LiPo Ladegerät mit Balancer - Eigenbau

Q-Man

Erfahrener Benutzer
#1
Hallo,

Ich habe mir einen simplen und dennoch sicheren 3S Lipo Lader mit passendem Balancer gebaut.
Vielleicht sucht jemand ja genau so eine Idee für sein eigenes Projekt, oder möchte ihn einfach nachbauen.

Die Ladeschaltung ist für 15V Eingangsspannung ausgelegt, mit größerem Kühlkörper auch mehr. Der Ladestrom beträgt maximal 1,5A. Die Spannungsregelung über einen LM317 läßt sich mit dem Trimmer fest auf 12,60V einstellen. Der 0,1Ohm Wiederstand dient als zusätzliche Strombegrenzung indem er die Spannung am Spannungsteiler senkt.
3S-Lipo-Lader.gif


Das ist ein Balancer für eine Zelle. Die Eingangsspannung beträgt 3,0 bis 4,2V. Der OP vergleicht die 2,5V Referenzspannungdie der LM385 erzeugt mit der Spannung am Spannungteiler. Man stellt den Spindeltrimmer so ein, das bei 4,20V eine Spannung von 2,5V erzeugt wird.

Der OP ist ein LM358 der schon bei 3,0V arbeitet, also ideal für LiPos. Der Verstärkungfaktor liegt bei 100.
Das heist 10mV unterschied zwischen Messspannung und Referenzspannung erzeugen 1V Ausgangsspannung.
Damit kann man "sanft" balancen und erzeugt keine Schwingungen.

Der Ausgang kan nur sehr wenig positiven Strom liefern, da es intern zwar einen PullUp gibt, die Schaltung aber eher als Open Colletor ausgelegt ist habe ich eine Diode in Sperrrichtung an den Ausgang gelegt und einen eigenen 180Ohm PullUp, der genug Strom für den N-Kanal MOSFET (BUZ11 30V/50A/75W) liefert. Ohne Diode würde die LED immer leuchten.

Der 2,7Ohm (10W) Lastwiederstand begrenzt den maximalen Strom auf 1,55A bei 4,2V. Die Verstärkung am BZU11 beträgt hier bei so geringen Spannungen und Strömen etwa 1A je 250mV.
Balancer Strom.jpg

Ein 30K/W Kühlkörper für den MOSFET reicht vollkommen aus.
Balancer.jpg

Um einen 3S Balancer zu erhalten muss man den 1S Balancer 3mal aufbauen.
Oberseite:
IMG_1391.JPG

Unterseite:
IMG_1394.JPG
 
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Q-Man

Erfahrener Benutzer
#2
Zwischen den 3 einzellnen Balancern kann man die Brücken erkennen.
Masse des B1 ist Plus des B2.
Masse des B2 ist Plus des B3.
 

MGR

Propellerquäler
#3
Hui, das sieht Spitze aus. Ohne jetzt viel von Elektrotechnik zu verstehen, wie funktioniert hier die Abschaltung am Ende des Ladevorgangs? oder ist das (mir scheint das CV laden zu sein) einfach "sicher" weil eh nicht mehr als 12.6V rauskommen?
 

Q-Man

Erfahrener Benutzer
#4
Es ist eigentlich soger ein IU-Ladeverfahren (CCCV): constant current constant voltage
cc-cv.jpg
Bis tL wird der Strom auf ca. 1,5A begrenzt, da die Ladespannung noch nicht die 12,6V erreicht hat und deutlich mehr Strom fließen könnte. Ab tL liegen 12,6V am Akku er wird aber mit fortschreitender Ladung immer weniger Strom aufgenommen. Ab einem gewissen Mindestwerk ist der Akku voll und der Leckstrom wind in Wärme umgesetzt. Zu diesem Zeitpunkt kann man den Ladevorgang abbrechen.

Ich habe das Ladegerät für den Betrieb an einem Solarpannel konzipiert, es wird Tagsüber geladen und nachts eine Lampe betrieben. Damit der Lipo das längere Zeit mit macht darf man mit nicht mehr als C/4 laden. Also passend für meinen 6Ah Lipo.

Ich möchte aber auf jeden Fall betonen, das zwingend ein Balancer verwendet werden muss, sonst wird mindestens eine Zelle mit der Zeit überladen und irreversibel zerstört.

