert

die Volladung. Die Schtuzschaltungen von LiIon Akkus verwenden 2
antiserielle PMOS FETs. Ihr Leckstrom ist im Vergleich zur Selbstentladung
vernachlässigbar, man sollte die Abchaltschwelle halt etwas über die
Zerstörungsschwelle des Akkus durch Tiefentladung legen.

--
Martin

 

[Stefan Huebner]

Die Diode im Ladezweig ist keine gute Idee, ihr Spannungsabfall verhindert

Die Akkuspannung wird natürlich hinter der Diode gemessen
Dort sitzt vor und hinter dem Strommesswiderstand je ein
P-Kanal-MOSFET, die wenn geladen wird durchgeschaltet sind und die
jeweiligen Spannungen über Spannungsteiler dem ADU zuführen. Die
kleinen SOT23-MOSFETs habe ich nicht weiter erwähnt, weil die so
lächerlich wenig Leckstrom haben sollen, dass ich mit der Wahl des
Platinenmaterials vermutlich einen grösseren Unterschied erreichen
würde als durch Vernachlässigen der FETs.

die Volladung. Die Schtuzschaltungen von LiIon Akkus verwenden 2
antiserielle PMOS FETs. Ihr Leckstrom ist im Vergleich zur Selbstentladung
vernachlässigbar, man sollte die Abchaltschwelle halt etwas über die
Zerstörungsschwelle des Akkus durch Tiefentladung legen.

Das ist klar. Die Schaltung mit den PMOS-Transistoren erscheint
logisch, ich meine sowas auch schon irgendwo mal gesehen zu haben.
Egal, weniger Leckstrom als meine Diode werden die wahrscheinlich auch
nicht haben, allerdings könnte ich mir dann die beiden PMOS für die
Spannungsteiler sparen. An der Ansteuerung würde sich eher nichts
ändern, bei beiden Varianten muss zum Laden das Gate nach Masse
gezogen werden. Dafür müsste ich dann aber zum Überwachen des
Ladestands einen weiteren Spannungsteiler hinter dem MOSFET vorsehen,
der den Vebraucher zuschaltet und einen weiteren ADU-Kanal belegen.
Muss ich wohl nochmal durchdenken.

Danke erstmal!

 

[Stefan Huebner]

Nimm einfach ein handelsuebliches Akkupack mit eingebauter
Schutzelektronik, z.B. von Digitalphotokameras.

Kostenfrage! Von den Geräten werden etwa 20 Stück gebraucht, wobei der
Akku nicht den halben Materialpreis ausmachen sollte.

Dann musst du dir keine Gedanken um Ueberladung oder
Tiefentladung machen, der Kunde bekommt Ersatz in jedem
Geschaeft, und DAS so ein Akku wenn er monatelang ungeladen

Das mit dem Ersatz ist so eine Sache. Ich habe mich noch nicht
informiert, wie viele Standards es gibt, aber vermutlich braucht man
eine spezielle Halterung für den Akku und ob der gerade gewählte
Standard dann auch einer mit Zukunft ist, bleibt vielleicht auch noch
fraglich. Einen Laderegler brauche ich ja so oder so, also würde ich
hier gerne a) sparen und b) einen Minimaltypen einsetzen, den es immer
in irgendeiner Form geben wird.

runmliegt kaputt geht, weiss inzwischen hoffentlich auch
jeder.

Das bezweifel ich nur leider. Ich hatte angenommen, dass NiMH da noch
kritischer ist, oder würdest Du für eine Anwendung, die nicht
permanent im Einsatz ist, NiMH den LiIons vorziehen?

 

[MaWin]

"Stefan Huebner" <stefan.huebner@tu-harburg.de> schrieb im Newsbeitrag
news:b095j1h0sglmahevuoqn7v1vb22jrucrh5@4ax.com...

Einen Laderegler brauche ich ja so oder so,

Nein. An ein Akkupack mit Schutzelektronik einfach strombegrenzte Spannung
von (im Leerlauf) mindestens 4.5V/Zelle anlegen und warten, bis die
Spannungsquelle nicht mehr belastet wird, die Spannung also auf Leerlaufwert
steigt.

NiMH den LiIons vorziehen?

