LiMnO4 am Laderegler lassen?

[Conny G. (conny_g)]

Jetzt hab ich mit mehr Gewalt als vorher endlich das Gehäuse meines 
alten Philips Akkusaugers aufbekommen und mache mal die Umrüstung auf 
LiMn, die ich schon lange vor hatte.
Netterweise passen die LiMn mit wenigen kleinen Ausschnitten in das alte 
Akkugehäuse und alle sonstige Verkabelung passt prima, ich muss nur die 
NiMH Ladeschaltung in den LiIon Regler tauschen.

Werde 4 solche LiMn verwenden, den Sauger also statt der ursprünglichen 
12V mit 4s also 4x3.6 = 14.4V betreiben. (Wenn er es auf Dauer nicht 
aushält, dann geht er da hin wo er sonst schon wäre - in den Müll).
Die LiMn Zellen haben Schutzbeschaltung, die habe ich auch schon 
getestet, schalten brav ab bei 2.5V.

Als Laderegler werde ich so ein Modul verwenden:
https://www.mikrocontroller.net/attachment/189222/LM2596S-ADJ.jpg

Das regelt auf max Strom zuerst, max Spannung später.
Ich würde das auf 4.1 x 4 = 16.4V einstellen und auf 1A.

Es ist also fast alles abgedeckt, was ich brauche, Tiefentladung, 
Ladekurve. Umschaltung zwischen Betrieb und Laden erledigt die clevere 
Verkabelung des Saugers, das mach der Ein-/Ausschalter des Saugers mit.

Jetzt bleibt noch eines offen:
Der Laderegler schaltet nicht ab bei 1/10tel C, also ca. 150mA.

Ist es ok, die Akkus dran zu lassen und es fließt eben nur noch ein 
winziger Ladestrom oder keiner mehr?
Der Staubsauger würde ja die meiste Zeit einfach in der Ladestation 
stehen und die Akkus an ihren 16.4V hängen.
Meine Meinung wäre: solange die Spannung begrenzt ist passiert da nichts 
weiter. Auch wenn ich gelesen habe, dass LiIon Maximale Ladung gar nicht 
so gerne mögen und sehr viel schneller altern. Kommt dann darauf an wie 
schnell. Wenn der Sauger noch 1-2 Jahre tut, prima.

[Conny G. (conny_g)]

http://cds.linear.com/docs/en/design-note/dn188f.pdf

Most battery manufacturers recommend that charging be terminated roughly 
one hour after the current has fallen to 10% of its peak value. 
Alternatively, a timer can be started when charging begins, with 
time-out used to suspend charging once sufficient time has elapsed to 
charge a fully depleted cell.

... ja, sie empfehlen das. Aber was passiert, wenn ich nicht aufhöre?

[Conny G. (conny_g)]

http://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_prolong_lithium_based_batteries

Besides selecting the best-suited voltage thresholds for a given 
application, a regular Li-ion should not remain at the high-voltage 
ceiling of 4.20V/cell for an extended time. The Li-ion charger turns off 
the charge current and the battery voltage reverts to a more natural 
level. This is like relaxing the muscles after a strenuous exercise. 
(See BU-409: Charging Lithium-ion)

.... ok, Muskeln entspannen, aber was passiert, wenn ich nicht tue?

[Conny G. (conny_g)]

http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_lithium_ion_batteries

Li-ion cannot absorb overcharge. When fully charged, the charge current 
must be cut off.
*A continuous trickle charge would cause plating of metallic lithium and 
compromise safety. To minimize stress, keep the lithium-ion battery at 
the peak cut-off as short as possible.*

Once the charge is terminated, the battery voltage begins to drop. This 
eases the voltage stress. Over time, the open circuit voltage will 
settle to between 3.70V and 3.90V/cell. Note that a Li-ion battery that 
has received a fully saturated charge will keep the voltage elevated for 
a longer than one that has not received a saturation charge.