Zur Einstellung möchte ich noch folgendes Erklähren.
Das Ladegerät stellt ziemlich genau 12,60V zur Verfügung. Der Balancer muss aber einen ticken geringer eingestellt werden: 4.196V je Zelle damit noch über 1A Strom (durch den Balancer statt der Zelle) in die nicht geladene Zelle gelangt.

Am Ende, wenn alle Zellen 4.196V erreicht haben, wird der Strom nur noch im Balancer verheizt.
Das ist also Ökologisch nur sinnvoll wenn der Strom wie hier Solar erzeigt wird.
 
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Q-Man

Erfahrener Benutzer
#5
Es kam die Frage auf ob man das Ladegerät auch auf 4S und 5A umrüsten kann.
Ich möchte hier Antworten, da es vielleicht noch nehr interessierte gibt:

Teil 1: Das Ladegerät:

Um von 1,5A auf 5 A zu kommen muss man den LM317 durch einen LM138 (Imax=5A) ersetzen. Dabei muss der Kühlkörper aber deutlich größer ausfallen.
Datenblatt

Ich versuche es einfach zu beschreiben:

Maximale Leistung des LM138 sind 50W. Bei 5A wären das 10V unterschied zwischen Eingang- und Ausgangsspannung(Uea). Laut Datenblatt muss diese Spannungsdifferenz mindestens Uea=3V betragen.

Der Lipo hat absolut ausgepowert 3,0V und vollkommen geladen 4,2V. Bei 4S entspricht das 12V/16,8V.

Eingangsspannung = 4S Lipo(voll) + Uea = 16,8V + 3V = 19,8V, sagen wir rund Ue=20V.

Bei Ladebegin beträgt Ueamax = Ue - 4S Lipo(leer) = 20V - 12V = 8V

Die umgesetzte Leistung beträgt dabei Ptot = Imax * Ueamax = 5A * 8V = 40W

Rechnerisch ist es also möglich!

Die maximale (Chip) Temperatur darf Tjmax=150°C betragen, aber ich würde nicht mehr als Tj=125°C anwenden um die Langzeitstabilität zu gewährleisten.
Bitte auch die TO-3 Bauform (LM138K) (Chip zu Gehäuse: Rjc=1°K/W) verwenden, die Wärmeübertragung ist besser.

Jetzt berechnen wir den Kühlkörper:
Rth(Kühlkörper) + Rjc = Tj / Ptot = 125K/40W = 3,125K/W
Rth(Kühlkörper) = 3,125K/W - Rjc = 3,125K/W - 1K/W = 2,125K/W
Der Kühlkörper muss also besser (kleiner) als 2,125K/W sein.

Ich würde diesen vorschlagen:
Kühlkörper 1.8 K/W (L x B x H) 75 x 88 x 35 mm Marke Fischer Elektronik SK 08 75 SA


Teil 2: Der Balancer:

Die Einzelschaltung muss 4 mal gebaut werden.
Natürlich muss auch hier auf den höheren Strom geachtet werden.

Der Lastwiderstand muss die 4,2V je Zelle auf 5A begrenzen: RL=U/I = 4,2V/5A = 0,84Ohm (P=4,2V*5A =21W)
Ich würde 4 parallel geschaltete 3,3Ohm/5W Widerstände verwenden, das ist noch bezahlbar:

Hochlast-Widerstand 3.3 Ω axial bedrahtet 5 W VitrOhm KH208-810B3R3 1 St. zu 0,65€ das Stück.

Damit wird der Widerstand zwar nominel überlastet, aber das sollte kein Problem darstellen.

Der BUZ11 produziert die meiste Abwärme wenn der Innenwiderstand dem Lastwiederstand gleicht: Rfet=RL
Dabei liegt jeweils die halbe Spannung an, und der Strom halbiert sich:
Ptot = U*I = 4,2V/2 * 5A/2 = 2,1V * 2,5A = 5,25W

Jetzt berechnen wir den Kühlkörper:
Rth(Kühlkörper) + Rjc = Tj / Ptot = 125K/5,25W = 23,8K/W
Rth(Kühlkörper) = 23,8K/W - Rjc = 23,8K/W - 1,67K/W = 22,14K/W
Der Kühlkörper muss also besser (kleiner) als 22,14K/W sein.

