Akkuüberwachung im Eigenbau

[Sebastian]

Da mir aktuell am Markt erhältliche BMS zu teuer sind, ich aber nach einer überladenen Zelle trotzdem gerne eine Überwachung jedes einzelnen Akkus hätte, wollte ich mir selbst ein Überwachungssystem für LiFePo Zellen bauen.

Im Prinzip sollte das ja nicht so kompliziert sein - es müssen ja nur 30 Spannungswerte erfasst werden. Dies geschieht über 4 ADCs der Type MCP3008, welche über je 8 Kanäle mit 12 Bit Auflösung verfügen. Das heißt, ein Spannungswert von 0 bis 5V kann in 4096 Schritten erfasst werden. Da die Akkus aber bereits ab der 2. Zelle eine wesentlich höhere Spannung aufweisen, ist ein Spannungsteiler notwendig, welcher die Zellspannungen in eine messbare Größe bringt. In diesem Fall habe ich einen Teiler von 100kOhm und 4.7kOhm gewählt, was einer maximal messbaren Spannung von 106,4V entspricht.
Damit sich alle Eingänge gleich verhalten, werden überall die selben Widerstände verwendet. Lediglich bei der letzten Zelle wird der Widerstand auf 4k3 verkleinert, da die Maximalspannung etwas über 106V liegen könnte. Durch die hohe Auflösung der ADCs ergibt sich auch mit dem Spannungsteiler eine Genauigkeit von 0.025V (=25mV) pro Schritt, was ausreichend ist.

Als "Gehirn" wird ein Arduino Micro verwendet, welcher die aktuellen Werte über ein 16x2 LCD ausgibt. Es wird dabei die höchste und die niedrigste Zellspannung angezeigt, weitere Anzeigemodi (alle Zellen durchlaufend, usw.) kommen noch. Da dieses System nicht direkt in das Zellbalancing eingreifen kann, aber vor Überladung schützen soll, wird bei Überschreitung von 3.95V an einer Zelle ein Relais geöffnet, welches das Ladegerät vom Netz trennt. Weiters wird es darüber möglich sein, die Ladung zeitgesteuert zu starten und zu beenden.

Im folgenden Video stelle ich das System kurz mithilfe einiger 9V Blockbatterien als Ersatz - Batteriepack vor. Mit dem Ergebnis bin ich vorerst zufrieden

http://www.youtube.com/watch?v=OaTZ5jH2Ly8


Die Schaltung sowie das Programm stelle ich gerne zur Verfügung, falls noch jemand preiswert eine Einzelzellüberwachung bauen möchte. die Kosten bewegen sich unter €100.

Viele Grüße,
Sebastian

[dexter]

Schön gemachter Spannungsmonitor. Spannungsmonitore kosten zwar eigentlich auch fertig nicht soviel, dass sich der Selbstbau finanziell lohnt, bspw.
http://litrade.de/shop/BMS-Balancer/BMS ... sgang.html
...x 2 = 160 Euro.

Selber entwickeln macht aber natürlich mehr Spaß und öffnet mehr Möglichkeiten. Unterspannungsalarm und Ah-Messung würde als nächstes Sinn machen.

Du schreibst zum Video, dass Du Lastmodule gegen Überladung verwendest. War davon eins defekt, falsche Schwellspannung, oder wie kam es zur Überladung?

[Sebastian]

Danke. Hatte ich noch gar nicht gesehen, dass es sowas fertig auch gibt, aber wie du schreibst es macht ja auch Spaß so etwas selbst zu entwickeln. Außerdem möchte ich noch ein paar Zusatzfunktionen wie zeitgesteuerte Ladung etc. einbauen.

Wie es zur Überladung kam kann ich nicht genau sagen, ich vermute mal die Zelle wurde erst tiefentladen, wodurch sie Schaden genommen hat und kam beim nächsten Ladevorgang erreichte sie die maximale Spannung bereits während des Schnellladevorgangs, wodurch das Lastmodul den hohen Strom nicht ableiten konnte. Kaputt war die Zelle zu dem Zeitpunkt aber ohnehin schon, also war es eigentlich die Entladung welche die Zelle zerstörte. Das lässt sich damit ja auch verhindern.