When lithium-ion batteries must be left in the charger for operational 
readiness, some chargers apply a brief topping charge to compensate for 
the small self-discharge the battery and its protective circuit consume. 
The charger may kick in when the open circuit voltage drops to 
4.05V/cell and turn off again at 4.20V/cell. Chargers made for 
operational readiness, or standby mode, often let the battery voltage 
drop to 4.00V/cell and recharge to only 4.05V/cell instead of the full 
4.20V/cell. This reduces voltage-related stress and prolongs battery 
life.


... Hier wird’s jetzt konkreter, der Akku nimmt Schaden. Also muss man 
den Strom abschalten.

[Conny G. (conny_g)]

Overcharging Lithium-ion

Lithium-ion operates safely within the designated operating voltages; 
however, the battery becomes unstable if inadvertently charged to a 
higher than specified voltage. Prolonged charging above 4.30V on a 
Li-ion designed for 4.20V/cell will plate metallic lithium on the anode. 
The cathode material becomes an oxidizing agent, loses stability and 
produces carbon dioxide (CO2). The cell pressure rises and if the charge 
is allowed to continue, the current interrupt device (CID) responsible 
for cell safety disconnects at 1,000–1,380kPa (145–200psi). Should the 
pressure rise further, the safety membrane on some Li-ion bursts open at 
about 3,450kPa (500psi) and the cell might eventually vent with flame


.... Die Zelle produziert Co2 und bläht sich auf.

[Conny G. (conny_g)]

Ok, damit habe ich mich jetzt entschieden dem LM2596-Modul einen 
Abschalter dranzuhängen bzw. vorzuschalten.

Ich würde das so machen, dass ich dem LM2596 ein paar Sekunden gebe 
loszulegen und danach prüfe ich, ob der Ladestrom unter 100mA liegt und 
wenn ja, dann schalte ich die Spannungsversorgung des Moduls per PNP 
MOSFET ab.

Erst mit Trennen vom Netz und neu verbinden (was auch durch das 
Einschalten und wieder Ausschalten des Saugers geschieht) würde dann der 
nächste Ladeversuch unternommen werden.

So, jetzt mal nachdenken, wie ich das machen würde.

[Conny G. (conny_g)]

So in der Art würde ich mir das vorstellen.

Die Schaltung hängt am Ausgang des Lademoduls, das auf 16.4V 
Ladespannung eingestellt ist (4x4.1V).
Der Ausgang ist rechts unten durch den Widerstand "Battery" darstellt, 
hier hängt der 4s LiMn-Akku.

Zur Abschaltung nutze ich die "Ladung abgeschlossen"-LED des Lademoduls, 
sie ist an den positiven Eingang des Opamp angeschlossen. Ich nehme an, 
dass die Spannung bei ca. 2V liegt (typische LED Flussspannung).
Diese Spannung wird verglichen mit einer Referenzspannung von etwa 1.5V, 
die ich per Spannungsteiler an den negativen Eingang des Opamp anlege.

D.h. der Opamp (der hier als Komparator eingesetzt ist) schaltet den 
Ausgang LOW/GND, wenn die LED des Lademoduls geschaltet wird.

D.h. sobald das Lademodul signalisiert, dass der Ladestrom den per Poti 
eingestellten Schwellwert unterschreitet (bei mir 100mA bei 1C-Ladestrom 
von 1.5A) unterbricht der p-MOSFET den Strom durch den Akku.

Dann ist über den C2 noch eine Verzögerung von 7 Sekunden eingebaut, die 
dafür sorgt, dass der n-FET erst einmal durchgeschaltet wird und der 
Zustand der LED erst nach diesen 7 Sekunden geprüft wird.
Der C2 sorgt dafür, dass die Referenzspannung mit die LED-Spannung 
verglichen wird erst einmal von der Versorgungsspannung beginnt und 
langsam auf die 1.5V absinkt.
Damit ist es für diese 7 Sekunden egal wie das LED-Input steht, der Akku 
wird auf jeden Fall geladen.

