Lade-Endspannungs-Limiter

Startbeitrag von Andreas am 22.01.2006 18:50

Seit ich eine Einzelbatterieüberwachung habe, fällt mir auf, dass beim Laden gegen Ende die Batterien (NiCd STM5-140) sehr ungleich ansteigen. Es variiert hierbei etwa von 7,2 bis 7,7V. Wenn ich nun meine Akkus alle auf 7,5V hochladen möchte, dann denke ich, eine Art Spannungslimiter (eine "fette" Zenerdiode) mit 7,5V über jedem der Akkus müsste das Problem lösen können.

- Gibt es so leistungsstarke Zenerdioden, oder muss man die "zu Fuß" aufbauen? Letzteres ist wahrscheinlich aufgrund der genaueren Spannungseinstellung besser.

- Spricht etwas gegen diese Idee?

P.S. Ich weiss, dass man NiCds mit IU-Kennlinie läd. Das Auseinanderlaufen passiert auch erst in der U-Phase.

Gruß
Andreas

Antworten:

Andreas, ich habe nachgeschaut bei meinem Hoflieferanten schukat.com in Monheim, der hat die 10 Wattzenerdioden nicht mehr, die hat er gerade abverkauft.
Die 2 Wattdioden sind zu klein zu 100 Stück für 2,90 Euro incl. MWST.
Nachteilig ist die Spannungsschwankung von ca. 10%, Du müsstest also selbst nachsortieren.
Da lohnt doch eher der volle Aufwand mit Mosfet (100 Stück ca 60 Euro) plus drei Widerstände und eine Zenerdiode ca 6 Volt nebst einem OP TL061 zum Beispiel mit 0,25 mA Stromverbrauch zu hundert Stück 14,30 Euro.
Bei der Zenerdiode wäre der Temperaturkoeffizient Null. Evtl. kompensiert eine ganz normale Diode aber den Temperaturgang des Akkus. Müsste ich in Rolands Werken nachsehen. Roland! Temperaturkoeffizient Nicad?

Die Preise sind meist noch ein wenig günstiger, da ich die 200er-Staffel erreiche.

Welchen Ladestrom hast Du? Soll ich für Dich mitbestellen?
Das dicke Paket wartet noch auf den Originalkarton und drei Schrauben, ich Schlumpf.

Halt Halt! Statt dem TL61 mit 0,25 mA gäbe es noch den LM 723 CN mit 2 mA Gesamtstromverbrauch, auch nicht zu viel, wie ich das sehe. Knapp 30 Euro 30 Stück. Da braucht nur ein Poti oder zwei Widerstände dran.

Mindestbestellmenge 10 Stück jeweils, der Preis ist trotzdem in der günstigen Mengenstaffel.

Ich würde es so machen, bei den Zenerdioden hast Du Alterungs- und Instabilitätsprobleme. Beim 723 kannst Du auch einen kurzen Draht als Sicherung und gleichzeitig als Strombegrenzungsshunt (0,4 Volt) für den 723 einlöten.
8 Stück brauchst Du, glaube ich?

von Bernd Schlüter - am 22.01.2006 23:13
Hallo Bernd,

ich hatte eher über eine einfache Komplementär-Darlington-Schaltung nachgedacht. Siehe auch [www.elektronik-kompendium.de]. Nur mit einem 2N3055. Ganz ohne OP.
Sollte das nicht gehen, nehme ich den MC33201, das ist ein Rail-to-Rail OP mit unsymmetrischer Versorgungsspannung, vom dem ich noch einige rumliegen habe...

P.S. Solltest Du meine Adresse nicht haben: [www.friesecke.de]

Gruß
Andreas

von Andreas - am 22.01.2006 23:24
Hallo Andreas,

laut Saft-Doku braucht man in der 2. Ladephase keine Spannungsbegrenzung:
[www.e-m-w.com] .

Bist Du sicher dass Du mit IU-Kennlinie lädst, also wie bei Bleiakkus?
:confused:
Eigentlich sollten die STM5-140 mit einer "II"-Kennlinie geladen werden:
1. Phase: Laden mit max. Strom bis 8.15V (+10°C, temperaturabhängig!)
2. Phase: Konstantstrom 7A für 3h unabhängig von der Spannung

Gruß Jens

von Jens Schacherl - am 23.01.2006 08:21
Ja, so werden die Jetsafts auch geladen: bis zu 1,62 Volt volle Pulle (z.B. 15 Ampere), danach 2 Stunden mit 5 Ampere. Halt, das ist allerdings deren Wartungsladung für diese Hochstromtypen von nur 23 Ah Kapazität.