Einen Ah - Zähler hätte würde ich auch noch gerne realisieren, jedoch bin ich mir noch nicht sicher wie - fällt an den Zellenverbindern genügend Spannung ab um damit eine Strommessung durchführen zu können?

[bm3]

Hallo Sebastian,
hast du sehr schön gemacht Hat das Zeug zu einem Volks-Forums-Monitor/BMS ! Von dem chinesischen Mist habe ich auch mittlerweile schon die Nase dermaßen voll...
Bei einem BMS ist immer wichtig der Ruhestromverbrauch aus dem Akku. In deinem Fall ist es grob der Spannungsteiler mit etwa 10MOhm.Kommt da noch viel dazu ? Ich habs nicht richtig verstanden, welche Balancerschaltung nimmst du oder ist es nur eine Überwachung ohne Balancing und die ist unabhängig auf den Zellen montiert ?
Soviel Zeit wie du habe ich bisher noch nicht investiert, was ich hier habe ist aber ein Eigenbau-Balancer auf Lochrasterplatte für 8 LiFePo4-Zellen der auch einige Ampere pro Zelle verbraten kann . Als Transistoren habe ich dafür normale Power-Darlingtons genommen die ich je nach Kühlkörpergröße bis zu 10A und mehr durchsteuern kann. Mit Fets ist das bei der Spannung schwierig. Die Ansteuerung übernimmt allerdings ein analoges Teil, der ICL7665 der mit 4 zusätzlichen Widerständen schon eine Zelle überwachen kann.
Die Durchsteuerung für den 24V-Motor (Rasenmäher ) mit bis zu 40A mache ich über ein Leistungs-Fet-Array mit 6 Fets.Läuft problemlos. Ich bin natürlich auch interessiert an deiner kompletten Schaltung, der Firmware und auch dem Leiterplattenlayout wenn es fertig und erprobt ist.

Viele Grüße:

Klaus

[Sebastian]

Danke dir

Nun, derzeit dient es einmal nur dem Monitoring und greift nicht ins Balancing ein, da ich bereits Lastmodule drauf habe. Natürlich wäre es auch denkbar es dahingehend zu erweitern, dass auch ein Balancing digital stattfindet - was aber insofern noch keine Verbesserung zu den Lastmodulen darstellen würde, solange nicht auch mit dem Ladegerät kommuniziert wird.

Zum Ruhestromverbrauch... der ist derzeit zugegebenermaßen etwas hoch. Bei dem Spannungsteiler mit 10MOhm hatte ich zwar nur 10µA Stromaufnahme, aber Fehler in der Messung, da der ADC scheinbar doch vergleichsweise viel Strom für die Messung zieht ... Daher arbeite ich nun mit 100+4.7kOhm, was bei der höchsten Zellspannung einen Ruhestrom von etwa 1mA zur Folge hat. Dadurch verliere ich in 67 Tagen ca. 1%SOC. Ist für mich vertretbar, aber doch ein wenig viel. Das ließe sich natürlich verbessern wenn man differentielle ADCs mit Gruppierungen von je 4 Zellen o. Ä. verwenden würde, was aber wiederum den Preis erhöhte.

[dexter]

Einen Ah - Zähler würde ich auch noch gerne realisieren, jedoch bin ich mir noch nicht sicher wie - fällt an den Zellenverbindern genügend Spannung ab um damit eine Strommessung durchführen zu können?

Der übliche Weg ist über einen eingeschleiften Shunt, hat den Vorteil dass Du einen sehr genauen Widerstandswert bekommst. Zellverbinder sollten im Idealfall einen so kleinen Widerstand haben, dass daran kaum was abfällt. Aber Versuch macht kluch, also mess doch mal.

