Arduino AD-Wandler abgleichen

[Moppi]

Danke, für Deine ausführliche Erklärung!
So ähnliche Gedanken sind mir auch schon gekommen, aber ich war - zugegeben - zu bequem, das aufzumalen.
Die Frage, die auftaucht ist, inwiefern sich das auf die Unterschiede der Ladezustände auswirkt, also wie groß
der Unterschied am Ende wirklich ist, wenn die erste Zelle 3.7V z.B. erreicht. Wieviel Volt hat dann die Letzte?
Dann müsste ich u.U. bei jedem Laden die Zellen balancieren, was entgegen meiner Vorstellung wäre.
Einen Ausgleichswiderstand einzusetzen könnte dann wirklich das Ladegerät stören, wenn die andern Widerstände
das noch nicht tun. Weil der ist ja dann rel. klein, gegenüber den anderen.
Eventuell stört es auch das Ladegerät, wenn die Zellen auf diese Weise zu unterschiedlich entladen sind. Dann
streikt das vielleicht.
Ich glaube, ich muss jetzt mal eine Balancerbuchse auf die Platine auflöten, um den Akku dort dran zu stecken
und diese Fragen zu klären.

Nachtrag:
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Ich komme mit den Zahlen noch nicht zurecht.
Ich habe gerechnet, bei 12V und 12.2kOhm:


0.0009836A für die erste Zelle, die am stärksten, durch alle Spannungsteiler, belastet ist.
Wenn aus einer Zelle 1Ah entnommen werden können, dann sind das 1000h, bis die erste Zelle
3.7V oder 3,5V erreicht hätte. Das entspräche th. 41 Tagen. Dann wäre die erste Zelle entladen
und die dritte Zelle fast noch voll. Wird der Unterschied der Zellen zu groß, könnte das
Ladegerät streiken. Dann müsste ich drauf achten, dass die Zellen nicht mehr als 0.2V
auseinander liegen (k.A., ob der Wert realistisach ist oder noch mehr geht).
Wenn die erste Zelle bei 4V wäre (z.B.) müsste ich den gesamten Akku nachladen, inkl.
Balancer am Schluss. Ich habe grob gerechnet: bis die 4V erreicht wären, wenn das Gerät
ungenutzt bleibt, könnten realistische 2 bis 5 Tage vergehen. In den Abständen müsste dann
geladen werden. Wenn das Gerät nicht ungenutzt bleibt, sondern was tut (staubsaugen bspw.) wäre
der Akku in 20min bis 1h leer und müsste geladen werden. In dem Fall würde der geringe
Entladestrom, über die Spannungsteiler, nicht ins Gewicht fallen, die Zellen würden nahezu
gleich entladen?


Ich habe keine Widerstandswerte, welche ich einsetzen könnte, für die Parallelwiderstände.
Ich bräuchte wohl 6,1k und 12.2k. Die Schaltung zu verkomplizieren, dass ich die
Spannungsteiler wegschalten kann, wenn nicht gemessen wird, habe ich nicht wirklich vor.


Die letzte Sache wäre, zwei Spannungsteiler auszubauen und nur die Gesamtspannung am
Akku zu messen. Dann könnte ich nicht beurteilen, wie voll jede Zelle wirklich ist, sondern
nur erkennen, ob der Akku eine Macke hat (weil sich die Ladezeit verlängert).


Diese Möglichkeiten habe ich.

Vielleicht denke ich irgendwo falsch, dann würde ich mich über Aufklärung freuen!

MfG

[Holomino]

Mit Deinen Werten gerechnet: Nur durch Deine Spannungsteiler bewirkt fließen durch:
- die oberste Zelle I3=12V/12,2k= 0,98mA
- die mittlere Zelle I2= 8V/12,2k + I3 = 0,66mA+0,98mA = 1,64mA
- die unterste Zelle I1 = 4V/12,2k+I2 = 0,33mA + 1,64mA = 1,97mA

Alle Messteiler liegen gegen Masse, d.h.
- I3 fließt durch die Zellen 1,2 und drei
- Durch Zelle 2 fließen 0,66mA in den dort angeschlossenen Spannungsteiler UND zusätzlich I3 zu Zelle3 (da muss man die Ströme addieren)
- Durch Zelle 1 fließen 0,33mA in den Spannungsteiler und alles, was durch Zelle 2 fließt

