LiPo Nachlader: Passt das so? Bessere Lösung?

[Bernd O. (bitshifter)]

Hallo zusammen,

für Modellbauzwecke benötige ich einen 20x LiPo-Lader, der max. 20 
Einzelzellen gleichzeitig laden kann. Aus China gibt's ja schön billige 
Module basierend auf dem TP4056 für gut 1 Euro pro Kanal:
http://www.electrodragon.com/?product=1a-lithium-battery-charger-module-wminiusb
Ich habe mir auch shon ausreichend viele bestellt und sie funktionieren 
auch wie gewünscht. Den Ladewiderstand habe ich auf 12k geändert, damit 
der Ladestrom 100 mA beträgt (sind 100 mAh Zellen).

Mein Problem ist, dass der TP4056 wie auch deutlich teurere 
Ladecontroller von Microchip oder Maxim bei ca. 10% des Ladestroms 
abschalten und den LiPo als voll betrachten. Für übliche LiPo-Nutzung 
ist das auch O.K. und schont den Akku, da er so nie ganz voll wird und 
nicht lange im schädlichen Bereich mit hoher Spannungslage bleibt. Die 
Spannung sackt sogar nach dem "Ladeende" ein gutes Stück nach unten 
(sieht man in den Datenblättern).

Für meine Zwecke ist das aber kontraproduktiv, da ich aus 
Gewichtsgründen wirklich das letzte Quäntchen Energie aus dem Akku 
quetschen will - und das muß da erst mal rein. Ein Controller wie der 
MAX 1811 lässt nach dem Ende der Ladung die Spannung von 4,2V stehen und 
der Akku wird so nach und nach schön voll. Da geht bei der 10%-Schwelle 
nur die LED aus, aber effektiv lädt er weiter.

Dummerweise kostet ein MAX 1811 aber über 3 Euro und bei 20 Kanälen sind 
das dann über 60 Euro - und der Ladestrom ist auch nur entweder 100 mA 
oder 500 mA. Ich hätte es aber gerne flexibler und günstiger.

Darum habe ich mir oben angehängte Schaltung überlegt:
Eine Spannungsreferenz aus TL431 erzeugt 4,2V, die dann über jeweils 
einen Spannungsfolger an die 20 Kanäle gelegt wird. Über einen 
Widerstand von 160 Ohm wird sichergestellt, dass nicht mit mehr als 5 mA 
nachgeladen wird.

So wie ich es sehe sollte das funktionieren und denn der TP4056 verträgt 
das, schließlich muß der auch damit rechnen, dass ein voll geladener 
Akku angeschlossen wird.

Benötige ich noch irgendwo Kondensatoren um evtl. Schwingneigungen zu 
unterdrücken? Hat jemand eine bessere Idee?

Gruß,
Bernd

[rcc (Gast)]

Wenn du mit 1C lädst und bei C/10 aufhörst rechne erstmal nach wie viel 
mehr du noch in die Zelle bekommst wenn du den Ladestrom z.B. erst bei 
C/20 statt C/10 beendest. Wenn die Zelle und die Kontaktierung(!) i.O. 
sind macht das typischerweise weniger als 1% aus. Wenn es bei C/10 beim 
Abschalten einen merklichen Spannungsabfall gibt ist eh was anderes 
faul.

[Bernd O. (bitshifter)]

rcc schrieb:
> Wenn du mit 1C lädst und bei C/10 aufhörst rechne erstmal nach wie viel
> mehr du noch in die Zelle bekommst wenn du den Ladestrom z.B. erst bei
> C/20 statt C/10 beendest. Wenn die Zelle und die Kontaktierung(!) i.O.
> sind macht das typischerweise weniger als 1% aus. Wenn es bei C/10 beim
> Abschalten einen merklichen Spannungsabfall gibt ist eh was anderes
> faul.

Der Spannungsabfall ist wohl normal. Ich habe mal einen Ausschnitt aus 
einem Microchip-Datenblatt angehängt, bei dem man das bai 180 s 
(schwach) erkennen kann. Dann noch zwei Bildchen der Spannung von einer 
eigenen Messung mit dem TP4056 (an einer 100 mAh Zelle). Da sieht man 
deutlich, wie die Spannung nach dem Abschalten (nach ca. 4000 s) um 10 
mV wegsackt.

Als letztes Bild noch die Strommessung (eines anderen Ladevorgangs). Die 
Messung war eine indirekte Strommessung (über den Spannungsabfall am 400 
mOhm Widerstand) und ist entsprechend verrauscht, aber man sieht die 
Abschaltschwelle deutlich.

Vielleicht ist das bei "normalen" LiPos auf Handy und Co. nicht so 
ausgeprägt wie bei Hochstromzellen, die man innerhalb von ein paar 
Minuten leerzieht?

