Selbstbau BMS für Lithium Batterien:
Viele
dieser modernen Lithium-Batterie-Packs
erreichen niemals ihre mögliche Lebenszeit wegen schlechter,
schadhafter oder ganz fehlender BMS-Systeme. Ein gutes
professionelles BMS ist leider oft zu teuer. Es kontrolliert im Idealfall jede einzelne Zelle und schützt sie vor Überladung und Tiefentladung.
Der
übliche Batterietod bei Lithium-Batterie-Packs ist sehr ähnlich wie
bei den Blei-Säure-Batterien: Eine einzelne Zelle verliert zuerst
etwas an ihrer Kapazität durch den natürlichen Alterungsprozess.
Während einiger Lade-Zyklen wird der Abstand zu den anderen Zellen
exponentiell immer größer. Schon bald wird diese eine Zelle
entweder tiefentladen (typisch für Blei-Säure-Batterien) oder
überladen (ganz häufig bei Lithium-Batterien). Lithium Batterien
überleben nicht mal eine einzige Überladung. Sie blähen sich auf
und verlieren dann fasst ihre gesamte Kapazität.
Lithium
Zellen müssen also immer gut vor Überladung geschützt werden.
Dafür werden sogenannte „Balancer“ an jede einzelne Zelle
angeschlossen. Wenn die kritische Zellspannung erreicht wird,
verbraten sie einen Teil des Ladestroms, um die betreffende Zelle
immer unter der kritischen Spannung zu halten. Die Balancer müssen
gut an das Ladegerät angepasst werden, denn wenn das Ladegerät mehr
Strom liefert wie die Balancer wegschaffen können, werden die Zellen
trotzdem überladen.
Der
große Transistor im Balancer wird dabei warm und muss gekühlt
werden. Dafür macht es Sinn alle Balancer eher im Ladegerät zu
integrieren als im Akku-Gehäuse, wo sie leichter gekühlt
werden können. Dafür brauchen wir dann aber einen Zugang zu jeder
einzelnen Zellverbindung im Akku-Pack. Die Kabel dafür können recht
dünn sein, und so können wir sie alle am einfachsten in einem
kleinen Multi-Stecker kombinieren.
Diese
einfachen Balancer funktionieren mit Zehner Dioden und können recht
einfach nachgebaut werden. Die Schaltung benötigt nur 0,1mA im
Stand-By Modus und verbrät bei LiFePo4 (3,65V) etwa 800mA mit dem 47Ohm Widerstand vor
der LED. Mit diesen Widerstand können wir den Entnahmestrom leicht
anpassen. Der Arbeitspunkt lässt sich mit dem 10K Poti sehr exakt zwischen 3,4V und
4,2V einstellen. Zehner Dioden sind nicht wirklich
Temperatur-Konstant, darum lieber immer etwa 0,1V unter der
Maximalspannung bleiben. Der 220Ohm Widerstand gibt eine kleine
Hysterese von 0,02V um ein zu starkes Flackern der Schaltung zu
bremsen. Die LED blinkt zuerst und leuchtet voll wenn die Maximalspannung erreicht wird.
Nicht vergessen, der BD535
(NPN-Transistor) muss gut gekühlt werden.
Hier
seht ihr 4 Balancer zusammen in Reihenschaltung. Je mehr Zellen der
Akku-Pack hat, desto mehr Balancer brauchen wir.
In
diesem separaten und ansteckbaren BMS sind 16 einzelne selbstbau
Balancer untergebracht. Über einen selber eingebauten Multistecker wird das BMS mit
einem LiFePo4 E-Bike-Akku mit 48V verbunden. Die
Balancer überwachen beim
Laden über das normale Ladegerät jede einzelne Zelle und nehmen beim
erreichen der Ladeendspannung von 3,65V etwa 750mA aus der jeweiligen
Zelle heraus. Das reicht aus um den schwachen Zellen noch ein paar
Minuten Zeit zu geben bis auch sie richtig voll geworden sind. Nach
einigen Ladungen gleichen sich die Zellen aber immer mehr untereinander
an, was die Lebensdauer des Akkus entscheidend verbessert. Die Balancer
müssen also nicht beim Fahren mitgenommen werden, was Platz und Gewicht
spart. Je nach Akku-Zustand
reicht es oft auch so eine Ausbalanzierung immer nur nach ein paar
normal aufgeladenen Ladenzyklen auszuführen.
Ein Überlade-Regler im Ladegerät überwacht normalerweise die Gesamtspannung
des Akku-Packs und schaltet das Ladegerät ab wenn die maximale
Ladespannung erreicht ist. Nur ein Tiefentladeschutz muss noch im
Akku-Pack eingebaut werden. Das Spart Platz und Gewicht.
48V-
Tiefentladeschutz:
Ein
Tiefentladeschutz ist das letzte Glied in der Lithium-Überwachung.
Er verhindert dass der Akku zu weit entladen werden kann. Er schaltet
die Verbraucher bei Erreichen der Minimalspannung einfach ab.
Professionelle BMS überwachen dabei auch jede einzelne Zelle. Doch
bei noch guten Akkus genügt in der Regel einfach eine
spannungsgeführte Abschaltung des gesamten Akkus.