Nicht wirklich. Ich habe hier NiMH Baumarkakkuschrauberakkus,
die nach 2 Tagen tumliegen lassen leer sind. Unglaublich.
Ich hab schon nach einem Entladewiderstand da drinnen gesucht....
--
Manfred Winterhoff, reply-to invalid, use mawin at despammed.com
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[Dieter Wiedmann]

MaWin schrieb:

Ich habe hier NiMH Baumarkakkuschrauberakkus,
die nach 2 Tagen tumliegen lassen leer sind. Unglaublich.

Da wird der Produktionsausschuss verbaut, Mängel im Separator.

Ich hab schon nach einem Entladewiderstand da drinnen gesucht....

Ist sozusagen in den Zellen integriert.


Gruß Dieter

 

[Stefan Huebner]

Einen Laderegler brauche ich ja so oder so,

Nein. An ein Akkupack mit Schutzelektronik einfach strombegrenzte Spannung
von (im Leerlauf) mindestens 4.5V/Zelle anlegen und warten, bis die
Spannungsquelle nicht mehr belastet wird, die Spannung also auf Leerlaufwert
steigt.

Wie bitte? Du sagst also, dass in den Akkupacks mit Schutzschaltung
ein Laderegler eingebaut ist? Denn etwas anderes ist es ja nicht, wenn
ich anlegen kann, was ich will (naja in Grenzen, aber nicht in
Grenzen, die denen des nackten Akkus ähneln) und die Elektronik macht
den Rest. Das kann doch nicht im Rahmen der Spezifikation sein, dass
die als Schutz(!)schaltung ausgelegte Elektronik das Ladegerät
überflüssig macht. Du sagtest: mindestens 4,5V, wieviel denn
höchstens? Meine Systemspannung liegt zwischen 8 und 20V, brauche also
so oder so einen StepDown-Wandler, gewonnen ist also nicht viel.
Nehmen wir mal 5V, die Zelle ist leer. Heisst: 1,3V Differenz bei 2,2A
Ladestrom. Die Elektronik im Pack verbrät nun also 2,8W. Dafür ist sie
ja anscheinend ausgelegt. Anderer Ansatz: ein Shuntregler, der die
strombegrenzte Klemmenspannung gerade so begrenzt, dass die dem
jeweiligen Akkuzustand angemessen Spannungen anliegen. Macht das Sinn?
Klär mich auf, ich habe ernsthafte Probleme mit der Vorstellung, dass
die Schutzschaltung zum Einsatz als Ladegerät taugt. Gibt's irgendwo
Spezifikationen von solchen Akkupacks?

NiMH den LiIons vorziehen?

Nicht wirklich. Ich habe hier NiMH Baumarkakkuschrauberakkus,
die nach 2 Tagen tumliegen lassen leer sind. Unglaublich.
Ich hab schon nach einem Entladewiderstand da drinnen gesucht....

Und, nicht gefunden? Das andere Posting hat ja schon eine mögliche
Erklärung geliefert. Ich bin eigentlich auch durch mit NiMH, daher die
LiIon-Frage.

 

[MaWin]

"Stefan Huebner" <stefan.huebner@tu-harburg.de> schrieb im Newsbeitrag
news:idb5j1dnoo3r8pcj2at1q3r2i6epemlf1f@4ax.com...

Wie bitte? Du sagst also, dass in den Akkupacks mit Schutzschaltung
ein Laderegler eingebaut ist?

Sicher. Lies einfach mal so ein Datenblatt so eines Schutz-ICs.
NCP800, R5421, T63H0002A, AAT8633, MC33349

überflüssig macht. Du sagtest: mindestens 4,5V, wieviel denn
höchstens?

Je nach verbauten Chips, aber (bei 1 Zelle) 20V wohl kaum. 5V geht
immer, manche Chips haben aber bereits 6V Maximum.

Nehmen wir mal 5V, die Zelle ist leer. Heisst: 1,3V Differenz bei 2,2A
Ladestrom.

Nein. Natuerlich nicht. Richtig lesen. Die Spannungsquelle muss
STROMBEGRENZT sein, also bei Nennstrom (z.B. 500mA) von selbst
mit der Spannung runtergehen. Dann bleiben vielleicht 0.5A an den
0.1 Ohm des Abschalt-Transistors haengen, also 25mW Verlust im
Akkupack. Wie die Spannungsquelle ihren Strom begrenzt, kann man
sich aussuchen. Klingeltrafo, Schaltregler oder Vorwiderstand hab
ich schon gefunden.