Der Kühlkörper 20 K/W (L x B x H) 30 x 25.4 x 12.7 mm TO-220 Marke ASSMANN WSW V8502A ist vollkommen ausreichend.


Viel Spaß beim Nachbau!
 

Susbi

Neuer Benutzer
#6
Ok, danke dir für deine kompetente antwort.
Aber eine frage bzw. bitte hab ich noch, kannst du bitte für mich und vielleicht andere user eine teile liste zusammenstellen ??

Danke dir im voraus
 

Q-Man

Erfahrener Benutzer
#7
Bauteile

Die Bauteilliste enthällt beide Versionen.
Wenn nichts eingetragen ist gild der Wert der linken Spalte (1.5A) auch für die rechte (5A)

Ich habe den Spannungsteiler des Balancer ein eine Größenordnung geändert.
Der Balancer braucht dann zwar mehr Strom, wird aber robuster.

Bauteilliste.jpg

Ich habe die 5A Version nicht gebaut, sondern nur berechnet, also bitte vorsichtig in Betrieb nehmen.
Und das ich keine Verantwortung übernehmen kann, sollte auch klar sein.
 

Q-Man

Erfahrener Benutzer
#8
In Betriebnahme

Zum Einstellen einen Lipo anschließen!

Last: Verwendet einen 100µF, 50V Elko mit einem parallel geschalteten 330Ohm Widerstand: (Tau=3*R*C=10ms)

Das Ladegerät:
1)Last anschließen

2)Mit dem Trimmer auf 12,60V einstellen.
Bitte mit verschiedenen (hochohmigen) Messgeräten kontrollieren! z.B. Multimeter, Osziloskop, Lipo-Tester


Der Balancer:

1)Last anschließen

2) Spannungsquelle mit 4.20V anschließen.
Bitte mit verschiedenen (hochohmigen) Messgeräten kontrollieren! z.B. Multimeter, Osziloskop, Lipo-Tester

3)Mit dem Trimmer die LED gerade zum leuchten bringen.

4) Spannungsquelle auf 4.196V regeln (4.19V geht auch)
Die LED muss aus sein! Wenn nicht mit dem Trimmer nachregeln.

5) Spannungsquelle wieder auf 4.2V stellen, die LED MUSS leuchten.
Wenn nicht mit dem Trimmer nachregeln. Die Ladeendspannung wird dann ein wenig geringer sein.

6) Die Spannung auf 4.3V einstellen und den Strom kontrollieren, es sollten eigentlich 5A sein


Gesamttest:

1) Lipo Anschließen und (genau gehenden) Zellenspannungswächter anschließen.

2) Lipo Laden und jederzeit der Lipo trennen können!
 

mario123456789

Erfahrener Benutzer
#9
Genial ich spiele auch schon seit langer Zeit damit mir ein komplettes Ladegerät mit verschiedenen Lade Modi zu bauen. Aber irgendwie fehlten immer die Ideen , aber jetzt ist es wieder realistischer geworden.
 

Q-Man

Erfahrener Benutzer
#10
Freut mich, das ich die Anregungen geben konnte.

Ich baue gerne diskret und nicht mit ICs die keinerlei Anpassung mehr gestatten.
Dafür wird es dann aber auch größer und weniger Effizient.
Dafür kann man aber alles auf den Punkt genau an die eigenen Gegebenheiten anpassen.
 

Q-Man

Erfahrener Benutzer
#11
Als Beispiel möchte ich noch das kleine 1S Ladegerät für meine Fly-Cam nennen.
Das habe ich hier schon mal Beschrieben.

Ich nutze das leichte Ladegerät im Flug (auf dem F550) jetzt seit fast einem Jahr und hatte nie mehr Probleme mit einen leeren Camera Akku im Flug.
 
#12
der balancer scheint komplizierter su sein als der lader ... kann ich auch den lader bauen und mit einem handelsueblichen balancer balancen?


Ist der ladestrom genau 15V oder bis zu 15V?
 