Sprich: Alleine wegen der Messteiler fließen unterschiedliche Ströme in den einzelnen Zellen. Das summiert sich bei 24/7 Anschluss und wirkt wesentlich mehr auf das Zellungleichgewicht, als natürliche Effekte, für die ein Balancieren normalerweise gedacht ist.
Bezogen auf Dein Beispiel mit 1Ah ist die unterste Zelle Deines Akkus nach ca. 500h leergesaugt, die oberste Zelle aber noch halb voll.
Um die Zeit bis zum Leersaugen zu verlängern, kannst Du höherohmige Messteiler (z.B. 120k) einbauen. Dadurch verschwindet aber dieser Effekt der unterschiedlichen Ladezustände nicht. Wenn die unterste Zelle erst nach 5000h leer ist, wird die oberste Zelle immer noch halbvoll sein.

Man kann durch regelmäßiges Balancen dagegenhalten, aber das Zellungleichgewicht ist systematisch durch den permanenten Anschluss der Spannungsteiler bedingt. Das kann man, wie oben beschrieben, durch zwei zusätzliche Widerstände kompensieren.

Die Einzelmessungen ausbauen würde ich nicht. Auch ohne 100% Genauigkeit hat man zumindest ein Monitoring und für den Notfall auch eine Abschaltinformation.

Wegen dem Gewackel der Messwerte (das bekommt man bestimmt besser hin):
Hast Du die Messpannung an den ADC-Eingängen gesiebt (einfach einen Kondensator 10..100nF parallel zum unteren Teilerwiderstand)? (Kann man bei SMD wunderbar auf den Widerstand drauflöten)
Hast Du mal eine Mittelwertbildung über mehrere Messungen probiert (16 mal aufaddieren und anschließend durch 16 teilen)?

[Moppi]

Man kann durch regelmäßiges Balancen dagegenhalten, aber das Zellungleichgewicht ist systematisch durch den permanenten Anschluss der Spannungsteiler bedingt.

Das ist mir klar geworden. Bloß, ich denke, das ändert nichts an der Sache, dass ich alle 2 bis 5 Tage diese 0.2V an der untersten Zelle verliere. Und dass, wenn viel Strom fließt und die Zellen schnell geleert werden,
diese Ministröme weniger ins Gewicht fallen. Trotzdem altert dann die unterste Zelle am schnellsten, weil die mehr belastet wird. Wenn ich zwei Spannungsteiler weg lasse, habe ich dieses Problem nicht.
Es ist ja durchaus üblich, bei LiPos, mit mehreren Zellen, nur die Gesamtspannung zu messen. Was ist besser? Ausgleichswiderstände sehe ich nicht, wie ich an diese Werte kommen soll, um die nachzurüsten.

Wenn das Ladegerät mit den Spannungsteilern nicht zurecht kommt, werde ich zwei ausbauen. Ich muss das ausprobieren...

Wegen dem Gewackel der Messwerte (das bekommt man bestimmt besser hin):
...
Hast Du mal eine Mittelwertbildung über mehrere Messungen probiert (16 mal aufaddieren und anschließend durch 16 teilen)?

Antwort:

Nachtrag:
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Ich habe eine Funktion nachgeschaltet, welche die Werte nochmals stabilisiert. Jetzt habe ich
bei den ausgegebenen Werten keine Schwankungen mehr.

Noch eine kurze Erklärung dazu:

