Lipo Balancer - Bauanleitung 256ru

Bau- und Bedienungsanleitung

Verhindert das Überladen von einzelnen Lithiumzellen

Best.-Nr.:66446 Version 1.1 Stand: April 2006

Lithium-Polymer (LiPo)Akku-Balancer Der Vorteil von Lithium-Polymer-Akkus ist die besonders hohe Energiedichte bei gleichzeitig geringem Volumen und Gewicht. Ein Nachteil ist, dass diese Akkus sehr empfindlich gegen Überladung sind, so dass für eine lange Lebensdauer in Serie geschaltete Zellen nur mit entsprechenden Schutzschaltungen geladen werden sollten. Allgemeines Lithium-Akkus, insbesondere die modernen Lithium-Polymer-Zellen, haben bereits einen großen Teil des Marktes für portable Geräte erobert. Aber auch im Modellbaubereich setzt sich dieser Akku-Typ aufgrund

des Gewichts- und Größenvorteils immer mehr durch. Dabei darf man aber nicht vergessen, dass der Einsatz bei falscher Behandlung mit Gefahren verbunden ist. Die Ladevorschriften des Herstellers sind unbedingt zu beachten, und zum Laden dieses Akku-Typs dürfen nur dafür konzipierte Ladegeräte eingesetzt werden.

Technische Daten: LiPo-Balancer LBA 1 Balancer-Spannung: 4,2 V (±0,5 %) Balancer-Strom: 350 mA oder 1,1 A (je nach Bestückung) Stromaufnahme: <1 μA bei U = <3,2 V <100 μA bei U = >3,5 V Gewicht: 1,6 g 4,8 g mit Zusatz-Lastwiderstand Abmessungen: 23 x 16,5 mm (optionaler Lastwiderstand nicht bestückt) 30 x 16,5 mm (optionaler Lastwiderstand bestückt)

Während NiCd- und NiMH-Akkus sehr robust sind und eine falsche Behandlung nicht sofort übel nehmen, kommt es bereits bei einer geringfügigen Überladung von LiPo-Zellen zur Schädigung. Auch bei einer Tiefentladung werden diese Zellen schnell zerstört. Möchte man selbst Akku-Packs konfektionieren, so ist unbedingt darauf zu achten, dass alle in Serie geschalteten Zellen die gleiche Spannung aufweisen und beim ersten Zusammenschalten den gleichen Ladezustand haben. Wird dies nicht beachtet, kommt es bereits beim ersten Ladevorgang zur irreversiblen Schädigung. Bei fertig konfektionierten Akku-Packs kommen grundsätzlich entsprechend selektierte Zellen zum Einsatz. So lange die Packs neu sind, werden alle in Reihe geschaltete Zellen auf gleiches Span1

Bau- und Bedienungsanleitung nungsniveau geladen und alles ist (noch) in Ordnung. Im Laufe der Zeit kommt es aber zum Auseinanderdriften der Zellen, wofür verschiedene Ursachen verantwortlich sein können. Egal, ob es sich um selbst konfektionierte Akku-Packs handelt oder ob die Zellen bereits werkseitig zusammengeschaltet sind, kann das Auseinanderdriften ohne entsprechende Schutzschaltung nicht verhindert werden. Eine Ursache kann z. B. eine unterschiedliche Erwärmung der Zellen im Betrieb sein. Bei hohen Entladeströmen werden die mittleren Zellen eines Akku-Packs oft wärmer als die äußeren, was wiederum Abweichungen bei der zur Verfügung stehenden Kapazität zur Folge hat, und beim Ladevorgang werden diese Zellen den „Voll“-Zustand nicht gleichzeitig mit den äußeren Zellen erreichen. Neben der Temperatur sind Kapazitätstoleranzen, die immer mehr oder weniger YRUKDQGHQVLQGGLHHQWVFKHLGHQGH(LQÀXVVgröße für das Auseinanderdriften. Nach mehreren Lade-Entlade-Zyklen steigt der Spannungsunterschied zwischen den einzelnen Zellen immer weiter an. Im Extremfall kann die Überladung dazu führen, dass Zellen sich aufblähen und platzen oder dass es sogar zu einem Brand kommt. Betrachten wir den Ladevorgang anhand eines 3-zelligen Akku-Packs, wobei wir in unserem Beispiel annehmen, dass die Zellen bereits auseinander gedriftet sind oder aus anderen Gründen unterschiedliche Ladezustände aufweisen. Die Ladeschluss-Spannung von Lithium-Polymer-Zellen beträgt 4,2 V, wobei je nach Hersteller der maximal zulässige Wert mit 4,235 V bis 4,250 V angegeben wird. Bei drei in Serie geschalteten Zellen muss das Ladegerät also die Ladespannung auf 12,60 V zzgl. der vom Hersteller erlaubten Toleranz begrenzen. Wir nehmen nun an, dass Zelle 1 eine Spannung von 4,07 V, Zelle 2 eine Spannung von 4,35 V und Zelle 3 eine Spannung von 4,08 V aufweist. Da die Gesamtspannung des Akku-Packs erst 12,5 V beträgt, wird mit vollem Strom weiter geladen, obwohl die mittlere Zelle bereits stark überladen wird. Dadurch kommt es bei dieser Zelle zu einem irreversiblen Kapazitätsverlust, was wiederum bedeutet, dass diese Zelle beim nächsten Ladezyklus noch früher die Ladeschluss-Spannung erreicht. Wird zudem noch beim Entladevorgang versucht, die Entladeschluss-Spannung möglichst weit auszunutzen, kann es vorkommen, dass bei der bereits vorgeschädigten Zelle auch noch zusätzlich eine Tiefentladung erfolgt. Der vorzeitige Ausfall dieser Zelle ist kaum noch aufzuhalten. Nur durch entsprechende Schutzschaltungen, so genannten Balancern, kann dieser Teufelskreis verhindert werden. 2

