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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.