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Jens Dietrich
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Balancer für LiFePO4 Akkuzellen
(BMS - Batteriemangementsystem)


...bin im Urlaub
Balancer LiFePO Winston Akkuzelle 160 Ah

Eigenbau LiFePO4 Balancer / BMS (Batteriemanagementsystem)

Moderne LiFePO4 (Lithiumphosphat) Akkuzellen bieten gegenüber Bleiakkus viele Vorteile und haben neben vielen Ladezyklen eine sehr lange Lebensdauer. LiFePO4 Zellen leiden zum Glück nicht unter den Gefahren (Explosionsgefahr + Selbstentzündung) üblicher LiPo Zellen, die in Handys und vielen anderen Geräten verbaut sind. Einen LiFePO4 Akku kann man jederzeit laden und entladen. Es gibt keinen Memory-effekt und er hat eine äusserst geringe Selbstentladung. Man darf aber auch diese Zellen weder überladen noch tiefentladen. Kleineren Akkupacks werden häufig von Modellbauern mit handelsüblichen Akkuladern geladen. Für einen Ausgleich unterschiedlich gealterter Zellen sorgt ein integrierter Balancer. Dieser überwacht jede einzelne Zelle und sorgt am Ladeende dafür, dass jede Zelle auf eine gleiche Spannungslage geladen ist. Was macht man aber mit LiFePO4 Zellen die eine sehr hohe Kapazität haben und mit grossen Strömen über einem Solarcontroller geladen werden? Gute Solarcontroller, Solarlader oder MPP / MPPT Solarladeregler können zwar die maximale Akkuspannung begrenzen, doch nie haben alle Akkuzellen zur gleichen Zeit ihre maximale Spannungslage erreicht. So passiert es, dass die Zellen mit der geringsten Kapazität zuerst voll sind und ihre Klemmspannung immer mehr steigt und die Zellen mit etwas grösserer Kapazität nie richtig voll werden. Die Zellen mit der geringeren Kapazität werden bei jedem Ladezyklus überladen und altern so sehr viel schneller als die nie vollgeladenen Zellen mit höherer Kapazität. Bei Kauf der Zellen kann man zwar auf eine fortlaufende Seriennummer (kommen dann aus gleicher Produktion) achten, doch nie sind alle Zellen in allen Eigenschaften und Parametern gleich. Niemals sollten diese hochwertigen Zellen ohne einen Balancer für jede Einzelzelle verwendet werden. Auch meinen 8 hochwertige LiFePO4 Winston Zellen (WB-LYP160AHA) mit je 160 Ah möchte ich lange nutzen. Aus diesem Grund baute ich mir einen Balancer, der auf jede Zelle geschraubt werden kann und ein Überladen der Zelle sicher und zuverlässig verhindert. Käufliche Einzel-Zellen-Balancer waren mir viel zu teuer. Auch war der abgeleitete Balancer-Strom mir zu gering. Das Ziel war es, ein Modul zu entwickeln, dass man direkt auf die Zellen schrauben kann und bei Bedarf mit Zusatzmodulen zu erweitern wäre. Die hier gezeigt Schaltung kann eine einzelne Zelle in ihrer Spannungslage begrenzen. Ein gefährliches Überladen diese Zelle ist somit nicht mehr möglich. Per Steckanschluss kann eine Erweiterung der Funktion ermöglicht werden. Über den kleinen Regler wird die maximale Ladeschlussspannung reguliert. Ich habe bei meinen Akkuzellen diese Spannung auf genau 3,65 Volt eingestellt. Steigt die Spannung über diesen Wert wird diese Zelle über die Lastwiderstände bei maximal 4 A balanciert. Wenn die Lastwiderständer auf 1 Ohm reduziert werden, ist ein balancierender Gesamtstrom von bis zu 11 A möglich. Den sauber justierten Schaltpunkt sollte man mit einem kleinen Farbpunkt auf dem Regler sichern. Meine 2,7 Ohm Widerstände werden im laufenden Ladebetrieb bzw. bei Ladeende der Zelle kaum warm. Der maximale Ladestrom beträgt bei mir 50 A.

Wichtige Bemerkung:
Wenn Sie ihren Zellenpack selbst konfektionieren, sollten Sie unbedingt bei allen Klemmstellen auf die Überganswiderstände achten. Alle Klemmstellen und mit feinem Sandpapier reinigen und dünn mit Noalox (Anti-Oxidant Mittel) bestreichen. Die Gewindegänge können ruhig auch mit Noalox bestrichen werden. Erst dann den Akkupack zusammenschrauben. Ich hatte zwar die Kontaktflächen gereinigt und ordentlich verschraubt, doch zeigt sich nach einiger Zeit zwischen den Zellen ein Übergangswiderstand. Bei Ladeströmen von 50 A wurde das Laden viel zu früh abgeschalten (zu hohe Klemmspannung) und so wurde die Batterie nie komplett genutzt. Vom Anti-Oxidant Noalox wird extrem wenig benötigt. Wenige Gramm reichen für grosse Akkupacks aus. Der Grundschutz ( Überladen unmöglich ) ist nun für die hochwertigen LiFePO4 Zellen realisiert und gewährleistet.