Die Schaltung hier
arbeitet mit mehreren Mosfets in Paralellschaltung, damit diese wegen
des (aus Platzgründen) sehr kleinen Kühlkörpers nicht zu warm
werden. Um versehentliche Abschaltungen bei Stromspitzen zu verhindern puffert ein großer Kondensator die Spannung an der ersten Basis. Wenn das nicht ausreicht kann die Abschaltspannung noch weiter runter gesetzt werden, denn die wirklich kritische Spannung, die zur Zerstörung der LiFePo4-Akkus führt liegt sehr tief.
Selbstbau
Lithium Lader:
Wenn
wir einen einfachen Spannungsverdoppler (z.B. mit einem TDA2003) mit den Balancern und einem Laderegler
verbinden, haben wir einen guten Lithium Lader für Akku-Packs von 3
bis 4 Zellen.
In
diesem Schaltbild sind alle 3 Komponenten auf einer einzigen Platine
untergebracht. Ganz ober der Spannungs-Verdoppler von 12 auf 24V, der
einen Ladestrom von etwa 1,5A schafft. Darunter der Überlade-Regler.
Abhängig
von der Anzahl der Zellen des Akku-Packs weren 3 oder 4
Balancer unten in Reihenschaltung hinzugefügt. Dabei sind Minus und
Plus der Balancer miteinander verbunden, genau wie auch die Lithium
Zellen im Akku-Pack. Mit einem Multi-Stecker werden dann alle
Zell-Verbindungen mit den Balancern verbunden. Die
gepunkteten Linien sind die Verbindungen auf der Rückseite der
Platine. Doppel- Linien sind Kabelbrücken.
Ja
nach Lithium-Zell-Typ muss die Maximalspannung der Balancer exakt
eingestellt werden. Bei LiFePo4 auf 3,65V, bei LiMnO2 auf 4,1V, bei
Li-Ion auf 4,2V. Die LED der Balacer wird bei Erreichen der Maximalspannung
zuerst anfangen zu blinken und nach einer Weile durchgehend leuchten.
Im
Idealfall sollte der Überlade-Regler des Ladegerätes den Ladestrom vom
Spannungsverdoppler spätestens abschalten, wenn alle Balancer
aufleuchten. Doch das klappt eigentlich nur, wenn die Zellen schon gut
ausbalanciert sind. Sind sie es nicht, leuchten beim Ende des
Ladevorgangs nur einer oder ein paar Balancer auf.
In solchen Fällen bitte immer nachmessen damit die betreffende Zelle dann doch nicht überladen wird. Zur Not kann man
eine Zelle manuell mit einem 2,4Ohm Hochlastwiderstand während des Ladevorgangs zusätzlich
entladen, damit die anderen Zellen Zeit haben nachzukommen.
Meistens
gleichen die Balancer aber mit nur ein paar wenigen Ladezyklen alle
Zellen schön aneinander an und verlängern die Lebensdauer der
Akku-Packs ganz enorm.
Alle
Transistoren müssen, gut voneinander isoliert, mit einem Kühlkörper
gekühlt werden. Am besten eignet sich hier das Gehäuse eines
kaputten Spannungswandlers.
Sehr
praktisch ist eine Lüsterklemmen-Leiste mit allen Anschlüssen der
Zell-Verbindungen für die Feineinstellung und zum einfachen
nachmessen mit einem Multimeter.
Der
Spannungsverdoppler, Überlade-Regler und 4 Balancer auf einer
Platine.
Lithium-Batterie-Pack
mit verpolungssicherem Schweizer-Stecker und kleinem 3-Pol
Dioden-Stecker (alte Audio-oder MIDI-Stecker-System) für die
Zellverbindungen. Ladegerät in einem alten Spannungswandler-Gehäuse
mit außenliegender Lüsterklemm-Leiste und LEDs zum einfachen
Nachmessen mit einem Multimeter.
Das Schaltgehäuse
eines Solar-Direkt Ladesystems für 48V-LiFePo4´s, darin befinden
sich 4 fette Umschalter, die auch eine Verwendung der Solarpaneele im
12V-Betrieb ermöglichen. Ein 2-Stufen Regler der nahe der
Ladeendsspannung mit Hochlaswiderständen den Modulstrom auf 600mA begrenzt, damit die
eingebauten Balancer vernünftig arbeiten können. Die zweite Stufe
schaltet das Modul dann komplett ab. Eine Schottky Diode verhindert Rückströme bei Nacht.
Ein
LiFePo4 Batterie-Pack mit 4 Zellen (min. 12,0V, normal 12.8V,
max.14,6V) kann also faßt genauso wie eine 12V Blei-Säure-Batterie
geladen und entladen werden. Sie sind deswegen für die Verwendung in Solar-Anlagen besonders interessant.
Hier
ein selbstgemachter Lithium-Batterie-Pack mit 8Ah für einen
Akkuschrauber. Damit kann man einen ganzen Tag lang arbeiten ohne
nachzuladen. Aber der Akkuschrauber wird dadurch natürlich etwas
schwerer.
Der
Akkupack hat einen Tiefentladeschutz mit im Gehäuse integriert und
kann so auch für alle anderen 12V-Verbraucher als Mobile Batterie
eingesetzt werden.