Schutzschaltung für Li-Po

[PICture]

Hallo!

Ich habe mir für meinen geplannten solarbetriebenen Spielzeug einen kleinen 1S Li-Po Akku (30 mAh) mit 25C und 2,5C "Charge Rate" ohne Schutzschaltung gekauft. Weil ich aber kein Feuer beim Basteln mag, ist mir eine einfache Schutzschaltung eingefallen, die ich drauf permanent "hängen" will (siehe Skizze). Der Akku sollte normal mit ca. 3 mA Laststrom arbeiten und per Solarzellen mit ca. 0,3 mA geladen werden, könnte aber unter direktes Sonnenlicht geraten.
R2
T ___
>----- ----+----+---|___|--->>---+
A v / | | |
| --- | | |
| | | | | |
| --- | |+ .-.
UL Lade- | | z - Akku | | RL (Last)
spannung | .-. D1 A --- (Li-Po) | |
| R1| | | |- '-'
| | | | | |
| '-' | | |
| | | | |
>------+-----+----+----------->>---+

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Kurzbeschreibung: durch den R1 sollte der Ladestrom per Darlington T (BC516 mit ß = 30 000) begrenzt werden, durch die Zenerdiode D2 sollte die Spannung bei dem max. LadeStrom 2,5C = 75 mA auf 4,2 V begrenzt werden und der R2 sollte den Kurzschlussstrom auf max. 25C = 750 mA limitieren.

Ich bin für alle Eure Meinungen sehr dankbar im voraus. :)

[markusj]

Die Zener ist zu ungenau, höchstens du planst da einen üppigen Sicherheitsbereich ein, aber dann wirst du den Akku kaum vernünftig laden können. Ich würde an deiner Stelle in einen entsprechenden IC investieren, das Risiko ist einfach zu groß. NiMH/NiCd ist da gutmütiger ...

mfG
Markus

[PICture]

Hallo markusj !

Vielen Dank fürs Anschauen und wichtige Bemerkung ! :)

Ich werde das ganze natürlich mit einstellbarem Netzteil praktisch ausprobieren und die Zenerspannung per Zenerdiode + seriell angeschlossene normale bzw. Schottky Diode einstellen versuchen. Sollte es mit dem Laden nicht möglich sein, werde ich natürlich nötige zusätzliche Bauteile einbauen (z.B. ein Komparator mit Referenzspannung + Abschalttransistor T per R1). Die fertige Schutzschaltungen scheinen für so kleine Akkus nicht geeignet zu sein, bin aber leider nicht sicher, deshalb frage ich.

Ich habe noch vergessen zu erwähnen, dass der Tiefendladeschutz bei angeschlossener Last schon vorhanden ist.

[markusj]

Ich sehe ein Problem im Leckstrom der Zener-Diode, deine Ladeschaltung saugt dir also deinen Akku relativ schnell leer - Ohne dass da ein Tiefentladeschutz greift. Deine Ladeschaltung sollte möglichst komplett von der Ladespannungsversorgung gespeist sein, damit keine Last am Akku hängt. Evtl. sogar mit einer Schottky abgesichert damit sicher kein Strom rückwärts fließt.

mfG
Markus

[PICture]

Stimmt, danke sehr. :D

Ich muss es noch überdenken und angeblich ändern, so dass bis 4,2 V kein Strom vom Akku in die Schutzschaltung fliessen darf. Dann wäre eine Schutzschaltung fürs Überladung an Solarzellen per Schottky Diode am Akku hängen müssen. Wie auch immer, weiss noch nicht was während des Bastelns entstehen würde, aber die Akkuspannung fast sicher per MOSFET gemessen wird.

[wkrug]

Guck mal nach dem MAX1811 und überleg dann mal, ob sich da was selber gebasteltes lohnt.

[PICture]

Hallo wkrug !

Herzlichen Dank für dein Vorschlag, dessen DB werde ich gleich "studieren" und wenn er sich für meinen kleinen Li-Po eignet, werde ich ihn sehr gerne anwenden, anstatt sinnlos basteln. :D

Leider eignet sich der IC für mich nicht, weil er zu viel kostbarer Solarenergie verschwendet.