In der Consumer-Elektronik eingesetzte Lithium-Akku-Packs werden grundsätzlich mit Schutzschaltungen ausgestattet. Abbildung 1 zeigt dies am Beispiel eines Laptop-Akku-Packs. Wenn es im Bereich des Modellbaus oder bei anderen Anwendungen mit selbst konfektionierten LiPo-Akkupacks bereits nach weniger als 100 Ladezyklen zu Ausfällen kommt, liegt es meist an fehlenden Schutzschaltungen. ELV-Balancer-Schaltung Die ELV-Balancer-Schaltung zeichnet sich durch hervorragende Leistungsmerkmale aus. Je nachdem, ob der Balancer immer fest mit der Zelle verbunden bleiben soll oder extern in Verbindung mit einem Ladegerät zum Einsatz kommt, stehen bei der ELV-Schaltung unterschiedliche Bestückungsvarianten zur Verfügung. Besonders, wenn die Schaltung ständig mit der Zelle verbunden bleiben soll, kommt es natürlich auf jedes Gramm Gewicht und entsprechend geringe Abmessungen an. Der Balancer muss die Energie, die von der Zelle nicht mehr aufgenommen werden kann, in Wärme umsetzen. Nun ist es aber ein Naturgesetz, dass auf einer kleinen Fläche auch nur eine begrenzte Energiemenge in Wärme umgesetzt werden kann. Um diesen gegensätzlichen Forderungen gerecht zu werden, erlaubt die Platine eine VHKUÀH[LEOH1XW]XQJ Mit bis zu 350 mA Balancer-Strom kann die Umsetzung in Wärme mit SMD-Widerständen erfolgen, während mit einem zusätzlichen Leistungswiderstand bis zu 1,1 A Balancer-Strom möglich sind. Der Leistungswiderstand wird auf einem Platinenabschnitt untergebracht, der einfach abgeschnitten werden kann, wenn dieser Widerstand nicht bestückt werden soll. Im Betrieb ist unbedingt zu beachten, dass der Balancer im Bereich der Widerstände R 3 bis R 5 und im Bereich des Leistungswiderstandes R 6 recht heiß werden kann. Insbesondere mit bestücktem Leistungswiderstand (R 6) muss unbedingt der Einbau in ein berührungssicheres, nicht brennbares Gehäuse erfolgen. Zur Befestigung mit einer M3-Schraube steht eine Montagebohrung neben dem Leistungswiderstand zur Verfügung. Aufgrund der möglichen Temperatur darf der

