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Thema: Akku-Spannungsversorgung für autonome Geräte

  1. #1
    Benutzer Stammmitglied
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    Akku-Spannungsversorgung für autonome Geräte

    Hat sich schonmal jemand mit Li-Ion Akkus auseinander gesetzt?

    Erstmal ein kurz Abriss, was ich eigendlich vor hab:
    Ich möchte ein kleines Autonomes Fahrzeug (wie viele hier) bauen. Für die Versorgung der Motoren benötige ich 24V mit auch ein wenig Saft dahinter (1,5 bis 2 A wären nicht schlecht). Diese werden durch ein PWM Signal belastet. Gleichzeitig benötige mindestens 5V für die Elektronik, die dann auch halbwegs sauber bleiben soll (wegen der PWM). Gegebenenfalls wären noch 12V und 3V für Sensoren nachzulegen.

    Und nun habe ich eine menge Fragen, und hoffe, dass sich schon ein paar Leute mit ähnlichen Themen befasst haben. (Bin neu im Forum, konnte aber auf den ersten Blick kein passendes Thema finden:

    1.) Sind für so eine Leistug Li-Ionen Akkus übehaupt geeignet? (würde gerne Gewicht sparen und beiße dafür in den sauren Preisapfel)

    2.) Darf man Li-Ionen Akkus überhaupt in Reihe Schalten?

    3.) Hat jemand schonmal Schaltungen zum Laden von Li-Ionen Akkus
    gemacht? Kann man die in Reihe geschaltet Laden, oder wird das zu Heikel?

    4.) Sinnvolle Spannungsregelungs für Akku betriebene Einheiten. Da hat doch bestimmt schonmal wer Schaltungen zu entworfen. Den Verweis auf Low-Drop Spannungsregler hab ich bereits gefunden. In meinem Fall müßte ich aber von knapp 30V auf 5V runter. Klassisch würde ich da nen Spannungsteiler vorsetzen, aber da gibt es bestimmt auch geschicktere, stromsparendere Schaltungen für Akkuanwendungen.

    Schon mal Danke für Eure Hilfe.
    Gruß LoD

    P.S.: Bitte erschlagt mich nicht, wenn ich den Thread mit den Infos nur nicht gefunden habe

  2. #2
    Super-Moderator Lebende Robotik Legende Avatar von Manf
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    Zunächst einmal als grudsätzliche Bestätigung des Konzeptes: Laptops haben meistens LiIon Akkus mit 1800mAh die in Reihe geschaltet sind.
    Die Akkusets haben integrierte Überwachungen für Temperatur und weitere Parameter.
    Es gibt Ladevorschriften für die Akkus von denen ich mir eine vorsichtige Variante mit Imax=C/10h auf 4,2V gemerkt habe. Da geht je nach Typ (Akku oder Anwender) sicher mehr. Explosionsgefahr beachten.
    In gebrauchten Geräten (Laptops und Handys) wird man sicher die preiswertesten Akkus finden.
    Manfred

  3. #3
    Benutzer Stammmitglied
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    Danke Manfred, hab das gleich gelesen, hatte aber gehofft es würde sich noch jemand melden.

    Was ich bisher selber gefunden habe:

    2.) grundsätzlich darf man die Zellen natürlich in Reihe Schalten, wenn ein Kompletter Akku aber eine Überwachungsschaltung hat sollte man damit nicht rumspielen.

    3.) Beim Laden ist es wahrscheinlich aus Sicherheitsgründen besser jede Zelle einzeln zu überwachen.Ggf ist dazu das Auflösen der Reihenschaltung nötig, um alle parallel an eine präzise Spannungsversorgung zu hängen und einzeln die Ströme zu überwachen.

    4.) DC-DC Wandler vielleicht... Es gibt die ja sowohl nach oben und nach unten. Hat jemand schon mal mit so was gearbeitet? Wie sind da die Wirkungsgrade? Kann ich die 3V Zellen parallel geschaltet auf 24-nochmehr V hoch wandeln und damit dann noch sinnvolle Leistungen betreiben (Stromregelung)?

  4. #4
    Erfahrener Benutzer Roboter Experte
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    4.) DC-DC Wandler vielleicht... Es gibt die ja sowohl nach oben und nach unten. Hat jemand schon mal mit so was gearbeitet? Wie sind da die Wirkungsgrade? Kann ich die 3V Zellen parallel geschaltet auf 24-nochmehr V hoch wandeln und damit dann noch sinnvolle Leistungen betreiben (Stromregelung)?
    Das geht vielleicht. Da die Wandlung aber immer verlustbehaftet ist und die Verluste mit der entnommenen Leistung steigen, würde ich die Akkus schon so anordnen, dass die starken Verbraucher(deine Motoren werden um Größenordnungen mehr ziehen als die Elektronik) direkt betrieben werden können(also in Reihe).
    Für die Elektronik ist ein linearer Spannungsregler(low-drop-typen müssen dann natürlich nicht sein) erstmal sicher ok(damit regelst du die 24V auf 5V 'runter). Die Überschüssige Spannung wird daran einfach verbraten(in Wärme umgesetzt). Der Regler verbraucht also 19/5 mal soviel Leistung wie deine Elektronik. Das sind aber bei 50mA (größzügige µC-Steuerung) aber trotzdem weniger als ein Watt(muss der Regler halt abkönnen). Da deine Motoren bis zu 50Watt zu verbrauchen scheinen, wirst du durch Raufregeln der Motorspannung mehr Verluste haben(es sei denn der Wirkungsgrad ist größer 98%).
    Du kannst auch für die Elektronik weniger Akkus in Reihe anzapfen als für die Motoren(die "ersten" Akkus werden dann etwas mehr belastet, was beim Laden dann eventuell zu beachten ist.).
    it works best if you plug it (aus leidvoller Erfahrung)

  5. #5
    Gast
    Die Lösung ist praktisch einfach zu lösen, hab ich so auch schon gemacht. würde meine Nase aber jetzt gerne noch ein wenig weiter über den Tellerrand schieben wollen ;o).