Deshalb möchte ich diese "verrückte Idee" ausprobieren:

D R5 5R6
T1 ___
+-->>---+-- ---->S-----+-------------+-|___|->>-+
+| | v / | | |
.---. | --- .-. |+ .-.
| | | | R3| | - Akku | |RL
|SC | .-. .-. 10M| | ---(Li-Po) | |(Last)
| | R1| | |*|R2 '-' |- '-'
'---' 10M| | | |200k | | |
-| '-' '-' +-----||--+------+ === +->>-+
+->>-+ | | | +->|| | | GND |
| | |/ | +--|| .-. | ===
=== +-| T2 | | |*|R4 --- C GND
| |> | | T3 | |10M --- 10n
SC = Solarzelle | | | | '-' | T1 = BC516 (ß=~30 000)
| | | | | |
D = 1N5817 | === | === === === T2 = BC546A (ß=~90)
| GND | GND GND GND
+------+ T3 = BSS83

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Weil geschätzter Selbstentladestrom für den Akku ca. 2 µA ist, habe ich R3 für max. ca. 0,4 µA gewählt (um 20% davon). Es müssen nur zwei mit "*" bezeichnete Widerstände "angepasst" werden: R2 für max. Ladestrom 75 mA und R4 für dessen totale Abschaltung bei Akkuspannung 4,2 V. Geschätzter Stromverbrauch von T1+T2+T3 aus der SC ist max. 30 µA.

[PICture]

Hallo!

Ich habe die Schaltung mit sehr zufriedenstellendem Ergebnis praktisch ausprobiert und in der Skizze aktualisiert. Die gesamte Stromverstärkung der bipolaren Transistoren war zu groß (der Darlington BC516 hatte beim Kollektorstrom 75 mA gemessene ß = 140 000 !!! ) und ich hatte nur BSS83P (P-MOS). Deshalb habe ich als T1 kein Darlington und gefundenen N-MOSFET verwendet. Mit R2 stellt man den max. Ladestrom (hier 75 mA bei 7 V aus SC) und mit R3, R4 die Abschaltspannung (4,2 V) ein.

Bei abgeschalteter Last ist der Akku mit ca. 0,3 µA und die Solarzelle (7 V) durch den Transistorschalter (T1,T2) beim Laden mit ca. 0,2 mA belastet. Ich habe den Akku an auf 7 V eingestelltes Netzteil für mehrere Stunden angeschlossen gelassen und danach konnte ich eine Spannung von 4,26 V ablesen, die nicht mehr gewachsen ist. Deshalb vermute ich, dass die tatsächliche Schlussladespanung des Akkus nicht genau 4,20 V ist.

WARNUNG: Die Schaltung schutzt nicht vor Tiefentladung des Akkus und eignet sich nur als Lader !!!

Ich möchte mich bei dem markusj für wichtige Hilfe bei Entwicklung herzlich bedanken. :D

Die ganze Schaltung habe ich auf einer Lochrasterplatine ca. 9,5 x 37 mm (3 x 14 Löcher) mit SMD Bauteilen und mit Anschlussbuchse für Solarzelle und Last aufgebaut (ausser Transistoren und Diode) und am Akku befestigt. Sie ist um 1 g schwerer als der Akku, der nur 2 g wiegt. Wenn grösserer entnommener Strom benötigt wäre, könnte man den R5 durch ensprechende flinke Schmelzsicherung ersetzen.

D R5 5R6
T1 ___
+->>----+-- ---->S----+---------+-|___|-<<-+
+| | v / | | |
.---. | --- .-. |+ .-.
| | | | |*|R3 - Akku | |RL
|SC | .-. .-. T3 | |4M3 ---(Li-Po) | |(Last)
| | R1| | |*|R2 '-' |- '-'
'---' 1M| | | |36k D | | |
-| '-' '-' +----||--+---+ === +-<<-+
+->>-+ | | | ->||G | | GND |
| | |/ | +-|| .-. | ===
=== +-| T2 | |S | | --- C GND
GND | |> | | R4| | --- 10n
| | | | 10M'-' | T1 = BC337-40 (ß=~400)
| | | | | |
SC = Solarzelle | === | === === === T2 = BC546A (ß=~90)
| GND | GND GND GND
D = 1N5817 +------+ T3 = IRFU120N (UGSth=~3V)

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Hallo!