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mario123456789

Erfahrener Benutzer
#13
Der Ladestrom wird in Ampere gemessen. Was du meinst ist denke ich die Ladeschlussspannung die wird in Volt gemessen und ist bei einem Lipo Akku 4,2 Volt pro Zelle das heißt bei einem 3s-Akku insgesamt 12,6 V, bei einem 4s-Akku 16,8 V.
Ein Lipo-Akku wird nach dem Cc-Cv Verfahren geladen. Das steht für Constant Current- Constant Voltage.
Das bedeutet am Anfang lädt man mit einer Strombegrenzung, die du festlegst. Das ist der Ladestrom. Die Spannung regelt sich in dieser ersten Phase von alleine, da du eine Strombegrenzung hast (Ohmsches Gesetz).
In der zweiten Phase hast du eine Spannungsbegrenzung, die du festlegt. Die legt man normalerweise auf die Ladeschlussspannung, der Strom regelt sich in dieser Phase wieder von selbst. Da Ohmsches Gesetz.

Ja du kannst laden mit der oben beschriebenen Methode und zusätzlich mit einem externen Balancer balancen. Das machen manche auch mit einem handelsüblichen Gerät. Es ist denke ich etwas ineffizienter, da ja das Ladegerät teilweise direkt in den Balancer rein lädt und der Ladevorgang, während dieser Zeit nicht gestoppt wird.
 
#14
Der Ladestrom wird in Ampere gemessen. Was du meinst ist denke ich die Ladeschlussspannung die wird in Volt gemessen und ist bei einem Lipo Akku 4,2 Volt pro Zelle das heißt bei einem 3s-Akku insgesamt 12,6 V, bei einem 4s-Akku 16,8 V.
Ein Lipo-Akku wird nach dem Cc-Cv Verfahren geladen. Das steht für Constant Current- Constant Voltage.
Das bedeutet am Anfang lädt man mit einer Strombegrenzung, die du festlegst. Das ist der Ladestrom. Die Spannung regelt sich in dieser ersten Phase von alleine, da du eine Strombegrenzung hast (Ohmsches Gesetz).
In der zweiten Phase hast du eine Spannungsbegrenzung, die du festlegt. Die legt man normalerweise auf die Ladeschlussspannung, der Strom regelt sich in dieser Phase wieder von selbst. Da Ohmsches Gesetz.

Ja du kannst laden mit der oben beschriebenen Methode und zusätzlich mit einem externen Balancer balancen. Das machen manche auch mit einem handelsüblichen Gerät. Es ist denke ich etwas ineffizienter, da ja das Ladegerät teilweise direkt in den Balancer rein lädt und der Ladevorgang, während dieser Zeit nicht gestoppt wird.
also ich meinte die eingangsspanung fuer das ladegeraet ... was fuer ein netzteil brauche ich denn dafuer? 15V solange es ueber 12.6V ist??
 
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Q-Man

Erfahrener Benutzer
#15
Die Eingangsspannung sollte nicht niedriger sein.

Die Eingangsspannung kann natürlich auch höher sein, dabei wird aber mehr Wärme in Spannungsregler umgesetzt. Mit Anpassung des Kühlkörpers geht das auch.

Die Maximale Temperatur darf Tj=150°C erreichen, bei Ta=25°C Umgebungstemperatur erhällt man fur den benötigten Kühlkörper Rk, bei P=(Ui-Ua)*I


Rk [K/W] = (Tj-Ta [K]) / ((Ui-Ua)*I [W])
= 125 / (Ui-12.6V)*1.5A

Eingangsspannung / Kühlkörper
15V / 24,7K/W
20V / 11,3K/W
25V / 6,7K/W
 
#16
Koennte man fuer einen 3S akku auch 3 solcher schaltungen bauen und dann die 3 zellen gleichzeitig laden und das ganze an 12V anschliessen, weil man ja dann nur 4.2, nicht 12.6 ausgibt? Oder muessen dann die spannungsteiler geandert werden.

man spart sich dann auch den balancer...
 

Q-Man

Erfahrener Benutzer
#18
Hallo Tx2000,
man kann zwar 3 solcher laden verwenden, diese dürfen aber nicht an der selben Spannungsversorgung hängen.
Der Grund ist die 3S Schaltung. das ist wie folgt. Bitte beachte, dass von rechts nach links alles elektrisch verbunden ist.