Bild 1: Lithium-Akku mit integrierter Elektronik

Balancer nicht direkt auf das (Kunststoff-) Gehäuse des Akkus geklebt werden. Vorteilhaft ist auch, dass der ELVBalancer völlig ohne Abgleich auskommt. Im Gegensatz dazu erfolgt der Abgleich bei HLQLJHQDP0DUNWEH¿QGOLFKHQ%DODQFHUQ mit Trimmpotis, wobei dann durchaus Zweifel an der Langzeitstabilität angebracht sind. Eine weitere wichtige Forderung ist ein äußerst geringer Ruhestrom, da die Zelle schließlich nicht bei der Lagerung vom Balancer entladen oder sogar tiefentladen werden darf. Der Ruhestrom des ELV-Balancers beträgt bei Spannungen <3 V ca. 1 μA und bei Spannungen >3,5 V weniger als 100 μA. Im Vergleich zu vielen anderen Balancern ein extrem niedriger Wert. Funktionsweise Wie wird nun mit den so genannten Balancern das Überladen von einzelnen Lithiumzellen verhindert? Die Funktionsweise ist recht einfach. Der Balancer ist im Grunde genommen nichts anderes als ein elektronischer Lastwiderstand, der bei Erreichen der Ladeschluss-Spannung parallel zur Zelle geschaltet wird und einen wesentlichen Teil des Ladestroms aufnimmt. Die Zellen eines Akku-Packs werden somit „in der Balance“ gehalten und dadurch die wichtigste Forderung beim Ladevorgang erfüllt. Die Lebensdauer von Lithiumzellen kann daher mit Balancern deutlich gesteigert werden. Da jede Zelle bzw. jede parallel geschaltete Zellengruppe einen Balancer erhalten muss, kommt es bei fest am Akku angebrachten Balancern auf geringe Abmessungen und geringes Gewicht an. Schließlich möchte man nicht die Vorteile der LiPo-Zellen durch die Schutzschaltungen verlieren. Wie aus den technichen Daten ersichtlich, betragen die Abmessungen des ELVLiPo-Balancers in der fest mit der Zelle verbundenen Variante nur 23 x 16,5 mm,

Lastwiderstände

R1

ST1

1R

Balancer aktiv R7

Tiefentladeschutz

IRLML6401

IC1

3 NC 2 GND

100n SMD

OUT

R6

5R6

33R

33R

R10

5

Comp

MJD200

4 100n SMD *

LM3420-4.2 100n SMD

T3

220R

C1

R12

220K

+IN

100K

1

C3

R13

BC848C

R11

R5

Überwachungsbaustein

T5

C2

Zusätzlicher Lastwiderstand (optional)

100R

R8

680K

T4

33R

LED rot

R3

LED grün

R4

1M

D1 R2

D2

Bild 2: Schaltung des LiPo-Balancers

ST2

* 2M Ohm bei Lithium-Ionen-Zellen mit 4,1V Ladeschlussspannung.

und das Gewicht ist mit 1,6 g nahezu vernachlässigbar. Die eigentliche Funktionsweise ist einfach. Sobald die Ladeschluss-Spannung von 4,2 V erreicht ist, nimmt der Balancer seine Arbeit auf und signalisiert dies mit einer LED auf der Platine. Unterhalb der Ladeschluss-Spannung hat der Balancer im Grunde genommen nichts zu tun. $E 9 =HOOHQVSDQQXQJ ÀLH‰W GHU vom Balancer aufgenommene Ladestrom nicht mehr bzw. nicht mehr komplett in die Zelle. Neben dem Schutz des Akku-Packs erlauben die Balancer auch eine Beurteilung der zugehörigen Zelle im Vergleich zu den anderen Zellen eines Packs. Da beim Ladevorgang die Zelle mit der geringsten Kapazität zuerst die Ladeschluss-Spannung erreicht, leuchtet die betreffende LED zuerst. Abgesehen vom ersten Ladevorgang eines neu konfektionierten Akku-Packs handelt es sich dabei um die schwächste Zelle im Pack. Bei gut selektierten AkkuPacks kommen die Balancer nur kurz zum Einsatz.