Gruß,
Bernd

[rcc (Gast)]

10mV sind jetzt nicht gerade "ein gutes Stück" (vor allem wenn man sich 
die typischen Messtoleranzen da noch mit anschaut)
In Deinem vorletzten Bild sackt die Spannung auch nur um 5mV ein, alles 
was danach kommt ist Relaxation in der Zelle, die hat man immer wenn man 
nicht gerade 4 oder 5h lang  CV Laden will. Der kleine Abfall ist aber 
normal, kommt direkt ausm ohmschen Gesetz
Aus deinem letzten Bild kannst Du dir grob ausrechnen was noch in die 
Zelle reingeht wenn man den Cut-Off-Strom kleiner macht, einfach die 
Stromkurve weiterinterpolieren und dann mal drüber integrieren. Mehr als 
1% wird das nicht.

[Bernd O. (bitshifter)]

rcc schrieb:
> 10mV sind jetzt nicht gerade "ein gutes Stück" (vor allem wenn man sich
> die typischen Messtoleranzen da noch mit anschaut)
> In Deinem vorletzten Bild sackt die Spannung auch nur um 5mV ein, alles
> was danach kommt ist Relaxation in der Zelle, die hat man immer wenn man
> nicht gerade 4 oder 5h lang  CV Laden will. Der kleine Abfall ist aber
> normal, kommt direkt ausm ohmschen Gesetz
> Aus deinem letzten Bild kannst Du dir grob ausrechnen was noch in die
> Zelle reingeht wenn man den Cut-Off-Strom kleiner macht, einfach die
> Stromkurve weiterinterpolieren und dann mal drüber integrieren. Mehr als
> 1% wird das nicht.
Hallo rcc,

Das Problem ist, dass ich den Cut-Off-Strom gar nicht beeinflussen kann, 
da der TP4056 eben nur diese eine Schwelle bei 10% kennt.

Ich vermute aber, dass mir tatsächlich Energie fehlt, denn ich kann beim 
Fliegen einen Unterschied erkennen, wenn ich eine Zelle, die mit dem 
MTP4056 geladen wurde mit einer Zelle vergleiche, die ca. 24h lang an 
einem Ladegerät mit CV (am Schluss) geladen wurde. Die finale 
Spannungslage beim CV-Lader ist 4.216 V (gemessen mit dem gleichen 
Multimeter wie für die Messungen oben) und Relexation gibt's 
erwartungsgemäß auch keine nennenswerte mehr, denn nach 10 Minuten ohne 
Ladegerät liegt die Spannung am Akku beim 4,215 V).

Wenn ich mir die Steigung der Spannung im linearen Bereich von 1000 s 
bis 2000 s und um 3000 s ansehe, dann komme ich ca. auf 100 µV/s (bei 85 
mA Ladestrom).
Mit dem CV-Lader komme ich wie geschrieben auf 4,216 V. Mit dem TP4056 
nach der Relaxation auf 4,172 V. Das ergibt also eine Differenz von 44 
mV.

Ausgehend von einer Steigung von 100 µV/s könnte man also noch 440 s 
länger laden, was bei 85 mA eine zusätzliche Ladung von 10 mAh bedeutet. 
Bei einem 160 mAh Akku ist das schon ordentlich (6 % mehr).

Wenn man das auf die Spitze treiben würde und bis zur erlaubten 
maximalen Spannung von 4,23V ginge (erlauben alle Hersteller; manche 
erlauben auch 4,25V und gefährlich wird's ab 4,3 V), dann ergäbe das 
eine zusätzliche Ladung von knapp 14 mAh (9 % mehr).

Nun sind 9 % natürlich nicht sehr viel, aber die Modelle, die ich fliege 
operieren ziemlich am Ende der Leistungsfähigkeit von LiPos generell und 
es gibt eigentlich nur zwei Markenzellen, mit denen man halbwegs 
brauchbare Leistungen erhält, der Rest bricht aufgrund der relativ hohen 
Stromentnahme bei manchen Manövern weg (Low-Voltage-Cutoff).

Mir scheint, dass sich CV am Ende für mich lohnen könnte, da ich die 
Akkus ohnehin mehrere Stunden nach dem Leerfliegen nicht mehr benötige, 
da die Konzentration nach 30 - 40 Minuten fliegen weg ist und ohnehin 
eine längere Pause (nächster Tag) nötig ist. Sprich - mir bringt's 
nichts, wenn der Akku nach 1h wieder voll wäre.

Gruß,
Bernd

[Bernd O. (bitshifter)]

Hallo zusammen,

ich habe die Idee mit den OPVs aus meinem ersten Posting wieder 
verworfen und mir noch eine leicht andere Lösung überlegt. Ist auch 
minimal billiger, da's den TL431 (Original ST) für unter 10 ct gibt wenn 
man 100 nimmt und ich sowieso genug Metallfilm-Widerstände rumliegen 
habe, die ich dank SMD immer seltener brauche.

Wenn ich dem Ausgang eines jeden TP4056 die beigefügte Schaltung 
nachschalte, dann müsste ich eigentlich nachgeschaltetes CV-Laden 
hinbekommen.

