Bastelprojekt Ladegerät für LiFePo4

[Salmi]

Hallo,

bin neu hier im Forum. Ich habe mir einen gebrauchten Roller Solarscooter SC25 (Tisong TM300) zugelegt. Soweit war der Roller noch gut in Schuss, allerdings waren die Bleiakkus platt. Damit hatte ich jedoch vor dem Kauf schon gerechnet und somit habe ich diese gegen LiFePo4 von Winston ersetzt.
Angeregt durch diverse Beiträge hier im Forum ging der Umbau auch problemlos vonstatten. Nun, nach einigen hundert Kilometern bin ich sehr zufrieden mit der Kiste, die Umrüstung hat sich gelohnt.
Das mit dem Roller dazugegebene Ladegerät hat nur eine Leistung von 200 W, was das Aufladen dementsprechend langwierig macht. Ich habe mich entschlossen, selber ein neues zu bauen, weil ich dieses dann genau an meine Bedürfnisse anpassen kann.
Also soll dies mein Einstandsbeitrag sein: Ein Ladegerät für LiFePo4 im Eigenbau.

Die Ladetechnik von Lithium-Akkus ist nicht sonderlich kompliziert, diese werden per CC-CV-Verfahren geladen. Das heißt, zunächst wird mit konstantem Strom geladen, solange bis die Ladeschlussspannung des Akkus erreicht ist. Danach geht’s weiter mit konstanter Spannung, dabei sinkt der Strom immer weiter ab, bis schließlich der Akku voll ist.

Zum Bau eines Ladegeräts bieten sich gut die Meanwell-Schaltnetzteile an. Sie sind sehr preiswert, ein 350 W-Netzteil gibt es beim freundlichen Chinesen über Ebay schon für 37 € inklusive Versand. Sie sind in verschiedenen Spannungen erhältlich, die Ausgangsspannung ist auch in engen Grenzen noch justierbar.

Schaltnetzteil NES 350

Damit sie für unsere Zwecke als Ladegerät eingesetzt werden können, muss jedoch der Strom begrenzt werden, andernfalls würde das Netzteil den Hitzetod sterben. Hierzu habe ich eine Schaltung entwickelt, die eine Strombegrenzung bewirkt und auch dazu noch Spannung, Strom und die Lademenge auf einem Display anzeigt. Die grundlegende Idee ist nicht von mir, sondern diese habe ich im Endless-Spere-Forum gefunden. (Richard Fechter Meanwell Limiter). Wer mehr dazu wissen möchte, findet per Google die Seiten.

Hier meine Schaltung:
Die Rückseite:

Schaltung Rückseite

Das Poti rechts dient zur Kontrasteinstellung des Displays. Mit dem linken Poti kann die Strombegrenzung von 0 bis zum Maximalwert eingestellt werden.
(Die oben zu sehenden Kabel sind nur zum Flashen des Mikrocontrollers und später nicht mehr vorhanden)

Die Vorderseite mit Display:
(Das Display ist schon mal in einer anderen Anwendung eingesetzt worden, daher die etwas verkokelten Pads

Schaltung Vorderseite

Die Schaltung wird an den OVP-Testpunkt des Schaltnetzteils angeschlossen. Über diesen Punkt erfolgt die Strombegrenzung. Weitere Eingriffe in das Netzteil sind nicht notwendig.

OVP-Anschluss

Der Lüfter des Netzteils arbeitet temperaturabhängig, wenn es zu warm wird, schaltet er ein. Wenn man möchte, kann man durch einen kleinen Eingriff den Lüfter ständig laufen lassen. Dazu müssen nur zwei Anschlüsse eines Transistors überbrückt werden.
Hier zu sehen:

Lüfter-Mod

Kollektor und Emitter des Transistors, der den Lüfter schaltet, werden gebrückt.

Zum Laden meiner LiFePo’s habe ich mir zwei Netzteile NES 350 W 27 V in Reihe geschaltet, was problemlos möglich ist. Damit habe ich eine Leistung von 700 W. Die Spannung habe ich auf einen Wert von 57,5 V eingestellt, was bei 16 Zellen 3,59 V ergibt. Bisher läuft das Ladegerät einwandfrei, für ca. 100 € eine tolle Sache:

Ladegerät

Display

Als nächsten Schritt möchte ich das Ladegerät mit den Balancermodulen, die ich auch selbst gebaut habe, verbinden. Die Balancermodule arbeiten mit einem Mikrocontroller, der die Zellenspannung über einen Datenbus an das Ladegerät weiterreichen kann. Alle Module sind über einen seriellen Bus miteinander verbunden, für die Verbindung des Akkus mit dem Ladegerät reicht dann eine 4-adrige Leitung.
Dazu dann demnächst mal mehr…

Vielleicht bekommt jetzt jemand Lust, auch so was zu bauen. Für die anstehenden rollerfreien Tage und langen Winterabende wäre das doch ein schönes Bastelprojekt.

[STW]

Herlich willkommen - das ist mal ein gelungener Einstand Und natürlich sind Fortschrittsbericchte sehr willkommen - auch wenn ich mich nicht gleich hinsetzen werden, um das nachzubauen. Aber ich denke, dass das Interesse an einer gelungenen BMS-/Ladegerätkommunikation hier im Forum doch recht groß ist.