Beim Ladevorgang ist zu beachten, dass die Ladeschluss-Spannung des Ladegerätes und der Einsatz der Balancer sehr eng zusammen liegen. Bei aktiv arbeitenden Balancern kann das Ladegerät natürlich nicht unterscheiden, ob der Strom vom Balancer oder vom Akku aufgenommen wird. Dadurch wird u. U. das Ladeende später erkannt. Schaltung

(+) IN

+ -

75K

OUT

+ 31K

1,23V

Die Schaltung des LiPo-Balancers ist in Abbildung 2 zu sehen. Zentrales Bauelement ist das IC LM3420A-4,2 von National Semiconductor, bei dem es sich im Wesentlichen um einen Spannungsüberwachungs-Baustein handelt. Das Besondere ist dabei die hohe Genauigkeit von 0,5 %. Der interne Aufbau dieses Bausteins ist in Abbildung 3 dargestellt, wobei neben der genauen Spannungsreferenz ein OP, ein Transistor und zwei Widerstände integriert sind. Wie im Schaltbild zu sehen ist, hält sich der Schaltungsaufwand in Grenzen. Besonders wichtig ist eine sehr geringe Stromaufnahme, so dass im gelagerten Zustand die Zellen nicht durch den Balancer nennenswert belastet oder tiefentladen werden. COMP

(-) GND

Bild 3: Interner Aufbau des LM3420A-4,2 von National Semiconductors

Dafür sorgt die mit T 4, T 5 und externen Komponenten aufgebaute Schaltung, obwohl die Stromaufnahme von IC 1 nur ca. 80 μA beträgt. Solange die Zellenspannung unterhalb YRQFDELV9OLHJWEH¿QGHWVLFK7 im Sperrzustand, wodurch IC 1 nicht mit Spannung versorgt wird und somit die Zelle auch nicht belastet. Erst bei einer Zellenspannung über ca. 3,5 V wird T 5 über D 2 und den Basis-Spannungsteiler R 8, R 11 durchgesteuert und dadurch gleichzeitig T 4 in den leitenden Zustand versetzt. Über den niederohmigen Schutzwiderstand R 1 gelangt die Zellenspannung dann direkt zum Überwachungsbaustein IC 1. Bei Erreichen der Ladeschluss-Spannung von 4,2 V liefert IC 5 am Ausgang (Pin 5) eine Ausgangsspannung, die über R 10 auf die Basis des Entladetransistors T 3 gegeben wird. Sobald T 3 durchsteuert, belastet die Reihenschaltung, bestehend aus den Kollektor-Widerständen R 3 bis R 6 und der Kollektor-Emitterstrecke des Transistors, die Zelle. Die Umsetzung der Energie in Wärme erfolgt je nach Bestückung mit den SMD-Widerständen R 3 bis R 5 oder zusätzlich mit dem Leistungswiderstand R 6. Des Weiteren wird ein Teil der Energie über den Transistor T 3 (Kollektor-Emitterstrecke) in Wärme umgesetzt. Sobald der Balancer aktiv arbeitet, zeigt die über R 7 versorgte Leuchtdiode D 1 den Betrieb an. Mit dem optional zu bestückenden Widerstand R 12 kann die Schaltung für Lithium-Ionen-Akkus mit 4,1 V LadeschlussSpannung anget werden. Nachbau Obwohl SMD-Komponenten für die 3

Entsorgungshinweis

Bau- und Bedienungsanleitung

Ansicht der fertig bestückten Platine des LiPo-Balancers mit zugehörigem Bestückungsplan

2EHUÀlFKHQPRQWDJH ]XP (LQVDW] NRPmen, ist der praktische Aufbau sehr einfach, da alle schwierig zu verarbeitenden Bauteile wie IC 1 und die Transistoren bereits werkseitig vorbestückt sind. Auch die LED D 1 zur Betriebsanzeige und die zur Stabilisierung dienende Leuchtdiode D 2 sind vorbestückt. Von Hand zu verarbeiten sind nur noch die SMD-Widerstände und die 3 SMD-Kondensatoren. Bei diesen Bauteilen wird zuerst ein Lödpad der Leiterplatte vorverzinnt, dann das Bauteil mit der Pinzette genau positioniert und am vorverzinnten Lötpad angelötet. Danach erfolgt das Verlöten des zweiten Bauteilanschlusses in der gleichen Weise. Der optional einzusetzende Leistungswiderstand R 6 ist in stehender Position zu bestücken. Dazu sind zuerst 2 Löthülsen stramm in die zugehörigen Platinenbohrungen zu pressen und an der Platinenunterseite sorgfältig zu verlöten. Die Löthülse in der Platinenmitte ist dann auf ca. 7 mm Länge oberhalb der Platine zu kürzen (während des Abschneidens am besten einen Draht einführen, damit es nicht zur Verformung kommt). Danach sind die Anschlüsse des Leistungswiderstandes in die Löthülsen zu stecken und sorgfältig zu verlöten (Abbildung 4). Inbetriebnahme Nachdem die Platine vollständig bestückt ist, sollte eine gründlich Überprüfung hinsichtlich Löt- und Bestückungsfehlern er-

