Source: http://forum.hobbyelektronik.de/forum/messages/63390.htm
Timestamp: 2018-12-15 23:44:53+00:00

Document:
Knolles ELEKTRONIK Forum: Re: Strombegrenzung für LIFEPO4 Akku und BMS, Jens Hakken am 20.04.2017 23:40
Re: Strombegrenzung für LIFEPO4 Akku und BMS
Geschrieben von Jens Hakken am 20. April 2017 23:40:05:
Als Antwort auf: Re: Strombegrenzung für LIFEPO4 Akku und BMS geschrieben von Theodor Wadelow am 20. April 2017 12:26:28:
> Hallo Theo, wahrscheinlich bekommst du gleich Bauchschmerzen vor Lachen. Als Widerstand hatte ich 1,8 Ohm gerechnet mit einer Leistung von 800 Watt.
Nein, garnicht. Ich fange an deine Annahmen etwas besser zu verstehen.
Nach P=U²/R oder U=sqrt(P*R) mußt Du an bis zu 37V Spannung und bis zu P=I²*R oder I=sqrt(P/R) 21.08A Strom gedacht haben. Nun, das sind 20A Strom, aber für den aller-aller-schlimmsten Fall gerechnet, daß die Li-Ion-Batterie gegen Masse kurzgeschlossen wird. Ich danke das ist mehr Widerstand als Du brauchst, denn typischerweise mußt Du nur die Spannung zwischen den verschieden geladenen Akkupacks ausgleichen. Das war übrigens der Punkt an dem ich die tiefste denkbare Entladespannugn annehmen mußte. Im aller-aller-schlimmsten Fall, d.h. wenn der Akku nach Masse kurzgeschlossen wird, fliegt hoffentlich einfach eine ...30A(?)... Sicherung am Li-Ion-Pack.
Frage: Hat das "BMS" von dem Li-Ion-Pack nur die Funktion die Zellen gleichmäßig zu Laden oder hat es auch einen Überstrom/Kurzschlußschutz ?
gibt es da für den Schlimmsten-der-schlimmen Fälle noch eine Schmelzsicherung ?
> Um Ausgleichsströme zu vermeiden hatte ich angedacht vier MBR3060 Schottkydioden an das Lithium Pack zu verlöten,ich weiß das sind wieder 0,4V Spannungsverlust .
Ah, Du möchtest ein System haben, in dem das Li-Ion-Pack nicht vom Bleiakku gealaden wird, auch wenn es niedrigere Spannung hat. Sag' das doch.
Für diesen Zweck alleine gäbe es heute elektronische "Rückflußverhinderer" mit MOSFETS, z.B. ht tp://www.linear.com/product/LTC4368 .
Aber renn' nun bitte nicht hin und bau Dir den o.a. LTC4368 auf, denn dich denke das ist noch nicht der Weisheit letzter Schluß.
Andererseits, wenn Du die Zeit hast kannst du dessen Datenblatt gerne mal studieren, das gibt einige Ideen zur Kontrolle von hohen Strömen.
> Aber was bleibt mir momentan übrig als das vorhandene einzusetzen.
Sehr realistischer Ansatz !
> Die Widerstände Wickel und zementier ich selber.
Wow. Das habe ich noch nicht gemacht. Was für Zement setzt man dafür ein?
> Ich hab auch nur begrenzte Mittel und Gelder, was meinst du warum ich mir hier Rat hole.
Oh, weil wir "armselige Bastler" sind ? Ich hoffe doch nicht. Mir geht es mehr um den Spaß an Elektronik und ich bin was Hardware-Investment angeht ebenfalls eher ein Schotte ;-)
Wäre dir eine "professionelle" Community lieber ?
>Und gerade dieses Thema scheint nicht so einfach zu lösen zu sein.
>Mir kam auch schon der Gedanke über eine z- Diode mit Widerstand ein Transistor anzusteuern, und davon halt mehrere parallel.
MOSFETs parallel könnten gehen. Die haben pro Stück gerne mal erlaubte Verlustleistungen von über 100W.
Ich hätte Dir fast den IRFB7430 ht tp://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A100/DS_IRFB7430.pdf empfohlen, aber der darf ja nur 40V.
Um das Design zu vereinfachen, nehmen wir doch gleich einen MOSFET im vollisolierten Gehäuse. Das verschlechtert zwar die Wärmeabfuhr, vereinfacht aber die Montage.
Und dann hätte -mit Augenmerk auf günstige Beschaffbarkeit- der IRFI3205 gute Karten. Ich weiß nicht, ob ein Design mit 44V maximal mit 55V-Transistoren wirklcih gut bestückt ist (mein Bauchgefühl) sagt mir, 100V wären nett, aber das soll ja auch noch baubar bleiben. Datenblatt hier: ht tp://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A100/IRFI3205_IR.pdf
Nehmen wir mal die "Thermal response", (Fig. 11) und den Maximalwert (Seite 1) von 2.4 °C/W , dann wäre man mit 50W Verlustleistung pro Transistor bei 2.4 * 50 = 120°C Temperaturerhöhung, intern.