[Peter51]

Hallo Salmi,
sicher ein schönes Projekt. Mit 700W bekommst Du deine teilentladenen LifePo4 Zellen sicher in 1-2 Std. wieder aufgeladen.
Nur warum der ganze Aufwand? Deine Meanwell Schaltnetzteile haben doch von Haus aus eine Strombegrenzung von ca. 12A.
D.h. zu Anfang, in der CC- Ladephase, wird mit diesen 12A geladen. Zum Ende des Ladevorgangs, in der CV- Ladephase, bei 57,5V reduziert sich der Ladestrom von allein auf < 1A.
CC = Constant Current
CV = Constant Voltage

[dominik]

Die Strombegrenzung ist glaube ich auf 135% ab Werk eingestellt, dauerhaft wird das Netzteil diese geforderte Mehrleistung nicht vertragen und wird langsam aber sicher einen Hitzetod sterben.
Wir reden ja hier über Lifepos in Rollern laden, da gehen dann schon mal zwei-drei Stunden ins Land bis das Netzgerät aus der Strombegrenzung raus kommt.

Die sind verdammt günstig. Gibt es da schon "langzeit"erfahrungen?
Wie laut sind die Lüfter?

Ich liebäugele schon eine Zeit lang damit zwei von den Netzteile in meinen vor 18Jahren selbstgebastelten Party-8-Kanal-Verstärker einzubauen und damit den fetten Trafo und die Elko-Bank los zu werden, der Rücken dankt es.Allerdings müßte ich die Stromgrenze für kurze Laststpitzen eher in Richtung 200% ändern.
Aber derziet wird das bei mir eh nichts, und bis dann ringe ich mich vielleicht doch für einen Neubau in Class-D Technik durch.

[Salmi]

Es ist in der Tat so, wie @dominik schreibt. Daher ist der Aufwand notwendig, um die Nennleistung nicht dauerhaft zu überschreiten.

Laut den Berichten aus dem Endless-Sphere Forum sind die Netzteile wohl sehr robust und sollen zuverlässig arbeiten. Die Lüfter sind allerdings schon sehr laut. Für mich spielt das aber keine Rolle, da ich das Ding 'eh nicht im Wohnzimmer stehen habe.

[I.C.H.]

Als nächsten Schritt möchte ich das Ladegerät mit den Balancermodulen, die ich auch selbst gebaut habe, verbinden. Die Balancermodule arbeiten mit einem Mikrocontroller, der die Zellenspannung über einen Datenbus an das Ladegerät weiterreichen kann. Alle Module sind über einen seriellen Bus miteinander verbunden, für die Verbindung des Akkus mit dem Ladegerät reicht dann eine 4-adrige Leitung.

Finde ich sehr interessant. Der erwähnte µC (vermutlich ein ATMEL) sitzt bei Deinen selbstgebauten Balancern gewiss nicht auf JEDEM Modul oder setzt Du EINE große Leiterplatte ein? Hast Du die Möglichkeit die einzelnen Zellen VÖLLIG POTENTIALFREI zu bewerten oder werden die Zellspannungen mittels Spannungsteiler runtergesetzt? Wie hoch ist der zu berücksichtigende Messfehler?

Hatte mir hier im Forum ebenfalls Gedanken zu einem Batterie-Monitoring gemacht, wobei ich gegenwärtig zwei Varianten sehe (Monitoring):

1) High-End, mit einer Genauigkeit von 5mV/Zelle und erweiterbar bis hin zu Perma-Statistiken, Bluetooth, etc.
2) Low-Cost, aufgebaut mit (beleuchtetem) 2x16-Zeichen-LCD für < 20,-€

Beide Varianten sollten m.E. einstellbare Schaltschwellen für Unter-/Überspannung haben sowie zwei Relais (1x Um) zur Netztrennung des Ladegeräts bzw. Betätigen des Bremskontaktes.
Ergänzend würde ich Balancer für 4,50€ einsetzen (Lastmodul, 1,5A, Schaltschwelle 3,79V).

[Salmi]

Hallo I.C.H,

auf jeder Zelle sitzt ein Huckepack-Modul mit einem Atmel-Tiny. Bei einem Preis von ca. 2 € für den µC war es mir den Spaß wert. So kann ich jede Zellenspannung mit 10-Bit Auflösung (entspräche theoretisch 4 mV) potentialfrei messen, in der Praxis muss man aber wohl mit einem größeren Fehler rechnen.
Desweiteren misst das Modul auch die Spannung am Mosfet, dadurch kann ein defekter Mosfet bzw. defekte Lastwiderstände erkannt werden.
Maximaler Balancestrom ist 3,8 A, die Schaltschwelle ist einstellbar. Es sind auch noch höhere Balanceströme durch Einsatz von Widerständen mit höherer Leistung möglich.
Das Modul hat eine Kalibrierfunktion für Spannung und Temperatur (Einstellung per PC bzw. Android-Handy möglich).
Alle Zellenmodule sind über einen 1-Draht-Datenbus miteinander und mit dem Master verbunden.