Gibt's irgendwo Spezifikationen von solchen Akkupacks?

Zumindest der LiIon-Protection-Chips. Welcher davon aber in welchem

Akkupack drinsteckt, ist unklar, und oft auch egal, funkctionieren
ja eh alle gleich. Nur wenn das Geraet den Ladezustand wissen will,
muss halt noch eine Leitung zur Kommunikation mit dem Chip rein,
daher die ganzen Akkupacks mit 3 Kontakten zum Auslesen des vom Chip
protokollierten Ladezustands.
--
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[Stefan Huebner]

Nein. An ein Akkupack mit Schutzelektronik einfach strombegrenzte Spannung
von (im Leerlauf) mindestens 4.5V/Zelle anlegen und warten, bis die
Spannungsquelle nicht mehr belastet wird, die Spannung also auf Leerlaufwert
steigt.

So, überzeugt - teilweise.
Ich habe gerade eben ein LiIon-Pack für ein Telefon aufgeschlitzt und
die Platine entnommen. Ein kleines BGA-Ding und ein etwas grösserer
Transistor sitzen drauf, das IC ist ein LM3655. Das Datenblatt
beschreibt ungefähr das, was Du sagst. Allerdings reicht der Strom
nicht, den das Ding verkraftet. Ist mir im Prinzip auch eher egal, gut
zu wissen, dass die Packs so aufgebaut sind, hilft u.U. mal bei der
Problemsuche. Allerdings brauche ich die 2Ah Kapazität der Zellen, die
ich schon habe, den Controller, ADU und die Referenz sind auch schon
da, wieso sollte ich also irgendeinen proprietären Akku mit Elektronik
einsetzen, der zudem noch teurer ist?
Zurück zum Thema Tiefentladung: das Datenblatt vom LM3655 spricht von
normalem Betrieb >2,575V und die Abschaltschwellen liegen irgendwo bei
2,3irgendwas und knapp 2V. Scheint mir sehr niedrig. Hat jemand
verlässliche Angaben hierzu? Ich habe Zellen mit Graphitelektrode und
4,1V Ladeschlussspannung. Wie tief darf ich die Dinger entladen? Die
Sony-Seite, auf der es mal Datenblätter gab, existiert leider nicht
mehr.

 

[MaWin]

"Stefan Huebner" <stefan.huebner@tu-harburg.de> schrieb im Newsbeitrag
news:kvc5j15vv8u8ies4jesitvkecc25t50dnf@4ax.com...

Wie tief darf ich die Dinger entladen?

Haengt davon ab, wie lange du dem sich wegen Entladung
abgeschalteten Geraet geben willst, bevor es vom Anwender
wieder aufgeladen werden muss.
Wenn du bei 3V abschaltest, hat der Anwender viel Zeit
eine Steckdose zu suchen, bei 2V muss das unmittelbar
passieren.
--
Manfred Winterhoff, reply-to invalid, use mawin at despammed.com
homepage: http://www.geocities.com/mwinterhoff/
de.sci.electronics FAQ: http://dse-faq.elektronik-kompendium.de/
Read 'Art of Electronics' Horowitz/Hill before you ask.
Lese 'Hohe Schule der Elektronik 1+2' bevor du fragst.

 

[Stefan Huebner]

Wie tief darf ich die Dinger entladen?

Haengt davon ab, wie lange du dem sich wegen Entladung
abgeschalteten Geraet geben willst, bevor es vom Anwender
wieder aufgeladen werden muss.

Das klingt plausibel. Für die NiMHs hatte ich seinerzeit mal Entlade-
und Selbstentladekurven mit einem Akku-Ladecomputer aufgenommen,
leider kann das Ding keine LiIon laden, aber eine Kurve mit einer
Spannungsmessung pro Minute oder sowas müsste es auch schaffen, mal
sehen. Oder kennst Du (oder andere hier) Erfahrungswerte bzgl der
Selbstentladung?

Wenn du bei 3V abschaltest, hat der Anwender viel Zeit
eine Steckdose zu suchen, bei 2V muss das unmittelbar
passieren.

Ich werde wohl bei 3V abschalten. Die Entladekurve, die ich mal
manuell vom LiIon-Akku gemacht habe, um ein paar Stützstellen für die
"Füllstandsmessung" zu finden, suggeriert zumindest, dass ein ganzer
Tag durchgehender Betrieb möglich ist, ohne dass die Spannung des
frisch geladenen Akkus unter 3,2V fällt. Ist also noch etwas
Sicherheit drin.