Mit 120°C Temperaturerhöhung und z.B. 55°C am Gehäuse wärst Du bei 175°C für das Silizium dieses Transistors, RDS,on ist dann laut Fig. 4 beim gut 2-fachen des Standardwertes also bei 16mOhm.
Mit 16mOhm und 50W erlaubtem Verlust komme ich auf I=sqrt(P/R)=55A.
Interessant. Das reicht schon 1 Transistor für die von Dir gewünschten 20A. Wenn wir mal als worst-case die o.a. Temperatur- und Widerstandserhöhungen nehmen, also 16mOhm RDS,on, dann würden da 0.32V am Transistor abfallen.
Nun brauchst Du leider, um Rück-Ströme zu verhindern, 2 MOSFETs Source-an-Source; so wie in der Demo-Schalung des o.a. LTC4368 gezeigt. Damit verdoppelt sich der Widerstand, was man daadurch kompensiert, daß man z.B. je 2 MOSFETS paralle schaltet. Weil's technisch mit den isolierten MOSFETs so einfach ist würde ich gleich je vier der IRFI3205 parallel schalten, die 4-er Paralleschaltung kommt dann auf 16mOhm/4 = 4mOhm , zwei dieser 4x-parallel-Schalter Source-an-Source in Serie um Rückströme unterdrücken zu können und Du landest bei 8mOhm für den ganzen Schalter. Das gibt dann 0.16V Verlust bei 20A Strom.
Für den Strang des Blei-Vließ-Akkus würde ich das nochmal aufbauen, allerdings entweder mit besseren (vermutlich unisolierten) MOSFETs um auf ein kleineres RDS,on zu kommen.
Oder halt einfach mehr Transistoren. Bei 120A kann man das von 20A direkt hochskalieren, also 48 Transistoren statt den o.a. 8 Transistoren.
48 Transistoren hört sich viel an, ist aber mit 60ct/Stück sehr bezahlbar und muß auch nicht besonsders groß gebaut werden denn selbst bei 120A sind nur 0.16V * 120A = 19.2W Verlustleistung zu erwarten.
Kurzfristig, d.h. bevor die Kühlkörper heis sind können solche Schaltungen auch die Batterien quasi gegen Masse kurzschließen ohne daß Du schaden befürchten müßtest.
Die 8-MOSFET-Version für die Li-Ion-Packs wäre kurzfristig für 4x 390A (Pulsed Drain current) = 1560A geeignet, die 48-Mosfet-Version dann für das sechsfache also knapp 10kA. Und soviel Strom würdest Du aus den Akkus jeweils nicht mal im Kurzschlußfalle rausbekommen, den Widerstand von Klemmen und Kabeln noch nicht mitgerechnet. Wenn so ein hoher Strom fließt, würde ich vermuten daß der zu designende Controller das mitbekommt und die MOSFETs abschaltet.
Zum Controller gibt es natürlcih IC-Lösungen, für Anregeungen könntest du mal die Produkte von Linear studieren, z.B.
für "ideale" Dioden: ht tp://www.linear.com/parametric/PowerPath_Controllers_*_Ideal_Diodes#!cols_1030,1031,1193,1192,1367,2329,1033,1032!s_1192,0!gtd_!1033_>=72
oder für strom-Begrenzende FET-Controller ht tp://www.linear.com/parametric/High_Voltage_Hot_Swap_Controllers#!cols_2218,2217,1131,1031,1112,1367,1040,1132!s_0,0!gtd_!1132_-1000V to 1000V|10.8V to 80V|4V to 72V|4V to 80V|8.5V to 80V
Die o.a. Bauteile würde ich aber nur als Anregung verstehen wollen, und studiert habe ich sie selber auch noch nicht alle, was ich aber aus purem Interesse heraus beizeiten nachholen will.
Im Prinzip könntest Du je 2x den Strom-Begrenzenden FET-Controller hinter jedes Akkupack setzen und mit einem "ideal diode controller" beide Akkupacks zum Motor verbinden.
Was ich von Dir unbedingt brauche ist ein komplette Beschreibung des gewünschten Verhaltens !
Ich mache den folgenden Vorschlag für Einzelregelungen:
§0 Bezeichnungen:
"LA": Lithium-Ion-Akkupack.
"BA": Blei-Vließ-Akkupack.
"MOSFET": die o.a. MOSFET-Schalter, bestehend aus ggf. mehreren einzelnen MOSFETs, wirkt in beiden Richtungen, ist auch linear steuerbar.
"Eingeschaltet": Minimaler Widerstand RDS,on der MOSFETs, typisch Milliohm.
"Abgeschaltet": MOSFET abgeschaltet, RDS >> 10k Ohm.
"linear gesteuert": MOSFET im linearen Bereich, 10k Ohm > RDS > RDS,on
§1 Primärquelle bis runter zu 31.5V ist das LA.
$2 Aus dem LA dürfen maximal 20A entnommen werden.
§3 Das BA darf das LA nicht laden.
§4 Das LA darf das BA nicht laden.
§5 Bei Unterschreiten von 31.5V an LA wird LA still gelegt und auf den BA gewechselt
§6 Zur Reaktivierung nach §5 ist ein manueller Eingriff erforderlich, z.B. Taste drücken oder Aufladen des LA bis >= 42V.