Der Master holt sich alle Daten von den Zellenmodulen ab, speichert und wertet diese aus.
Er hat folgende Funktionen:
-Versorgung über einen integrierten DC/DC-Wandler (Zellen werden vom BMS gleichmäßig belastet)
-Messung des Batteriestroms
-Messung der Gesamt-Batteriespannung
-Berechnung verbrauchte / geladene Lademenge in Ah
-Gepufferte Echtzeituhr
-Speicher mit 4MB zur Aufzeichnung aller Messwerte mit Zeitstempel
-Übertragung der Messwerte und Einstellungen der Schwellen per Bluetooth
-Fehlerspeicher: u.a. Ausfall Balancermodul, Unter/Überspannungen von Zellen
-Wenn nicht geladen/gefahren wird, schaltet sich das BMS aus. Es schaltet sich dann nur periodisch (einstellbar, z.B. einmal pro Woche) kurz ein, macht eine Prüfung und Messung aller Zellen und legt sich wieder schlafen.

Die wichtigsten Daten werden für den Fahrer auf einem Anzeigemodul, vom Master über Kabel abgesetzt, sichtbar gemacht:
-LEDs grün, gelb und rot zur Anzeige der Restkapazität und Signalisierung von Fehlern
Anzeige beim Laden:
-Spannung, Strom, Lademenge, Ladezeit
-Größte und kleinste Spannung der Einzelzellen
Anzeige beim Fahren:
-Batteriespannung, momentaner Batteriestrom in A, verbrauchte Ah
-Größte und kleinste Spannung der Einzelzellen

Dazu gibt es dann noch Software für PC und Android:

Software für Windows-PC
-Auslesen der Messwerte und grafische Darstellung
-Einstellung der Spannungsschwellen für alle Zellen
-Einstellung Batteriekapazität, Uhrzeit etc.
-Entgegennahme der Daten vom Smartphone (BMS -> Android-Smartphone -> PC)

Für Android abgespeckte Version
-Auslesen der Messwerte
-Einstellung Uhrzeit etc.
Hauptsächliche Funktion: Übertragung der Messwerte vom BMS an PC sowie wichtige Einstellungen, wenn PC-Verbindung zum BMS per Bluetooth nicht möglich ist.

Der aktuelle Stand ist: Die Zellenmodule sind fertig und bereits im Einsatz.
Anzeigemodul ebenfalls fertig. Hardware des Mastermoduls ist fertig, Software zu 70 %.

Software für Windows und Android hat momentan nur die absolut notwendigsten Funktionen. Wird wohl hoffentlich über den Winter fertig werden.

[I.C.H.]

Wow, dass nenne ich mal eine umfangreiche Funktionalität. Sehr ambitioniert. Ich hatte hier mal ein ähnliches Prinzip vorgeschlagen, allerdings reines Monitoring ohne Balancer. Das Problem in meinem Projekt war, dass es immer umfangreicher wurde und ich es bislang nicht realisiert habe. Es ist der Unterschied zw. High-End und Low-Cost, wobei ich momentan für meinen CALB-Akku zu der zweiten Variante tendiere. Wichtig ist für mich die absolute Betriebssicherheit. Unter- und Überspannung an jeder einzelnen Zelle muß wirksam vermieden werden - gerade dann, wenn Dritte (ohne die nötige Vorsicht) den Akku nutzen.

Also ein Tiny pro Modul? Ich habe jetzt kein Datenblatt gesichtet aber heißt das nicht, dass selbst bei geringstem Takt noch rund 1,5mA permanent aus der (zu messenden) Zelle gezogen werden? Selbst wenn Du das Wake-Up-Feature bei den Zellen-Tiny nutzt, verbraucht dann nicht der Master-µC permanent noch einiges an mAh? Bei einem ungenutzten (gelagerten) Akku sollte die Belastung so gering wie möglich sein - im Zweifel im Bereich der theoretischen Selbstentladung.

Ich wünsche für das Projekt gutes Gelingen und würde mich über einen Bilderbericht freuen.

[STW]

Das hört sich genial an. Ich melde mich schon mal an als Betatester, wenn das ganze soweit ist

Die 1.5mA sind m.E. erträglich, macht am Tag 30mAh, in der Woche 0.21Ah, nach 5-7 Jahren wären meine Zellen leer. Damit kann ich leben. Irgendwann in der Zwischenzeit lade ich garantiert mal nach

[I.C.H.]

Alle Zellenmodule sind über einen 1-Draht-Datenbus miteinander und mit dem Master verbunden.

So wie ich das jetzt verstehe wird das mit EINEM Draht nicht gehen. Die One-Wire-Technik hat m.E. Massebezug, was hier ja wegfällt, da jedes Zellen-Modul offenbar eine "eigene" Masse hat. Folglich muß die Kommunikation zum Master-µC galvanisch getrennt sein. Eine Möglichkeit wäre eine Dioden-Kette über Optokoppler, wobei dann min. 2 Drähte nötig wären, und dies wäre dann nicht bidirektional. Fiel mir gerade auf und ich hoffe es hilft weiter...