[bm3]

Etwas eleganter wäre einen Hallsensor zu nehmen.Die geben eine zum Strom proportionale Spannung raus mit entsprechendem Vorzeichen. Beispielsweise -5V- 0V - +5V .Versorgen kann man ihn mit einem Mini-DC/DC-Wandler z.B. Traco etc..

[Sebastian]

Danke für eure Antworten, ich werde mal versuchen ob ich am Zellverbinder eine messbare Spannung rausbekomme.

Das System wurde nun jedenfalls einmal mit dem vorderen Teil der Akkus verbunden, Ergebnis: soweit zufriedenstellend

http://www.youtube.com/watch?v=lJnuaejsyz4

[Sebastian]

Kleines Update:

Nachdem heute bereits meine Bestellung bei Digikey vom Sonntag angekommen ist, wo auch der Stromsensor dabei war, machte ich mich gleich an den Einbau. Wie zu erwarten war der Spannungsabfall am Zellenverbinder kaum messbar, und so ist es ohnehin viel genauer als mit einem Shunt und preiswert noch dazu. Der Sensor (Datenblatt) L06P800S05 (DigiKey bietet leider nur die 800A Version an) passt perfekt um meine Kabel und misst trotz des vergleichsweise geringen Stromes sehr genau. Lediglich durch die nur 10 Bit Auflösung an den Arduino Eingängen bewegt sich ein Schritt schon bei ca. 2.5A, was aber auch nicht so schlimm ist. Bin begeistert von dem Teil, vor Allem benötigt es keine bipolare Versorgungsspannung (nur +5V) und kostet es auch nicht einmal 20€.

Aus dem gemessen Strom wird dann genau jede Sekunde der entsprechende Ah - Wert berechneet (also /3600) und vom "Kontingent" von 160Ah abgezogen. Mal sehen wie genau das ist und wo ich mich spannungstechnisch bei ca. 20Ah so bewege, ich denke mal ich werde auf 140-150Ah sicher nutzbare Kapazität runtergehen.

(Die Spannungen derzeit nicht beachten)

Mit dem Knopf kann man die Kapazität über ein kleines Menue entweder Resetten, Manuell reduzieren oder in den EEPROM Speicher übertragen (ja, nicht sonderlich benutzerfreundlich dass dies manuell gemacht werden muss aber was solls )

Nun habe ich noch eine Frage:

Bei mir sind derzeit diese Balancer verbaut. Schwellenspannung zwischen 3.72V und 3.74V. Das ist mir etwas zu viel, bei dort erwähnter Berechnungsmethode käme ich auf ca. 111V Ladeschlusspannung, was mir zu hoch ist, da es die Zellen sicherlich doch etwas belastet oft auf über 3.7V geladen zu werden. In der Erklärung zu den Modulen wird eine Senkung der Schwellenspannung durch Kurzschließen von R2 erwähnt. Hat das schon jemand versucht bzw. Erfahrung mit den Modulen? Etwas über 3.6V pro Zelle, dafür besser ausbalanciert sollten locker reichen, da jenseits der 3.5V ohnehin kaum mehr Kapazität zu holen ist.

Danke für Eure Antworten!


Gruß,
Sebastian

[dexter]

Aus dem gemessen Strom wird dann genau jede Sekunde der entsprechende Ah - Wert berechnet

Prima Lösung. Ich würde die Samplerate noch auf 1/10 oder 1/20 Sekunde erhöhen, in einer Sekunde kann viel passieren.

Schwellenspannung zwischen 3.72V und 3.74V. Das ist mir etwas zu viel

Definitiv, 3,7 ist zu hoch, da würde ich dann auch eher das Problem der abgerauchten Zelle vermuten. 3,65 wäre IMO noch OK, 3,6 ist Long-Life-Programm, warum nicht wenn Dir die Kapazität reicht.

Kann zu den Modulen nichts sagen, aber den R2-Tweak kannst Du ja mit einem Labornetzteil leicht testen. Aber ein Satz selektierter Balancer kostet Dich auf die Dauer evtl. weniger Nerven...