Die vorherige Schaltung war für mein solarbetriebenen Spielzeug zu "stromfressend" aus der Solarzelle und deshalb habe ich bessere aufgebaut und praktisch ausprobiert. Diese Schaltung belastet die Solarzelle beim Laden mit 75 mA bei 7 V mit um 2 µA. Das ist für mich sehr wichtig, da der Ladestrom bei Streulicht in meiner Wohnung meistens nur ca. 300 µA beträgt. Das Laden fängt im µA Bereich bei einer Spannung aus SC um 5 V an, wenn der Akku noch nicht leer ist (ca. 4V), sonst bei niedrigerrer Spannung aus SC, weil der Spannungsabfall an T1 + D um 1 V ist.

Der einziger Unterschied besteht aus diskret aufgebautem Darlington (T1,T2) mit ß = ca. 10 000 anstatt des "normalen" Transistors T1 (siehe Code) und die Funktionsweise ist gleich wie vorher. Natürlich man kann auch einen Darlington mit einzelnem Transistor und ännlichem ß anwenden. Bei dieser Schaltung mit anderem MOSFET hat nach mehrstundigem Laden bei 7V aus SC die Akkuspannung bei 4,19 V aufgehört zu wachsen. Deshalb denke ich, dass die Spannung doch von Widerstandteiler R3,R4 und UGSth vom MOSFET abhängt. Ich habe aber nur SMD Widerstände mit 1 % Toleranz und möchte, wegen Abmesungen, kein Poti anwenden um sehr genau die Abschaltspannung einstellen zu können.

WARNUNG: Die Schaltung schutzt nicht vor Tiefentladung des Akkus und eignet sich nur als Lader !!!

Weil ich nur grösste SMD Widerstände 10 M habe, musste ich als R1 zwei seriell anlöten und es gibt auch noch zusätzlichen Transistor. Deshalb ist die Schutzschaltung mit Anschlussbuchse für Solarzelle und Last (jetzt aussen) etwas grösser, also ca. 9,5 x 38 mm (3 x 13 Löcher + ca. 5 mm Anschlussbuchse). Als "Gehäuse" für den Akku mit Schutzschaltung dient ein Schrumpfschlauch. :)
D R5 5R6
T1 ___
+->>----+- --+--->S----+---------+-|___|-<<-+
+| | v / | | | |
.---. | --- | | |+ .-.
| | | | | | - Akku | |RL
|SC | .-. v / .-. --- | |(Last)
| | R1| | --- T2 |*|R3 |- '-'
'---' 20M| | | | |5M6 | |
-| '-' .-. '-' === +-<<-+
+->>-+ | |*|R2 T4 | GND |
| | | |2M7 D | ===
=== | '-' +----||--+---+ GND
GND | | | ->||G | |
| |/ | +-|| .-. |
+--| T3 | |S | | --- C
| |> | | R4| | --- 10n
| | | | 10M'-' | T1,T2 = BC556 (ß=~100)
| | | | | |
SC = Solarzelle | === | === === === T3 = BC546A (ß=~90)
| GND | GND GND GND
D = 1N5817 +-------+ T4 = IRFU120N (UGSth=~3V)

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Hallo!

Ich habe noch einfachere Schutzschaltung mit sehr niedrigem Spannungabfall bei niedrigem Ladestrom gebastelt und praktisch ausprobiert.