§7 Bei Erreichen von fast 20A am LA wird der MOSFET am LA linear gesteuert, so daß der Strom unter 20A begrenzt bleibt.
§8 Wenn im Falle §7 die Ausgangsspannung der Schaltung unter 32V fällt, wird der MOSFET am BA zusätzlich linear gesteuert um 32V zu halten.
§9 Wenn im Falle §8 der Strom am BA 20A überschreitet und das BA eine höhere Spannung als das LA hat, wird das LA abgeschaltet, so daß das BA die volle Leistung übernehmen muß. Dann wird der steuernde MOSFET des BA vollständig eingeschaltet um die Verluste zu minimieren.
§10 Wenn nach §9 der Strom am BA 20A unterschreitet und das LA nicht nach §5 abgeschaltet ist, wird das BA abgeschaltet und das LA eingeschaltet. Im Übergangspunkt werden beide MOSFETs linear gesteuert.
§11 Wenn ein MOSFET zu heiß wird (> 120°C am Kühlkörper) wird er abgeschaltet und der Fahrer per Anzeige über die Abschaltung informiert.
§12 Wiedereinschaltung nach §10 bei Temperatur < 80°C
§13 Die Anlage wird über Schmelzsicherungen an den Akkupacks vor Fehlern in der zu designenden Schaltung geschützt. LA: 30A, BA: 150A
Das wären die mir einfallenden günstigen Schaltregeln für den Parallelbetrieb von LA und BA. Bei der gemeinsamen Stromentnahme mit linearer Regelung (§§7-9) müßte man nochmal die auftretenden Verlustleistungen an den MOSFETs durchrechnen und ggf. den Übernahmepunkt nach §§8-9 anpassen. Das Verhalten des Motorcontrollers mit fallender Batteriespannung wäre nett zu wissen. Wenn ich der Motorcontroller wäre würde ich einfach die Stromentnahme hochdrehen bis die Abgabeleistung der "Gaspedal"-Stellung entspricht. Mit fallender Spannung am Motorcontroller (§7) würde also der geforderte Strom steigen, die Spannung schnell unter 32V fallen und §§8-9 in Kraft treten. In der Folge würde der Strom über 20A dann so oder so zügig vom BA übernommen werden, so daß man sich eine komplizierte Umschalterei fast sparen kann.
Nichtsdestotrotz, guck' doch bitte mal die o.a. Regelungen durch und sage ob das eine geeignete Designgrundlage ist oder nicht.
> Aber dass kann ich am Wochenende erst ausprobieren obs überhaupt klappt.
> Durch der Woche immer auf Montage und nur Sonntags Zeit zum Basteln.
Kein Problem. Hast Du denn unter der Woche Zeit, meine Überlegungen zu lesen und zu überdenken ?
> Wenn ich Gedankenfehler habe dann korrigiere mich bitte, habe einige Jahre nichts mehr im Elektronik Bereich gebastelt und muss dir sagen dass man ganz schön viel vergisst in einem Zeitraum von 8 Jahren.
Gerne. Dafür bitte ich aber darum, daß Du mir die Grundlagen deiner Überlegungen mitteilst, denn nur dann kann ich den Gedankengang nachvollziehen.
D.h. ich möchte nicht wissen daß Du einen "1.8 Ohm 800W Widerstand und 4x MBR3060 Schottky-Diode" planst sondern dass Du willst dass "Der Strom bei 31.x V (Kurzschluß) auf 20A begrenzt ist" und Du "nicht willst dass ein Akku den anderen lädt."
Hallo Theo,erstmal vielen Dank für deine Hilfestellung.Das BMS vom LA gleicht die Zellen ab,hat einen extra Ladeport mit Überladungsschutz und eine 40 Ampere Schmelzsicherung, und eine Endladeschluss Abschaltung bei 30v.BA wird Komplett vom Motorcontroller überwacht und gleichzeitig nochmals über den "Bordcomputer" .Mein Gedanke zur Funktion war : LA und BA gleichzeitig zu verschalten. BA darf LA nicht Laden aber LA darf BA laden,da BA ja den Hauptstrom übernimmt und somit so viel wie möglich Unterstützung benötigt. LA darf max bis 20 Ampere belastet werden und bleibt bei der Fahrt immer an BA angeschlossen, da die Spannungsabschaltung einerseits das BMS übernimmt aber vorher eh der Motorcontroller und/oder "Bordcomputer" abschaltet. Ja das war eigentlich schon meine Vorstellung. Deine Idee mit dem LTC4368 und 8 Mosfets gefällt mir , schaue mir das Datenblatt morgen Mal genauer an . Konnte da heute nur drüber fliegen.
Re: Strombegrenzung für LIFEPO4 Akku und BMS Theodor Wadelow 21.04.2017 21:23 (0)

References: §0

§1

§3

§4

§5

§6
 §5

§7

§8
 §7

§9
 §8

§10
 §9
 §5

§11

§12
 §10

§13