Ich mache sowas ähnliches, wie Du mit dem Kondensator außen, Holomino.
Bloß in der Software eben. Ich betrachte nicht einen einzelnen Messwert,
ich addiere auch nicht mehrere Messungen. Da der verrauschte Bereich
bekannt ist (habe ich mir angesehen), muss ich einen stabilen Wert
daraus generieren, ich brauche irgendeinen Filter dafür. Die Verteilung
der Werte ist recht gleichmäßig, ab und an schlägt ein Wert mehr nach oben
aus, dann nach unten. Daraus bspw. den Mittelwert zu bilden würde,
aufgrund der letzten Tatsache, wieder zu Schwankungen führen. Ich nehme
einen Wert, aus dem verrauschten Bereich, den ich verwerte, die andern Werte
ignoriere ich. Hinzu füge ich einen Wert, der mir bekannt ist, aber aus den
Messungen nicht unmittelbar von Anfang an hervor geht (den Wert könnte ich
th. auch im Betrieb, über eine längere Zeit, ermitteln). Das ist die Spanne, also
diese +/-5 bzw. +/-7.5, die es um den idealen Messwert schwankt. So erhalte
ich einen Bereich, in dem sich alle Meßwerte eines kurzen Zeitraums befinden.
Natürlich ändern sich die Messwerte, weil sich die gemessene Spannung ändert.
Beim Akkupack aber voraussehbar, nämlich stetig nach oben oder nach unten.
Aufgrund dessen führe ich meinen berechneten Bereich nach, aus dem ich
einfach den Mittelwert nehme. Die Nachführung entnehme ich den Grenzwerten
des Rauschens.



MfG

PS:

Die Werteschwankungen sind bei einfachen Wandlern normal.
Es mag bessere Wandler geben, die stabilere Werte liefern.
Ich hatte mal einen 12Bit-Wandler in den 90gern gekauft.
Funktionierte nach dem Prinzip, wie die in den ATmega328P.
Der hatte Schwankungen, die sich mindestens über die
untersten 4 Bit erstreckten. Ich habe das Teil an jemand
verschickt, der sich das auch angesehen hat. Hat den selbst
beschaltet. Der kam zu dem gleichen Ergebnis.

[Holomino]

Wie gesagt: Für das durch die Messteiler verursachte Ungleichgewicht sind jeweils ein Widerstand parallel zu oberer und mittlerer Zelle eine Lösung. Wenn Du die Widerstände nicht da hast, ist es ja kein akutes Problem, kann man später nachrüsten.

Zum Flirren in den AD-Werten ist meine Erfahrung, dass alleine durch den Controller (eigentlich ein richtig fettes Schaltwerk, das man da einbaut) so ziemlich alle Eingangs-Pins einen Ripple von etwa 20..30mV abbekommen. Das fällt bei der Verwendung in der Regel erst beim ADC und beim Komparator negativ auf. Mit einem Kondensator parallel zum unteren Widerstand des Teilers und nicht zu weit vom Controller weg bekommt man diesen Ripple recht gut gedämpft. Aber auch das ist eine Sache, die Du bei entsprechender Laune (Lust) einfach mal ausprobieren kannst: Kondensator einlöten, Filter weg und den Hub des AD-Wertes bei konstanter Eingangsspannung beobachten.

Muss man nicht tun, aber interessant wird's ja vielleicht für die nächste Schaltung.

[Moppi]

Ich kann ja mal einen Kondensator dran halten, mal sehen, was passiert.

Habe es versucht:

Mit einem Kondensator parallel zum unteren Widerstand des Teilers und nicht zu weit vom Controller weg

Kein besseres Ergebnis, also ohne C. Habe 100nF genommen. Manchmal springen die Werte sogar noch stärker.

[Holomino]

Ich kann leider keine Ferndiagnosen stellen, aber +/-5 Gezappel im ADC sind recht viel. Wenn Du Lust hast: Nimm Dir eine Arduino-Platine, häng eine saubere Versorgung dran und simuliere mithilfe eines Potis eine Analogspannung (in der Regel passt das ganz gut mit den Pinleisten. Mittlerer Potipin an AD-Eingang, die beiden Controllerpins drumrum kannst Du als Ausgang Low/High einstellen, damit das Poti eine Spannung zum teilen hat).
(Ich hab in meinen Anfängen auch gedacht, das sei wohl so beim AVR. Nee, ist es nicht. Da rüpelt irgendetwas in Deiner Schaltung herum. Normalerweise zappelt die Ausgabe beim AVR ADC gar nicht, im ungünstigen Fall zwischen zwei Werten. Das ist dann Quantisierungsrauschen zwischen zwei Schritten.)

Ansonsten: Die Standardbeschaltung (Kondensatoren) von VCC, AVCC und AREF hast Du/der Arduino? Und über die Masseleitung vom Akku zum Controller entnimmt niemand anders wesentlich Strom? Irgendwelche LED-Blinkereien an den benachbarten Ports finden während der Messung auch nicht statt?