R1 47 D R4 5R6
___ ___
+->>-|_*_|-+---->S---+-----+-|___|-<<-+ SC = Solarzelle
+| 0,5W | | |+ |
.---. | .-. - .-. D = 1N5817
|SC | | T |*|R2 --- Akku | | RL
| | |D | |?M |- | |(Last) T = IRFU120N
'---' +-|| '-' === '-'
-| ->||G | GND | mit Ug < 4,2 V
+->>-+ +-||--+---+ +-<<-+
| |S | | | bei Id = 75 mA
=== === | .-. ===
GND GND --- | |R3 GND
C --- | |10M
10n| '-'
| |
=== ===
GND GND

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Kurzbeschreibung:

Bei Akkuspannung unter 4,2 V ist der MOSFET gesperrt und bei 3V wird der Akku per R1 bei 7 V aus SC mit max. 75 mA geladen. Beispielweise bei Ladestrom aus SC um 0,3 mA wird auf R1 + D nur um 0,1 V abfallen. Bei wachsender Akkuspannung leitet der MOSFET immer mehr Strom und bei Akkuspannung 4,2 V schliesst den ganzen Ladestrom mit GND. Deswegen der R1 (min.0,5 W) und MOSFET (T) müssen die ganze Leistung aus Spannungsquelle (hier bis 7 V), wie SC, Netzteil, USB, usw. permanent verbraten können.

WARNUNG: Die Schaltung schutzt nicht vor Tiefentladung des Akkus und eignet sich nur als Lader !!!

Die Schutzschaltung ist zwar nicht "schön", dafür aber sehr einfach. Bei rausgesuchtem MOSFET (T) kann man R2,R3 und C weglassen und sein G direkt mit + vom Akku verbinden. Hier ist die Spannung vom Li-Po Akku praktisch per Isolator gemessen. Zum Prüfen der Akkuspannung ohne zusätzlicher Elektronik kann man das auf 4-pollige Anschlussbuchse ausgeführtes AS Signal nutzen, wenn die SC genügend beleuchtet ist.

R1 47 D R2 5R6
___ ___
+->>-|_*_|-+-+->S-+--+-|___|-<<-+ SC = Solarzelle
+| 0,5W | | | |+ |
.---. | | | - .-. D = 1N5817
|SC | | | T | --- Akku | | RL
| | | |D | |- | |(Last) T = IRFU120N
'---' | +-||*| === '-'
-| | ->||G| GND | mit Ug = 4,2 V
+->>-+ | +-||-+ +-<<-+
| | |S | bei Id = 75 mA
=== |=== ===
GND |GND GND
|
AS^

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Wachrschainlich könnte man bei mehrzelligen Li-Po's solche Schutzschaltung (ohne R1) pro Zelle als einfachsten Balansierer beim Laden mit Konstantstromquelle (KSQ) anwenden. Ausserdem glaube ich, dass man einen Balansierer als solchen Überladungschutz verwenden könnte. ;)

[PICture]

Hallo!

Ich musste noch eine Schaltung aufbauen und praktisch ausprobieren, weil alle bisherige meine Anforderungen auf Strombegrenzung beim Laden des leeren Akkus (auf 75 mA) und niedrigen Spannungsabfall bei geringem Ladestrom (um 300 µA) nicht erfühlt haben. Mein Fehler war, dass ich den Transistor T1 sowohl als Konstantstromquelle (KSQ) und als gesättigten Schalter verwenden wollte, was natürlich gleichzeitig unmöglich ist.

R1 47 D R6 5R6
___ T1 ___
+->>-|_*_|-+-- ---->S----+---------+-|___|-<<-+
+| 0,5W | v / | | |
.---. | --- .-. |+ .-.
| | | | |*|R4 - Akku | |RL
|SC | .-. .-. T3 | |5M6 ---(Li-Po) | |(Last)
| | R2| | | |R3 '-' |- '-'
'---' 10M| | | |1M D | | |
| '-' '-' +----||--+---+ === +-<<-+
+->>-+ | | | ->||G | | GND |
| | |/ | +-|| .-. | ===
=== +-| T2 | |S | | --- C GND
GND | |> | | R5| | --- 10n
| | | | 10M'-' | T1 = BC516 (ß=~150 000)
| | | | | |
SC = Solarzelle | === | === === === T2 = BC546A (ß=~90)
| GND | GND GND GND
D = 1N5817 +------+ T3 = IRFU120N (UGSth=~3V)