Justage:
Den aufgebauten Balancer an ein regelbares Netzteil anklemmen und langsam die Spannung erhöhen. Mit dem kleinen Regler kann der Einsatzpunkt der Spannungsbegrenzung exakt auf 3,65 Volt eingestellt werden.

grosse 4 A Balancer Version

download Schaltung als PDF (87 KB)
download Leiterplattenlayout 1:1 als PDF (19 KB)
download Bestückung Leiterplatte als PDF (13 KB)

kleine 1 A Balancer Version

download Schaltung als PDF (85 KB)
download Leiterplattenlayout 1:1 als PDF (7 KB)
download Bestückung Leiterplatte als PDF (29 KB)

fertig abgeglichene Balancer Module
Balancer LiFePO4 Akkus

aufgescgraubte Balancer Module - gut zu sehen - der Steckanschluss für die künftigen BMS Erweiterungen
Balancer LiFePO4 Akkus

die kleine 1A Version - hier für 10Ah LiFePO4 Rundzellen
Balancer LiFePO4 Akkus


20.02.2019 BMS Unterspannungserkennung und -abschaltung




Batteriemodul mit ATTINY13A

Das kleine steckbare Zusatzmodul für den LiFePO4 Akku Balancer hat die Aufgabe, die Akkuklemmspannung per Bus an eine übergeordnete Steuereinheit weiterzuleiten. Für die Kommunikation ist eine galvanisch getrennte Optokopplerverbindung mit zwei Optokopplern vorgesehen. In der Softwareversion V1.0 des ATTINY13A Controllers wird nur die Klemmspannung ermittelt und diese in Form Impulsen ausgegeben. Liegt die Klemmspannung unter 3,1 Volt wird ein Signal von 10 Sekunden ein und 10 Sekunden aus übertragen. Wenn die Klemmspannung zwischen 3,1 und 3,3 Volt liegt erfolgt eine Ausgabe von 1 Sekunde ein und 19 Sekunden aus. Oberhalb von 3,3 Volt wird nichts ausgegeben. Damit man das ATTINY Modul sauber justieren kann, wird nach einem Neustart 1 Minute lang die LED aktiv, wenn die Klemmspannung genau 3,00 Volt beträgt. Mit einem regelbaren Netzteil sollte man ein Spannung von 3,00 Volt einstellen und dann den R3 solange verstellen, bis die LED leuchtet. Nach der Einstellung sollte R3 mit einem Farbpunkt gesichert werden. Auch bei extremen Temperaturunterschieden ist die Genauigkeit der Schaltung ausreichend. Der Kommunikationsweg von der übergeordneten Steuereinheit zu den Batteriemodulen wird in dieser ersten Softwareversion noch nicht verwendet. Später soll mal jedes der Module zur aktuellen Akkuspannung abgefragt werden. Die beiden Schaltpunkte werden wie folgt von der übergeordneten Steuereinheit verarbeitet. Liegt die Spannung eines der Akkumodule unter 3,1 Volt, so wird der Bus für mindesten 10 Sekunden per Optokoppler auf low gezogen. Das führt zu einem Abschalten der angeschlossenen Wechselrichterschaltung. Erst wenn sich die Akkuspannung über die 3,3 Volt erholt / geladen hat und keines der parallel geschalteten Module mehr blinkt, wird der Wechselrichter wieder eingeschalten. Jede Zelle ist dann mit über 3,3 Volt geladen.

download Schaltung als PDF (30 KB)
download Leiterplattenlayout 1:1 als PDF (4 KB)
download Bestückung Leiterplatte als PDF (5 KB)
download Software Batteriemodul als HEX File für ATTINY13A (2 KB)

Steuermodul mit ATTINY13A

download Schaltung Handzeichnung als PDF (39 KB)
download Software Steuermodul als HEX File für ATTINY13A (2 KB)