Mit R1 und R2 komme ich auf einen maximalen Strom von unter 5mA in der 
Nachladephase. R2 habe ich drin, damit garantiert nie der Fall auftritt, 
dass der TP4056 aufgrund von leicht unterschiedlichen Spannungsschwellen 
zwischen TP4056 und TL431 seine 100 mA komplett in den TL431 schickt. In 
diesem Falle würde er nie sein 10%-Limit erreichen und den TL431 wohl 
irgendwann thermisch plattmachen. Mit den 20 Ohm fließt bei den kleinen 
Spannungsdifferenzen, die worst-case zu erwarten wären (bei schlechtem 
Abgleich über R3/R4) ein Strom, der immer kleiner sein wird als die 10 
mA, bei denen der TP4056 abschaltet.

Die exakte CV-Spannung würde ich über R3/R4 und einen hochohmigen 
Widerstand parallel zu einem der beiden Widerstände abgleichen (habe 
noch einen LT 1021 CCN8-5 mit initial ±0.05 % als Referenz fürs 
Multimeter rumliegen).

Die Genauigkeit/Stabililität des TL431 müsste doch nach "Handabgleich" 
bei offenem Aufbau (kaum Temperaturschwankungen) und ziemlich stabilen 
5V Versorgung (lokaler DC/DC-Wandler) ausreichen - oder? Leider gibt's 
keine Angaben zur Stabilität über die Zeit, sondern nur über die 
Temperatur. Hat da jemand Erfahrungen bzw. eine Meinung dazu?

Gruß,
Bernd

[Bernd O. (bitshifter)]

Bernd O. schrieb:
> Die Genauigkeit/Stabililität des TL431 müsste doch nach "Handabgleich"
> bei offenem Aufbau (kaum Temperaturschwankungen) und ziemlich stabilen
> 5V Versorgung (lokaler DC/DC-Wandler) ausreichen - oder? Leider gibt's
> keine Angaben zur Stabilität über die Zeit, sondern nur über die
> Temperatur. Hat da jemand Erfahrungen bzw. eine Meinung dazu?
Hallo nochmals,

wenn hier gerade wohl alle Vatertag feiern, dann antworte ich mir 
einfach mal selbst ;-)

Ich habe mir die Auswirkung der thermischen Stabilität nun mal genauer 
angesehen - und das sieht sehr gut aus in Punkto "Sicherheit vor zu 
hoher Spannung", denn die wesentlichen Temperaturabhängigkeiten, die die 
Schaltung aufweist sind die Temperaturabhängigkeit der Referenzspannung 
und die Temperaturabhängigkeit des Eingangsstroms am Referenzeingang.

- Temperaturabhängkgkeit Referenzspannung:
Sie beträgt maximal 17 mV über den gesamten Temperaturbereich aber 
praktischerweise liegt das Maximum der Referenzspannung bei 
Raumtemperatur und die Minima bei höheren oder niedrigeren Temperaturen. 
Wenn ich also bei Raumtemperatur abgleiche, dann kann die CV-Spannung am 
Lipo über diese Temperaturabhängigkeit nur kleiner werden. Im Extremfall 
wären das dann 17 mV * (4,2V/2.5V) = ca. 30 mV weniger am Lipo.

- Temperaturabhängigkeit des Eingangsstroms am Referenzeingang:
Sie beträgt maximal 1,2 µA über den gesamten Temperaturbereich. Über den 
Innenwiderstand des Spannungsteilers (ca. 4,8 kOhm) entspricht das einer 
Spannungsänderung von maximal 6 mV. Auf die Spannung am LiPo 
hochgerechnet (4.2V/2.5V) wären das dann max. 9 mV. Hier ist es so, dass 
der Strom mit steigender Temperatur sinkt. Der Spannungsabfall am 
Innenwiderstand des Spannungsteilers sinkt dann ebenfalls und am 
Referenzeingang des TL431 steigt die Spannung an, was der TL431 mit 
einer Absenkung der LiPo-Spannung kompensieren wird.
Es ist also so, dass bei Erwärmung die CV-Spannung praktischerweise 
sinkt. Für Temperaturen um 0°C wären es maximal ein paar (2-3) Millivolt 
mehr, was aber vermutlich von der sinkenden Referenzspannung 
(über)kompensiert wird und selbst wenn nicht keine Rolle spielen sollte.

=> Damit kann ich gut leben, denn wenn ich mal 0°C oder 70°C im 
Wohnzimmer habe ist es mir bestimmt egal, wenn die LiPos nicht ganz voll 
werden ;-)

Jetzt sind noch zwei Dinge ungeklärt:
1) Die Angaben im Datenblatt gehen von einem Querstrom von 10 mA aus, 
ich brauche aber nur 5 mA. Hier vermute ich, dass sich die Parameter 
bezüglich Temperaturabhängigkeit bei niedrigerem Strom nicht nennenswert 
ändern. Weiß hier jemand genaueres?
2) Es gibt keine Angaben zur Langzeitstabilität des TL431? Jedenfalls 
konnte ich keine finden.

Gruß,
Bernd

[Bernd O. (bitshifter)]

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