[table="width: 500, class: grid, align: left"]
[tr]
[td]Stecker[/td]
[td]Balancer[/td]
[td]Lipo-1[/td]
[td]Lipo-2[/td]
[td]Lipo-3[/td]
[/tr]
[tr]
[td]PLUS[/td]
[td]rot[/td]
[td]+[/td]
[td][/td]
[td][/td]
[/tr]
[tr]
[td][/td]
[td]weiss[/td]
[td]-[/td]
[td]+[/td]
[td][/td]
[/tr]
[tr]
[td][/td]
[td]weiss[/td]
[td][/td]
[td]-[/td]
[td]+[/td]
[/tr]
[tr]
[td]MINUS[/td]
[td]schwarz[/td]
[td][/td]
[td][/td]
[td]-[/td]
[/tr]
[/table]

Wenn du jetzt von nur einer Spannungsversorgung 2 Ladegeräte mir Strom versorgst, sind die Minus-Leitungen direkt miteinander verbunden. Damit würdest du die einzelnen Lipo Zellen kurzschließen!

Du kannst natürlich jede Zelle einzeln nacheinander Laden.
 

Q-Man

Erfahrener Benutzer
#19
Ich habe auch schon darüber nachgedacht, wie ich den Balancer einsparen kann. Meine idee ist es 3 Netzteile (3VAC/1,5A/4,5W) mit jeweils eigenem Trafo zu bauen.

Tx2000 hat es zwar nicht gesagt, aber ich denke er möchte den Lipo direkt an Auto (12V) laden.
Auch dafür habe ich eine Idee. Über 3 Übertrager (Trafo) werden 3 galvanisch getrennte Ladegeräte gebaut.
Also 12V DC(auto) > 12V AC (zerhacker) > 3V AC (Trafo) > 5,5V DC (Brückengleichrichter) > 4,2V DC (Ladegerät)
 
#20
Hallo,

ich möchte die Balancerschaltung gerne nachbauen, da ich für meinen LiFePo4 Akku (bestehend aus 8 Einzelzellen) jeweils Balancer benötige, die bereits bei 3,45-3,50 Volt zu "arbeiten" beginnen. Die kommerziell erhältlichen Lastwiderständen gibt es in der Regel erst ab 3,6V aufwärts, meist arbeiten diese erst jenseits von 3,7-3,75 V wirklich sinnvoll.

Meine 8 Einzelzellen hängen an einem einstellbaren Solarregler, der, sagen wir jetzt mal, bei 8x3,45V= 27,6V den Ladestrom abregelt. Das hat in den letzten Monaten immer zuverlässig funktioniert und ich möchte dies weiter so handhaben.

Verständlicherweise sind die 8 Einzelspannungen bei "Ladungsende" nicht zu 100% gleich. Hier sollen die Balancer die überschüssige Energie in Wärme "verheizen".

Soweit zum geplanten Einsatzzweck und meinem Motiv, warum ich die Schaltung gerne nachbauen möchte.

Ich muss zugeben, dass ich viele Sachen im Schaltplan nicht verstehe und es mir schwer fällt eine "Abwägung" zu machen, auf welche Fragen ich mich jetzt wirklich beschränken sollte. Ansonsten müsste ich wohl einen sehr langen Fragenkatalog aufstellen :) und das würde wahrscheinlich die Geduld von vielen Elektronikfachleuten sprengen.

Deshalb lassen wir mal den Eingangsspannungsteiler, die Referenzspannung sowie den OP in Gedanken weg. Dann "liegen" an der Eingangsspannung noch die beiden ganz rechts gezeichneten Parallelstränge (PullUp+Lastwiderstand)

Wenn ich es richtig sehe, ist der Widerstand des BUZ11 zwischen 1 und 3 generell sehr hoch,egal ob die Strecke 2-3 durchgeschaltet ist oder eben nicht. Müsste dann auch nicht fast die komplette Eingangsspannung an der Strecke 1-3 am BUZ abfallen und dieser ab ca. 3 V leitend werden?

Wie gesagt, ich gehe jetzt mal davon aus, dass der OP nicht arbeitet, weil die "Balancespannung" von sagen wir mal 3,5V noch nicht erreicht ist. Dann kann die Schaltung doch so wie ich oben versucht habe zu beschreiben, vereinfacht werden - oder habe ich hier schon ein Verständnisproblem?

All meine anderen Fragen lasse ich jetzt mal beiseite, den erfahrungsgemäss bringt jede neue Antwort wieder auch neue Sichtweisen und einige "Probleme" lösen sich dann wie "von alleine". Leider tauchen dann aber auch meist neue Fragen auf .... :)

Vielen Dank schon mal für Eure Hilfe.

Gruss

Heinz
 
FPV1

Banggood

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