    Also Spannung hochwandeln ist wie Du schon gesagt hast wenig sinnvoll. Und einzelne Zellen mehr zu belasten möchte ich eingentlich auch vermeiden. Um die Spannung zu verbraten ist sie mir eigentlich auch zu schade.
    Wenn ich Dich jetzt recht verstehe wäre es wesentlich geschickter einen Teil per DC-DC runterzuwandeln, und da dann zu stabilisieren? Ist eine Stabilisierung dann noch nötig, oder sind DC-DC Wandler bereits stabil? Kennt wer ne Seite wo ich mal ein wenig Theorie/Praxis dazu finde?

  6. #6
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    Oops das war ich... ich verstehe es nicht...

  7. #7
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    Hallo LoD

    wie "Gottfreak" schon gesagt hat, braucht die Elektronik im Vergleich zu Motoren kaum Leistung. Dafür ist die Elektronik sehr empfindlich auf die "Welligkeit" der Ausgangsspannung von Schaltreglern und auf die möglichen Störungen die durch die Hochfrequenzen beim Schaltregler in die Spannungsversorgung kommen. Aus diesem Grund versorge ich den Empfänger über einen eigenen AA, 4,8V Akku-Pack und nehme die 5V von der RN-Control zur Versorgung der elektronischen Schaltungen in meinem Segler.

    Allerdings werde ich in meinem Segler Schaltregler einsetzen um die Motoren mit bis zu 40V zu versorgen. Es gibt zum Thema "Hintergrundsinfo" zu Schaltregler Architekturen eine excellente lesenswerte und leicht verständliche Applicationsnote bei National Semiconductor, es ist die AN-556. Die klassischen "Runter-regelnnden" Schaltregler sind sogenannte "Buck-Regler". Vout<Vin.

    Bei den "Aufwärtsreglern" gibt es verschiedene Architekturen, die für Leistungsbedarfe <=100W sind sogenannte "Boostregler". Da ich im Schiffsmodellbau Motoren bis knapp 500W einsetze werden dort sogenannte "Forwardregler-Architekturen" für Leistungen zwischen 100W und 500W empfohlen. Wenn ich die App-Note richtig lese sind andere Architekturen für den Einsatz mit eingangsseitig Wechselspannungen vorgesehen.

    In meiner Anwendung und für die Wiederverwendbarkeit im Schiffsmodellbau möchte ich eingangsseitig wahlweise 6VDC oder 12VDC aus Blei oder NimH-Akkus vorsehen, ausgangsseitig möchte ich frei regeln können, und zwar bis 40V. Idealer Weise sollte die Ausgangsspannung über einen mega8, der über die PWM Regelung auch als Fahrtregler dienen kann, erfolgen. Die Welligkeit der Ausgangsspannung ist für den Betrieb von Getriebemotoren zu vernachlässigen. Die Effiziens eines solchen Schaltreglers ist sehr hoch, garnicht mit Linearreglern zu vergleichen.

    Möchte man einen Schaltregler zur Spannungsversorgung elektronischer Schaltungen verwenden, so sollte man hinter den Schaltregler einen Low-Drop Linear Regler zur Glättung und Filterung der Spannungsversorgung einsetzen. Möchte man, so wie ich es plane, zur Steuerung der Fahrtreglerfunktion den Schaltregler/Fahrtregler durch eine uC steuern, so muß man Layout Regeln einhalten um hochfrequente Störungen vom uC fernzuhalten.
    MfG

    Hellmut

  8. #8
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    Kann man bilder von 500W Bootesn sehen?

  9. #9
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    Hallo Albanac

    habe vom letzten Usertrefffen das Bild eines circa 50kg schweren Schleppers in meine Webseite gestellt. www.kohlsdorf.homepage.t-online.de Dort unter Hobbies und Voilier ist am Ende der Bildersammlung ein solches Boot abgebildet.

  10. #10
    Erfahrener Benutzer Roboter Experte
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    Hallo Hellmut,

    Die Idee, einen 40V- Motor mit 6- oder 12V- Akkus und Schaltegler zu betreiben, ist meines Erachtens nicht so günstig.
    Der 40V-Motor hat eine Stromaufnahme von ca. 12,5A für die 500W.

    Die ungünstigste Lösung ist, das Ganze aus einem 6V-Akku zu betreiben. Der Akku muss ca. 100A bereitstellen, um den Aufwärtssteller zu betreiben. Der Aufwärtssteller muss diese 100A eingangsseitig verarbeiten. Bei 12V wären es immer noch ca. 50A. Eingerechnet sind die Verluste eines guten Aufwärtsstellers, z. B. eines Vollbrückenwandlers.

    Weitaus günstiger ist es. ausreichend viele (und kleine) Akkupacks in Reihe zu schalten, das die Betriebsspannung des Motors erreicht wird. Diese könne man mit einem (für 40V modifizierten) Fahrtregler mit sehr hohem Wirkungsgrad steuerbar machen. Dieser Fahrtregler muss nur max. 12,5 A verarbeiten. Sowas ist mit sehr hohem Wirkungsgrad machbar.

    Somit wird die Leistung der Akkus für den Motor verheizt und nicht für die Peripherie wie Schaltregler, Kabel, Schraubstellen und was sonst noch Verluste erzeugt.

    Gruß Stupsi

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