aufgesteckte Battteriemodule mit Flachbandbus
BMS Akkumodul LiFePO4

der Busverbinder ist abgezogen
Unterspannungs BMS LiFePO4 Akku

Batteriesteuermodul per Lochrasterbauweise
BMS Steuermodul Winston LiFePO4 Akku


Wie wichtig sind Balancer und deren Dimensionierung




Grundsätzlich muss man verstehen, dass die Akkuzellen in einem Akku-Pack nie völlig gleich sind. Auch wenn diese aus einer Herstellungscharge kommen und möglicherweise selektiert wurden. Durch ständiges Entladen und Laden entfernen sich die aktuellen Kapazitäten der Akkuzellen immer weiter voneinander.
Viele Geräte überwachen die Klemmspannung des Akkupacks und schalten bei einer zu geringen Klemmspannung das Gerät ab. Bei Lithium Akkus wird häufig 3,0 Volt je Zelle als Abschaltschwelle verwendet. Ein 4 Zellen Pack wird also bei einer Klemmspannung von ( 3,0 Volt * 4) 12 Volt abgeschalten. Da aber Lithium Akkus (egal ob LiPo, Liion oder LiFePo4) eine extrem steile Lade- und Entladekennlinie haben, kommt es vor, dass einige Zellen vor den anderen Zellen schon Ihre 3 Volt unterschritten haben.
Beispiel (1.Zelle=3,15Volt ; 2.Zelle=3,2Volt ; 3.Zelle=3,05Volt ; 4.Zelle=2.8Volt) = Klemmspannung 12,2 Volt obwohl eine Zelle schon lange unter den 3 Volt liegt, wird des Gerät noch nicht abgeschalten, das es noch immer eine Klemmspannung über 12 Volt erkennt. Der eine Akku mit der 2,8 Volt Klemmspannung wird schon geschädigt. Bei jedem Entlade und Ladezyklus des Packs wird es schlimmer. Nach einer gewissen Zeit kann man den Pack nicht mehr verwenden, da eine Zelle defekt geworden ist. Ein Balancer kann die unterschiedlichen Kapazitäten der Akkus nicht korrigieren, aber er sorgt wenigstens dafür, dass bei einem Ladevorgang alle Zellen mit nahe 100% geladen werden. Aus dem Akku-Pack kann dann bei Entladen das Maximum an Leistung herausgeholt werden. Die verfügbare und nutzbare Kapazität richtet sich aber immer nach der Akku-Zelle, die die geringste Kapazität hat.
Was macht nun dieser Balancer? Er wird über jede Akku-Zelle geschalten und überwacht die Zellenspannung. Wenn diese über eine bestimmte Zellenspannung (die genaue Spannung ist abhängig von dem Akku-Typ) steigt, wird diese Akkuzelle wieder entladen. Bei meinem entwickelten Balancer kann man das Entladen über eine leuchtende LED erkennen.
Der im Video zu sehende 8 Zellen Akku-Pack (LiFePO4 Akku) ist zu 100% geladen. Da ich LiFePO4 Zellen verwende, sind die Balancer auf 3,60 Volt einreguliert. Alle Akku-Zellen zeigen mit dem Blinker der LED an, dass die 3,60 Volt erreicht und überschritten wurden und die nun ständig während des Ladens auch wieder entladen werden. Am Anfang des Videos kann man das auf und ab der Spannungen gut sehen. Es muss verhindert werden, dass die Spannung weiter steigt. Würde die Spannung über die Ladeschlussspannung steigen, nimmt der Akku irreparablen Schaden.
Die von mir verwendeten Balancer können mit 0,25A balancieren. Im Video lade ich den Akku-Pack mit einem Strom von 0,1A. Das Blinken der LEDs zeigt also an, dass 0,1A in den Akku geladen werden und im Moment des Leuchtens der LED wieder 0,25A entladen werden. Der maximale Balancer-Strom muss also unbedingt gleich oder grösser sein, als der Maximale Ladestrom. Ist der Ladestrom höher als der Strom des Balancers, kann dieser ja gar nicht etwas gegen die immer höher werdende Spannung des Akkus tun.
In verschiedensten Quellen findet man nur wage Angaben zur richtigen Dimensionierung vom Balancer. Ich habe im Netz schon gelesen ...ür 40Ah bis 100Ah Zellen, reicht 1A Balancing Strom... Das man mit einem Strom von 1A die Zellen balancieren kann ist ja richtig, aber da darf der Ladestrom auch nur 1A betragen. Bei mehr als 1A würde die erste Zelle die ihre Schlussspannung erreicht hat völlig überladen werden. Wer läd schon 100Ah Zellen mit einem Strom von 1A. Das würde eine Voll-Ladung mehr als 100 Stunden (>4 Tage) dauern.

Fazit: Der Maximalstrom eines Balancer Moduls darf nicht geringer sein als der maximale Ladestrom des Akku-Packs. Am Ende vom Video habe ich den Ladestrom auf 1A gestellt und man kann sehr gut erkennen, dass der Balancer dauerhaft arbeitet. Der Balancer bekommt es aber mit 0,25A nicht hin, die Spannung auf die gewünschten 3,6 Volt zu begrenzen. Die Spannung steigt und steigt...das ist nicht gut für die Zelle.

Achtung! LiPo Akkuzellen haben mit 4,10 oder 4,20 Volt eine höhere Ladeschluss-Spannung als LiFePO4 Akkuzellen. Der Balancer muss also anders einreguliert werden.

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