10.09.2004 Lipo Monitor/Balancer

Nachdem ich nun einen LiPo Akku schon einige Zeit einsetze, wollte ich etwas mehr über die Charakteristik der Zellen lernen. Dazu stellte ich an jedem parallel Zweig eine Verbindung zu einem Teststecker her. Normalerweise wird das gemacht, um die sogenannten Balancer anzuschließen. Das sind Entladewiderstände, die sich ab einer definierten Spannung zuschalten.

Im Prinzip kann man so problemlos laden. Allerdings verschweigen einem die Balancer doch etwas, wie es um den Akkus steht, und sie haben auch keine Möglichkeit sich bei extremen Abweichungen warnend bemerkbar zu machen. Außdem ist es sehr schwierig die Referenzen genau abzugleichen, so dass die Zellen auch wirklich auf der gleichen Spannung gehalten werden. Selbst die besten Referenzen haben Abweichungen, die sich schon in nicht unerheblichen Differenzen in der Abschaltspannung bemerkbar machen.

Normalerweise ist es zudem überhaupt nicht notwendig die Zellen zu balancieren, denn wenn mit dem Entladen und Laden nicht übertrieben wird, bauen sich von alleine kaum Differenzen auf.

Der Lipo Monitor/Balancer unterstützt nun die folgenden Funktionen:

- Einzelzellenüberwachung auf Grenzwerte
- Messen der maximalen Abweichung in einem Pack
- Prüfen aller Verbindungen
- Abschalten des Ladestromes im Falle unzulässiger Bedingungen
- akustische Warnung bei gefährlichen Bedingungen ( z.B.  Überspannung trotz Abschaltung )
- Balancieren falls nötig

Da ich das Gerät sowohl zuhause an einem regelbaren Netzteil, als auch unterwegs mit dem Schulzelader einsetzten möchte, enthält das Gerät keine Stromquelle, sondern wird einfach zwischen Akku und Ladegerät geschaltet. Die Versorgung geschieht aus dem Akku, so dass z.B. für das Balancieren nach dem Ladevorgang keine externe Stromquelle erforderlich ist.

Als Controller kommt ein Atmel 8535 zum Einsatz, nicht weil der besonders geeignet wäre, sondern mehr weil ich noch ein paar von VStabi übrig hatte. Die Relais werden jeweils mit einem Transistor über ein 4094 Register angesteuert. Da alles nicht besonders schnell gehen muß ist das so mit besonders wenig Verkabelungsaufwand möglich. Als AD Konverter kommt der bewährte LTC1298 zum Einsatz, der 12 Bit Auflösung hat. Das ergibt eine Auflösung von ca 1mV beim Messen der Einzelzellen, was mehr als ausreichend ist. So genau wird kein käuflicher Balancer sein können. Die Analogspannung wird nochmal extra gefiltert.

Als Referenzspannung dient hier die 5V Versorgung, was sicher noch nicht optimal ist, da aber da immer mit derselben Referenz gemessen wird, ist die Vergleichbarkeit der Meßwerte außerordentlich gut. Das ergibt eine Abweichung von weniger als 1 Promille beim balancieren.

Die Software beginnt den Ladevorgang mit dem Messen aller Einzelzellen sowie der Gesamtspannung einmal mit und einmal ohne Last. Nur wenn alle Zellen innerhalb von 3.0 bis 4.2 V liegen zieht das Laderelais an. Dann erfolgt alle 30 sec ein Meßlauf auf allen Zellen. Hierbei werden die Grenzen laufend überwacht. Außerdem wird eine maximale Abweichung der Zellenspannungen berechnet.
Erreicht die Zelle mit der höchsten Spannung 3.95V, wird mit dem Balancieren begonnen. Dazu wird nach dem Meßlauf die Zelle mit der höchsten Spannung für 10 sec mit 500mA belastet. Das setzt sich fort, bis die Gesamt Abschaltspannung erreicht wird. Das Laderelais fällt ab, sofern die Versorgung nicht bereits abgeregelt hat. Der Balanciervorgang läuft nun weiter, bis die Zellen auf 10mV gleiche Spannung haben.

Es zeigt sich, das bei meinem Pack (10S3P Schübeler 2050mAh) die Spannung nach dem Flug eine Abweichung von etwa 150mV haben. Das hört sich viel an, aber während der Ladung gleicht sich das wieder aus. Daran ist zu erkennen, das die Kapazitäten der Zellen etwas voneinander abweichen. Daher ist es nur sinnvoll den Pack zu balancieren, wenn er voll geladen ist. Der Spannungsanstieg ist dann auch am steilsten, so dass die Balance nach Ladeschluss recht schnell erreicht wird.



Ansicht der Platine.



Balancer/Monitor im Einsatz im Ladekoffer.

(C) Ulrich Röhr