Danach ist ordentlich Wasser verdampft. Nur im vollgeladenen Zustand darf nachgefüllt werden, obwohl da keine gut sichtbare Markierung ist. Im entladenen Zustand nur soviel, dass die Platten gerade bedeckt sind. Was steht da noch? Dass Überladung nicht sehr schadet. Nur, wenn allzuviel Wasser gespalten wird, könnte die Spannungsbegrenzung sinnvoll sein.
Ist Lauge ausgelaufen, kein Problem. Einfach die richtige Lauge ( die mischen die Firmen selbst an!!) irgendwie nachkippen, volladen, bis zum Füllstand abschütten.Klaro, oder? Nur, wenn vorher unbekannte mengen Wasser gespalten wurden, gibt es ein Problem und man muss die Laugedichte kontrollieren. Die sollte stimmen. bernd


Mindestens ebenso wichtig ist aber doch auch, dass die Akkus ab und zu voll entladen werden. Mit Mosfets, 150 Watttypen (also diese 3 Viecher nach neuer deutscher Rechtsschreibung!) und Optokopplern sollte das sehr leicht möglich sein. Vielleicht symmetrieren sich die Akkus dann viel eher?
Das Kurzschlussverfahren soll Wunder bewirken, allerdings doch wohl eher bei meinen Einzelzellen? Unter 4,4 Volt darfst Du sicher kaum entladen? (5mal 1,1 Volt - 1,1 Volt). dürfte so ziemlich der Schwellspannung mancher Mosfets entsprechen.
Es ist verrückt, welche nicht mehr erreichbare Ladung durch eine Einzelzellenvollentladung wieder zugänglich wird (=Antimemorymaßnahme). Die Fluggesellschaften verwenden seitdem immer nur noch Einzelzellen.

Andreas, vielleicht könntest Du auch Deine Akkus in zwei gleiche Gruppen aufteilen und ungleich entladen, um auf gleichen Entladezustand zu kommen? Dann brauchtest Du nur einen Begrenzer. Die nutzbare Kapazität wird unten symmetriert, der Ladezustand oben.
Bei fünf nicht einzeln zugänglichen Zellen ist das natürlich kaum möglich, die schlechteste Zelle bestimmt, wie schlimm überladen werden muss.

von Bernd Schlüter - am 23.01.2006 10:38
Hallo Jens,

Die Theorie ist gut, aber in der Praxis erreichen die Zellen nicht gleichzeitig die 8,15 Volt (oder welche Endspannung auch immer). Wann also Umschalten auf Symmetrierladung? Daher die Idee, weniger Wasser zu verbrauchen und die Symmetrierung zu erzwingen.

Gruß
Andreas

von Andreas - am 23.01.2006 13:14

Spannungsbegrenzer von Metricmind

Hallo,

schau Dir mal die Beiträge unter [forum.myphorum.de] an. Die Schaltung kann problemlos auf andere Spannungen angepasst werden. Auch eine Temperaturkompensation ist im begrenzten Umfang möglich.

Gruß,
Emil

von Emil - am 24.01.2006 09:46

Re: Spannungsbegrenzer von Metricmind

Hallo Emil,

vielen Dank für den Hinweis. Den LM431 kannte ich tatsächlich noch nicht.
Ich habe inzwischen eine einfache Power-Zener mit einem BTS240 FET aufgebaut. Geht sehr gut, ist nur noch nicht einstellbar.

Auf jeden Fall bestätigt das meine Idee...

Gruß
Andreas

von Andreas - am 24.01.2006 19:53

Re: Spannungsbegrenzer von Metricmind

Der Temperaturkoeffizient des gate-source-treshold-voltage des BTS240 ist stark negativ, da die passende Zenerdiode bei ca 4 Volt ebenfalls negativ ist, kommt das einer Eigenstabiltät der Schaltung entgegen, sofern das Kühlblech an der Batterie befestigt ist. Wegen des überaus geringen Preises würde ich aber trotzdem den Spannungsregulator mit eingebauter Referenz vorziehen und den Temperaturkoeffizienten über einen NTC im Eingangsspannungsteiler einstellen, der ja nicht von der Wärme des Transistors belastet wird.

Oder, Du baust einfach an das gate einen Spannungsteiler aus Poli und einem hochohmigen NTC-Widerstand, der das Mosfet bei einer einstellbaren Batterietemperatur zurückregelt. So, wie Du beschrieben hattest, reichen die 'Kochtemperaturen' reichlich zum Abschalten. Der Temperaturkoeffizient eines NTC ist viel höher als der der Gateschwellspannung. Ja, so würde ich es machen: Eigentlich einen beliebigen Mosfet, mit eingebauter Temperaturstabilisation ist natürlich toll, und einem hochohmigen NTC zwischen Gate und Drain, ein Poti plus Schutzwiderstand zwischen Gate und Source. NTC in Schutzhülle an der Batterie befestigen. bernd

von Bernd Schlüter - am 24.01.2006 21:21

Re: Spannungsbegrenzer von Metricmind

Hallo Bernd,

der Übertemperaturschutz für die Akkus soll hier mal ein anderes Problem sein....