Bild 4: Montage des Leistungswiderstandes R 6

4

Gerät nicht im Hausmüll entsorgen! Elektronische Geräte sind entsprechend der Richtlinie über Elektro- und ElektronikAltgeräte über die örtlichen Sammelstellen für Elektronik-Altgeräte zu entsorgen!

folgen. Die danach durchzuführende Kontrolle der Funktion ist einfach mit einem stabilisierten regelbaren Labornetzgerät möglich. Dazu wird die Strombegrenzung des Labornetzgerätes auf ca. 1,5 A und die Ausgangsspannung auf 3,0 V eingestellt. Der Balancer ist mit ST 1 am Pluspol und mit ST 2 am Minuspol des Netzgeräts anzuschließen. Die Stromaufnahme des Balancers darf jetzt nur ca. 1 μA betragen. Langsam wird die Ausgangsspannung auf ca. 3,7 V hochgeregelt. Die LED D 1 darf noch nicht leuchten und die Stromaufnahme der Schaltung sollte jetzt 50 μA bis 100 μA betragen. Die Ausgangsspannung wird weiter erhöht. Ab 4,2 V (±0,5 %) muss die Leuchtdiode D 1 leuchten und ein Laststrom zu messen sein, der bis auf ca. 350 mA steigt, wenn nur die Lastwiderstände R 3 bis R 5 bestückt sind. Wurde zusätzlich der Leistungswiderstand R 6 eingebaut, beträgt der Balancer-Strom ca. 1,1 A. Ist der erste Funktionstest zufrieden stellend verlaufen, kann der Anschluss an die zu überwachende Zelle erfolgen. Dabei wird ST 1 mit dem Pluspol und ST 2 mit dem Minuspol der zugehörigen LiPoZelle verbunden. Da bereits Spannungsdifferenzen im mV-Bereich eine Rolle spielen, wird empfohlen, keine gemeinsamen längeren Anschlussleitungen für mehrere Balancer zu verwenden. Zu beachten ist, dass die Balancer am Ende des Ladevorgangs recht heiß werden können. Dies trifft besonders dann zu, wenn die Zellen schon stark auseinander gedriftet sind und zusätzlich der Leistungswiderstand R 6 bestückt ist. Insbesondere mit bestücktem Leistungswiderstand muss der Einbau unbedingt in ein Gehäuse erfolgen, welches den Anforderungen einer Brandschutzumhüllung entspricht. Da ohne Leistungswiderstand an der Platinenunterseite keine Anschluss-

Stückliste: Lithium-AkkuBalancer LBA 1 Widerstände: Ÿ60'............................... R1 Ÿ:....................................... R6 Ÿ:60' ...............R3–R5 Ÿ60'........................... R7 Ÿ60'......................... R10 NŸ60'....................... R13 NŸ60'....................... R11 NŸ60'......................... R8 0Ÿ60' ........................... R2 0Ÿ60'.................. R12 Kondensatoren: Q)60'....................C1–C3 Halbleiter: /0$60'......................IC1 0-'60' ................................ T3 ,5/0/60'.......................... T4 BC848C.......................................... T5 LED, SMD, Rot, low current ......... D1 LED, SMD, Grün, low current....... D2 Sonstiges: 2 Lötstifte, ø 1,5 x 20 mm .............. R6 FPÀH[LEOH/HLWXQJ ST1 x 0,22 mm², Rot................. ST1 FPÀH[LEOH/HLWXQJ ST1 x 0,22 mm², Schwarz......... ST2 drähte oder Lötstellen vorhanden sind, können die Balacer auch mit einem temperaturstabilen Klebstoff direkt auf temSHUDWXUEHVWlQGLJH2EHUÀlFKHQDXIJHNOHEW werden (z. B. Metall). Abbildung 5 zeigt einen 2-zelligen Lithium-Polymer-Akku mit nachgerüsteten Balancern. Hier müssen zusätzlich noch alle Kabelverbindungen mit einem temperaturstabilen Klebstoff gesichert werden.

Bild 5: 2-zelliger Lithium-Polymer-Akku mit nachgerüsteten Balancern