 

[Günther Dietrich]

Stefan Huebner <stefan.huebner@tu-harburg.de> wrote:

Einen Laderegler brauche ich ja so oder so,

Nein. An ein Akkupack mit Schutzelektronik einfach strombegrenzte Spannung
^^^^^^^^^^^^^^
von (im Leerlauf) mindestens 4.5V/Zelle anlegen und warten, bis die
Spannungsquelle nicht mehr belastet wird, die Spannung also auf Leerlaufwert
steigt.

Wie bitte? Du sagst also, dass in den Akkupacks mit Schutzschaltung
ein Laderegler eingebaut ist?

Nein, das hat er so nicht geschrieben.

Denn etwas anderes ist es ja nicht, wenn
ich anlegen kann, was ich will

So hat er das auch nicht geschrieben.

(naja in Grenzen, aber nicht in
Grenzen, die denen des nackten Akkus ähneln) und die Elektronik macht
den Rest. Das kann doch nicht im Rahmen der Spezifikation sein, dass
die als Schutz(!)schaltung ausgelegte Elektronik das Ladegerät
überflüssig macht.

Tut sie auch nicht.

Du sagtest: mindestens 4,5V, wieviel denn
höchstens? Meine Systemspannung liegt zwischen 8 und 20V, brauche also
so oder so einen StepDown-Wandler, gewonnen ist also nicht viel.
Nehmen wir mal 5V, die Zelle ist leer. Heisst: 1,3V Differenz bei 2,2A
Ladestrom. Die Elektronik im Pack verbrät nun also 2,8W.

Nein, die Leistung wird in der _strombegrenzten_ Quelle verbraten.

Dafür ist sie
ja anscheinend ausgelegt.

Nein, ist nicht der Fall.

Anderer Ansatz: ein Shuntregler, der die
strombegrenzte Klemmenspannung gerade so begrenzt, dass die dem
jeweiligen Akkuzustand angemessen Spannungen anliegen. Macht das Sinn?

Nein.

Klär mich auf, ich habe ernsthafte Probleme mit der Vorstellung, dass
die Schutzschaltung zum Einsatz als Ladegerät taugt.

Das hast nur Du hineininterpretiert.


Die Quelle begrenzt den Ladestrom und verbrät damit auch die Leistung
(sofern es nicht ein Schaltwandler ist). Wenn die Ladeschlussspannung
der Zelle erreicht ist, wird der Stromfluss in den Akku von der
Schutzelektronik abgeschaltet. Deshalb steigt die Spannung dann auch auf
den Wert der Leerlaufspannung.



Grüße,

Günther

 

[Martin]

Am Thu, 22 Sep 2005 15:21:06 +0200 schrieb Stefan Huebner
<stefan.huebner@tu-harburg.de>:

Einen Laderegler brauche ich ja so oder so,

Nein. An ein Akkupack mit Schutzelektronik einfach strombegrenzte
Spannung
von (im Leerlauf) mindestens 4.5V/Zelle anlegen und warten, bis die
Spannungsquelle nicht mehr belastet wird, die Spannung also auf
Leerlaufwert
steigt.

Wie bitte? Du sagst also, dass in den Akkupacks mit Schutzschaltung
ein Laderegler eingebaut ist? Denn etwas anderes ist es ja nicht, wenn
ich anlegen kann, was ich will (naja in Grenzen, aber nicht in
Grenzen, die denen des nackten Akkus ähneln) und die Elektronik macht
den Rest. Das kann doch nicht im Rahmen der Spezifikation sein, dass
die als Schutz(!)schaltung ausgelegte Elektronik das Ladegerät
überflüssig macht. Du sagtest: mindestens 4,5V, wieviel denn
höchstens? Meine Systemspannung liegt zwischen 8 und 20V, brauche also

4,2V. Obwohl sich manche der LiIon Schutzschaltungen als Laderegler
mißbrauchen lassen, werden auch bei diesen Akkus normal 4,2V+-1% als
Ladespannung angegeben, Strombegrenzt auf 1C. Wenn du die Schutzschaltung
als Ladeschaltung verwenden willst, dann solltest du die Stromgrenze doch
deutlich niederer wählen.


--
Martin