Ich hatte an folgende Schaltung gedacht:


Irgendwie weiss ich noch nicht so recht, wie ich die maximale Leistung berechnen soll... aber ich denke schlimmstenfalls Uz*Ladestrom... also 7,5V*25A = 188W Naja reicht knapp...

BTS240 deswegen, weil ich die stangenweise rumliegen habe.

Gruß
Andreas

von Andreas - am 24.01.2006 23:59
OK... ich weiss, wo das Problem ist...

Sollte ich mit 25A laden und den Akku auf 7,5V begrenzen, dann bekomme ich die Verlustleistung von >180W nicht weg (oder nur sehr aufwändig) .
Somit sollte man ab dem Zeitpunkt, wo ein Akku voll wird, den Ladestrom runterschalten, um die Verluste bewältigen zu können.
Noch besser: Sind dann alle Akkus in der Begrenzung, kann man die Ladung abschalten.

Gruß
Andreas

von Andreas F. - am 29.01.2006 23:44

Re: Spannungsbegrenzer von Metricmind

So ungleiche Akkus überleben die Sprudelzellen auf Dauer nicht, die als erste voll werden und leider, auch als erste leer.
Ein anfangs etwas zeitaufwendiges Verfahren wäre, die Akkus entsprechend ihrer tatsächlichen Kapazität zu ordnen und, betätigt über ein vom Ladestrom betätigtes Relais einen passenden Verbraucherwiderstand parallel zu schalten, sodaß die Batterien alle ungefähr im gleichen Moment voll werden.
Als Verbraucher kämen eigentlich nur pro drei Batterien zwei hintereinandergeschaltete und über das Relaisbetätigte Halogenlampen in Frage, die Du ja für 10, 20, 35, 50 und 100 Watt im Baumarkt bekommst. Du musst dabei schon zwei Lampen in Serie nehmen, damit Du ungefähr auf die richtige Brennspannung kommst, Halogenlampen nehmen zuviel Unterspannung sehr übel. Einige solche hintereinander geschaltete Stränge könntest Du so mit solchen Festwiderständen statt mit Versprudeln von Wasser symmetrieren, ohne gewaltige Verlustleistungen bewältigen zu müssen.
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Eine andere, energiesparendere Methode, wäre die Parallelschaltung eines weiteren Laders für die kapazitätsstärkeren Akkus oder aber, noch besser, den von mir beabsichtigten Symmetrierer einzusetzen, der in beiden Richtungen auf zwei dann eben ungleiche Akkugruppen wirkt und, ähnlich wie die Batterieeqalizer, für einen Ausgleich zwischen den beiden Akkugruppen sorgt. Da Deine Zellen theoretisch ja nicht warm werden sollten, solange Wasser genug enthalten ist, müsste das ohne Temperaturkompensation funktionieren. Der Operationsverstärker, der den Ausgleicher steuert, muss ja nicht von gleichen Ansteuerwiderständen angesteuert werden, wie ich fälschlich zuerst dachte. Vorteilhaft wäre vor allem auch, dass der Ausgleicher auch während der Entladung wirkt, Tiefentladung vermieden und sämtliche Batteriekapazitäten ausgenutzt werden könnten.

Wir sollten die Kiste also mit anderen Worten so groß bauen, dass Du auch eine Gruppe gleicher STMs mit den SBLs, sofern Du die noch hast, zusammenschalten, die beiden Gruppen werden dann sowohl bei der Ladung, wie bei der Entladung, ausgeglichen.

Ich meine, so sollten wir es machen, und es kämen dabei die schönen Ferritkerne von wotan zum Einsatz. Deine überlastungsfesten BTS240 sind natürlich ideal dafür geeignet, von denen ich in einem Schweizer Datenblatt einen Preis von über 400 Fränkli gefunden habe. Ich denke, da handelt es sich um ein Hunderterbündel?