Wenn Du ein schnelles Oszi hast: Masseklemme an Akku, VCC, AVCC, AREF und GND am Controller checken. Wibbelt da etwas mit mehr als 5 mV?

[Moppi]

Ja, ich nehme mal das Oszi und schaue. Aber ich denke, dass dort nichts ist. Wahrscheinlich wird es die Referenz sein, die herangezogen wird. Allerdings ist die Versorgungsspannung mit einem LDO-Regler erzeugt. Vielleicht ist dort ein wenig drauf. Aber davon abgesehen, bei dem 12Bit-Wandler damals, der auch so schwankte, war nur die Batteriespannung angelegt, frei von Verunreinigungen. Wenn an dem Pin nichts ist, kann der C nichts bringen.

Ich finde, die +/-5 sind recht wenig. Manche haben da +/-10, habe ich gelesen. Ich schaue mal.

....

Da ist minimal Störung auf der Versorgungsspannung, offenbar von den Treibern A4988. Aber extrem wenig. Weniger, als wenn ich einen DC/DC-Wandler einsetzen würde. Die Treiber+Motoren werden ja direkt vom Akku gespeist. Dennoch habe ich dann die Schwankungen, auch wenn die Motoren nicht drehen, sondern nur gehalten werden. Kann das aber mit meinem Oszi nur erahnen, weil so genau ist es nicht, es produiziert normal schon selber gewisse Störungen im angezeigten Signal. Nach dem 10k-Widerstand vom Spannungsteiler, sind die nicht mehr zu sehen; an der Stelle gemessen wird die AC-Linie auf dem Oszi richtig glatt gezogen (wird vielleicht der Grund sein, dass dann an der Stelle ein C nichts mehr bringt). Ich habe 10k vom LiPo-Anschluss bis an den AD-Eingang, von dort 2.2k gegen GND.

Interessant ist, wenn ich die Treiber herausnehme, dass dann die ADC-Werte absolut stabil sind. Auch ohne Korrektur per Software oder so. Insofern scheine ich also viel richtig gemacht zu haben, was die Beschaltung des 328P-PU angeht (inkl. der 100nF-Kondensatoren am unbeschalteten AREF und der Versorgung des Kontrollers). So stabile Werte vom ADC habe ich noch nie gesehen. Selbst bei meinem originalen UNO nicht.

Normal würde ich ja ohnehin messen, wenn die Treiber abgeschaltet sind. Das hatte ich aber noch nicht ausprobiert. Weil ein Fall bleibt, wo ich auch während der Fahrt messen müsste. Muss ja zwischendurch feststellen, ob die Akkus leer sind. Jetzt kann ich zwei Methoden anwenden. Während der Fahrt eine, mit Filter (diese Methode liefert stabile Werte, die aber von den tatsächlichen etwas abweichen), da muss ich nur den Entladeschluss abgleichen. Und ohne Fahrt die Messung, wenn also die A4988 auch ausgeschaltet wären. Im Ruhemodus muss ich auf Entladeschluss warten, damit dann aufgeladen wird, hier könnte ich den Punkt dann neu abgleichen (ohne Filter). Und beim Laden nach den 4.0V schauen, auch bei abgeschalteten Motortreibern. Auch das ohne nachgeschalteten Filter. Wenn die Werte dort auch so sauber wären, könnte ich mich auf die Messungen verlassen, gerade beim Laden.


MfG

- - - Aktualisiert - - -

Und über die Masseleitung vom Akku zum Controller entnimmt niemand anders wesentlich Strom? Irgendwelche LED-Blinkereien an den benachbarten Ports finden während der Messung auch nicht statt?

Das wäre der Zustand wenn die Kiste steht und nichts tut. Auch beim Laden wären nur drei Kontroller angeschaltet. Zwei für die Motortreiber, die dann nichts tun. Die Odometrie wäre abgeschaltet. Das nodeMCU wäre abgeschaltet, zusammen mit seinem Satelliten-ATmega328. Auch der Spannungsregler 7806 wäre ohne Versorgung. Nur die Relais für den Ladestrom zum Akkupack wären an. Aber in dem Zustand würde ich nicht messen. Messen würde ich nur, wenn kein Ladestrom fließt, also auch diese Relais nicht aktiv sind.