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In der hoffentlich letzter Schaltug habe ich R1 als Strombegrenzung und T1 als gesättigten Schalter verwendet. Jetzt beträgt bei 7V aus SC der Ladestrom bei Akkuspannung 3V max. 75 mA und der Spannungsabfall auf R1 + T1 + D bei Ladestrom 300 µA um 0,75 V. Dazu wurde ich gezwungen, als ich bemerkt habe, dass ich die SC nicht "kurzschliessen" darf, weil sie beim vollem Akku noch einen Goldcup für Antrieb meines Spielzeugs laden soll. Diese Schutzschaltung wegen niedrigen Spannungsabfall eignet sich zum Laden von Li-Po's mit 5V z.B. aus USB.

WARNUNG: Die Schaltung schutzt nicht vor Tiefentladung des Akkus und eignet sich nur als Lader !!!

Die Löchrasterplatine mit Anschlussbuchse ca. 8x8 mm drauf ist jetzt grösser 11x37 mm (4x14 Löcher), wegen R1 mit 0,5 W, jedoch nicht viel breiter, als der Akku selbst. Solche Schutzschaltung eignet sich nach anpassen des Ladestroms und der Schlussladespannung auch für andere Akkutypen z.B. Li-Ion, usw.

Wenn jemand eine fertige stromsparsame Schutzschaltung hat, kann die zu große Ströme für vorhandenen Li-Po mit Widerstanden verringern, wie in folgender Skizze:



Last A
|
.-.
| | R2
| |
D R1 '-'
___ | .----. SC = Solarzelle
+->S-|___|-+-| |--+
| | | | D = Schottky Diode
.---. | | |+
|SC | | SS | - Li-Po R1 = Ladestrombegrenzung
'---' | | --- 3,7V
| | | |- R2 = Entladestrombegrenzung
+------------| |--+
'----' SS = Schutzschaltung


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Zuletzt habe ich mir bei ebay ein paar billigen Schutzschaltungen um 1$/St. ( http://www.ebay.de/itm/221214647149?ssPageName=STRK:MEWNX:IT&_trksid=p3984.m1439.l2648 ) mit folgenden Parameter gekauft, weil ich meistens ungeschützte Li-Pos habe:
Model No : 1S PCM
Package list: 10 Pcs
Condition: Brand New
Brand: FMA
Current Limit: 2A Cont.
V(P+~P-): Output 2,5V - 4,2V
V(B+~B-): 3,7V
Size: 3*15mm
P+: Input/Output +
P-: Input/Output -
B+: Battery +
B-: Battery -

Its main function to battery are:

1. Over charge protection;
2. Over discharge protection;
3. Short circuit protection;
4. Over current protection;
5. Reverse charge protection;
6. Over heat protection.

Specifications

1. Voltage
Charging voltage 4,2V
Balance voltage for single cell N/A

2. Current
Balance current for single cell N/A
Current consumption 10µA
Maximal continuous charging current 3A
Maximal continuous Discharging current 3A

3. Over charge Protection
Over charge detection voltage 4,325 ±0,025V
Over charge detection delay time 0,96S — 1,4S
Over charge release voltage 4,075 ±0,025V

4. Over discharge protection
Over discharge detection voltage 2,50 ±0,05V
Over discharge detection delay time 115mS — 173mS
Over discharge release voltage 2,9 ±0,05V

5. Over current protection
Over current detection voltage 150 ±15mv
Over current detection current 4,5 ±1A
Detection delay time 7,2ms — 11ms
Release condition Cut load

6. Short Circuit protection
Detection condition Exterior short circuit
Detection delay time 200 - 500us
Release condition Cut load

7. Resistance Protection circuitry(MOSFET) 50mΩ

8. Temperature Operating Temperature Range -40 - +85°
Storage Temperature Range -40 - +125°

Ich hoffe, dass die vorherige Schaltungen auch für andere Zwecke hilfreich seien könnten. :D