Schaltungsentwurf: LiFe Balancer/Tiefentladeschutz

[Matthias Larisch (Gast)]

Moin!

Ich benötige für eine Anwendung, welche möglichst wartungsarm relativ 
fest eingebaut wird, einen LiFe Balancer und Tiefentladeschutz.

Es werden 4x A123 Zellen mit 2,2 Ah verwendet, geladen wird mit CCCV mit 
4A/variabler Spannung (welche ich einmalig so einstellen will, das bei 
vollen Akkus nur wenig Querstrom im Balancer fließt).

Die MAX9042 sind Dual-Komparatoren mit eingebauter Referenz (2,048V). 
Ausgänge sind dauerkurzschlussfest, daher zum balancen direkt einen der 
Ausgänge benutzt. Laut Datenblatt ergibt das etwa max. 70-80 mA. Wegen 
der unkritischen und im Prinzip gleichen LiFe Akkus reicht das 
vollkommen aus.

Der zweite Komparator soll als Tiefentladeschutz gelten. Jemand ne Idee, 
wie ich das Mosfet/Diodengrab noch vereinfachen kann? Am Ende soll ein 
Standby-Pin von High auf Low geschalten werden...

Spannungsgrenzen Balancer: 3,584V, Tiefentladeschutz: 2,95V

Der LM393 (D2 soll ne Referenzspannung sein) sorgt für einfache 20%/80% 
Ladungsanzeige mit 2 Leuchtdioden an K1.

Was sagt ihr zu den extrem hohen Spannungsteilern an den Komparatoren? 
Der Input Bias Current ist immernoch fast um Faktor 1000 geringer als 
der Strom durch die Spannungsteiler. Einfangen von Störungen? In der 
Nähe der Platine/am Akku hängt ein kleiner filterloser Class 
D-Verstärker auf Basis des TPA3110 oder eventuell mal MAX98400.

Der Ruhestrom der Komparatoren - vermutlich kommt der LM393 noch mit 
hinter den Hauptschalter - ist ausreichend gering, die Akkus werden 
garantiert alle 4-8 Monate nachgeladen.

Kommentare?

Danke!

[Matthias Larisch (Gast)]

Sorry, ich steh mit KiCad noch etwas auf dem Kriegsfuß. Ich liefere ein 
paar Junctions im Schaltplan nach :)

[MaWin (Gast)]

Deine Schaltung signalisiert "Überladung" nicht nach aussen.

Zudem hat die Entladeerkennung keine Hysterese.

Den kurzgeschlossenen Ausgang sehe ich kritisch,
ein Soll-Betriebszustand ist das nicht.

[Matthias Larisch (Gast)]

Moin,

danke fürs Feedback!

Beim Ausgang habe ich lange drüber nachgedacht - nun werde ich wohl doch 
noch  68 Ohm Widerstände in den Ausgang schalten, um auf etwa 20-25 mA 
zu kommen. Die reguläre Spezifikation sieht max. 8mA Source Current, 
bzw. bei 3,6V eher 5-6 mA vor. Die Kurve auf Seite 6 des Datenblatts 
geht wenigstens bis 25 mA (etwa 2V @ 3,6V Vcc)und macht ab dort dann ne 
steileren Knick. Damit sollte ich dann wirklich auf der sicheren Seite 
sein.

Der Chip selbst hat +-3 mV Hysterese (somit ergeben sich dann 6 mV) - 
bezogen auf die Akkuspannung sind das etwa 10 mV. Bei einem angenommenen 
Innenwiderstand von 10 mOhm funktioniert das also bis etwa 1A Laststrom 
ohne "Versorgungspumpen". Das reicht in meinen Augen aus.

Eventuell tausche ich die "STBY"-Leitung noch gegen einen P-Kanal FET 
zum Abschalten der Systemversorgung - welche dann mit über die 
Balancer-Platine geführt werden würde - in diesem Fall habe ich bei den 
beiden äußeren Akkus beim Innenwiderstand noch die Klemmen zu beachten, 
womit dann hier eine zusätzliche Hysterese wirklich sinnvoll wäre.

Überladung muss ich nicht nach außen signalisieren. LiFe Akkus halten 
einiges aus, ich halte mich mit knapp 3,6V pro Zelle am unteren Rand 
der Vollladung, das Ladegerät (ein strombegrenzter Schaltregler mit 
Konstantspannungsausgang, ebenfalls im Gehäuse eingebaut) wird auf 4*3,6 
V=14,4 V eingestellt. Wenn eine Zelle langsam verreckt, wird sie nicht 
doll überladen: Selbst fast leere Zellen werden locker 3,3V haben, dann 
bleibt für die 4. Zelle max. 4,5V über. Dies halten LiFes ohne Schäden 
für die Umwelt aus :) Selbst wenn was passiert: Die Akkus sind in einer 
massiven Holzkiste verbaut. Fängt es innen drin Feuer, hat man noch die 
Chance, das möglichst weit zu entfernen. Die Ladung erfolgt mit 2C, 
somit wird wohl immer unter Aufsicht geladen (geht ja auch zügig) - 
zudem erfolgt der Einsatz nur von mir selbst.

Mir bereiten die hochohmigen Spannungsteiler die größten Kopfschmerzen, 
da ich damit keine Erfahrungen habe. Soll ich einfach um Faktor 10 
runter gehen? Es kostet mich nur etwa ein halbes Jahr Standby-Laufzeit. 
Das Problem ist hier eher, dass man das Nachladen mal vergessen 
könnte...