Also, jetzt ist mir klar, was Du brauchst. Ich würde mal sagen, drei Batterieausgleicher mit je drei Zuleitungsdrähten, genau, wie diese ominösen Akkuchequeviecher, nur, dass die Spannungen unsymmetrisch eingestellt werden können, zum Beispiel über ein simples, aber zuverlässiges Poti.Dann kannst Du auch Deinen Kewet mit einer beliebigen Kombination der unterschiedlichsten Batterien betreiben und die SBLs kommen voll mit zum Einsatz. Die Dinger verteilen dann die Ströme, sowohl bei Ladung, wie bei Entladung, absolut gleichmäßig, je nach Aufnahmefähigkeit bzw. Abgabefähigkeit der z.B. drei Batteriegruppen. Zwei Ausgleicher kommen natürlich an die SBLs, die ja schonmal 100 Ampere Ausgleichstrom benötigen. Verlustleistung hat der Wandler dann ja wohl kaum und wir können auf den vollen Strom der BTS gehen.
Die IRF3405 kosten allerdings auch nicht viel und vertragen mehr Strom, benötigen aber eine Schmelzsicherung. Ich hoffe, dass die eingebaute Rückschlagdiode ausreicht, um bei hinreichend niedriger Schaltfrequenz die Zerstörung des Transistors auf der Gegenseite zu verhindern? Die soll dann auch den Ladestrom des Gegentransistors aufnehmen.
100 nanosekunden Freiwerdezeit sind ja relativ viel, ob wir da noch Zusatzdioden brauchen? Aber wir haben dafür ja die Ossis!

Ich habe die Schrauben verbummelt, aber noch vor kurzer Zeit gesehen, denn das Paket an Dich sollte sich ja längst in Bewegung setzen!

Die VHPs aus den Jets werden übrigens mit ihren 23 Ah und 42 Volt mit anfangs 50 kW belastet, nach dem Start der Turbinen gleich wieder vollgeladen, also eine eigentlich ungesunde Betriebsweise für Nicads. Alle paar Monate kommt dann die Wartungsladung mit Totaleinzelzellentotalentladung und ordentlicher Überladung bei 5 Ampere in der Schlussphase (vorher 15 Ampere). Jede einzelne Zelle wird danach aufgeschraubt und das fehlende Wasser nachgefüllt.ca. 5-10 Ah werden dabei versprudelt.
Die Blöcke werden dabei völlig zerlegt und neu zusammengestellt, um möglichst gute Symmetrie zu erreichen.
Die Einzelzellen sind zwar deutlich teurer, aber es hat sich herausgestellt, dass die Symmetrieüberwachung zu weitaus weniger Ausfällen führt, Du solltest es, soweit das mit Fünfzellern geht, auch so machen. Ich glaube, dafür braucht man einen Schraubenschlüssel, bei dem fast alles Metall mit Kunststoff bedeckt ist. Ich habe ein paar Durchglühproben gemacht, die waren beeindruckend. 1700 Ampere, da ist ein Schraubenschlüssel als Sicherung zu schwach.
Ach so, noch etwas, eigentlich ganz Wichtiges: Die schwachen Zellen erkennst Du am Wasserverlust, wenn Du alle gleich lädst. Den solltest Du auf der Batterie notieren und genau auffüllen. Die Knallgasblasen haften ganz schön, also dekantieren und ruhen lassen vor dem Auffüllen! Oder hast Du die Auffüllautomatik?
Welche Spannung verträgt der Kewet-Curtis? Gute Nacht!

von Bernd Schlüter - am 30.01.2006 02:37

Re: Spannungsbegrenzer von Metricmind

Die von Jens genannten 7 Ampere in der Endladephase sind doch sehr gut zu bewältigen, dann sind es nur noch 50 Watt pro Block, die zu bewältigen sind. Du kannst bequem mit den BTS 240 auch noch eine Glühlampe 12 Volt/100 Watt in Reihe schalten, das reduziert den Kühlkörper gewaltig. Besser 6 Volt-Scheinwerferbirnen. Allerdings, Unterspannung mögen die Halos nicht...Ich denke auch, Du lädst mit zuviel Strom in der Endphase, die Du unbedingt nach Vorschrift einhalten solltest, also I-I, wie Jens sagt. Die erste Phase kannst du spannungsgesteuert beenden, die zweite Sprudelausgleichsphase ist in jedem Fall zeitgesteuert. Da die Spannung in der zweiten Phase bei Deinem hohen Ladestrom unterhalb der der ersten liegt, können Deine Begrenzer wahrscheinlich weiter mitlaufen.

von Bernd Schlüter - am 30.01.2006 02:53

Re: Spannungsbegrenzer von Metricmind

Hallo Bernd,

Das ist eine gute Idee mit der Glühbirne!!! Hehe. Dann leutet die Karre lustig beim Laden. Ich möchte eigentlich jeden 5-er Block einzeln begrenzen und die Begrenzer unabhängig von irgendeinem Controller laufen lassen. Also: die von mir beschriebene Schaltung einfach mit einer Halogenlampe erweitern und schon geht's. Der BTS240 kommt dann evtl sogar ohne Kühlung aus.

Zu wenig Spannung stört doch die Halogenlampen nicht. Nur der (Leucht)-wirkungsgrad sinkt dann. Aber das ist mir reichlich egal!

Danke
Andreas

von Andreas F. - am 31.01.2006 15:50
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