Das ist nötig, da die LED immer sofort angehen würde, wenn der MOSFET 
geschlossen würde, da in der Ladeschaltung über den Shunt der gemessen 
wird kein Strom fliesst.

Nun gibt es noch die Situation, dass die Ladespannung wg. CCCV anfangs 
erst einmal heruntergezogen wird.
Das sollte auch passen, da in diesem Fall die LED der Ladeschaltung 
sicher aus ist und damit dieser Input bei GND, damit wäre es egal, dass 
die Referenzspannung auch absinkt, sie sollte immer noch darüber liegen.

Das angehängt Bild ist die Simulation der Einschaltsituation.
Die Spannung schaltet nach 100ms auf 16.4V.
Der Opamp schaltet sofort den MOSFET durch, der Akku bekommt Ladestrom.
Dann fällt V_ref langsam auf den Zielwert von 1.5V.
Falls nach 6.5-7s die LED der Ladeschaltung anging (Ladestrom < 100mA) 
Schaltet der Opamp den MOSFET ab, der Akku wird nicht mehr geladen.

Was haltet ihr davon, funktioniert das so?

Ich muss natürlich noch prüfen, ob die LED der Ladeschaltung an GND 
liegt, ich kann mich aber von einem früheren Experiment daran erinnern, 
dass das so ist.

[Conny G. (conny_g)]

Ich führe Selbstgespräche, hat keiner eine Meinung dazu? :-)

[Conny G. (conny_g)]

Ich probier das aus, wenn ihr nichts dazu sagt!! :-D

[Conny G. (conny_g)]

Aufgebaut ist es schon mal...

[Conny G. (conny_g)]

Verhielt sich seltsam, v.a. wenn der Lader die Spannung runterzieht.
Hab mich jetzt entschieden es auf n-MOSFET / Lowside umzubauen und die 
Schaltung nicht mehr aus dem Ladestrom zu versorgen sondern mit den 24V 
die am Lader anliegen.
Umbau ist gemacht, getestet wird morgen.

[Conny G. (conny_g)]

Schaltplan der Überarbeitung anbei.

Habe diese umgebaute Schaltung heute zunächst einmal mit einer 
elektronischen Last anstatt eines Akku getestet, da funktioniert sie wie 
sie soll:
- ist der Akku voll (Ladestrom < 150mA) wird der MOSFET für ein paar 
Sekunden (ca. 6s) durchgeschaltet und dann abgeschaltet, da beim Lader 
die "OK" LED an ist. Dieser Zustand bleibt erhalten bis die Abschaltung 
vom Strom getrennt und wieder neu angeschlossen wird - was beim 
Staubsauger durch den Ein-/Ausschalter geschehen wird
- wird der Akku regulär geladen (Ladestrom > 150mA) wird abgeschaltet 
sobald die "OK"-LED des Laders angeht. Wiederum bleibt das bis zum 
"Reset" der Abschaltung dann so.

Hier ein Video dazu:
https://www.youtube.com/watch?v=2fD0xvbmxXI

Jetzt steht an, das mit Akku statt Stromsenke zu testen.

[Conny G. (conny_g)]

Gewonnen.
Es funktioniert auch am Akku.
Bei vollem Akku wird nach Stromzufuhr nach 6s abgeschaltet.
Bei teilentladenem Akku wird bei der am Lademodul eingestellten Schwelle 
für die „Ok“ LED der Akku abgeklemmt / das MOSFET Gate auf Gnd gelegt.
Damit kann ich jetzt meinen Sauger mit den LiMn, dem LM2596-Lader und 
der Akku-Voll-Abschaltung zusammenbauen!

Danke für Eure Hilfe ;-)
(Aber manchmal führen Selbstgespräche auch weiter).

P.S. Ich werde dem MOSFET noch einen Pulldown am Gate spendieren. Sonst 
könnte der Akku sich darüber entladen, wenn der bei abgeschaltetem Strom 
eine Ladung aufs Gate bekommt, warum auch immer.

[Conny G. (conny_g)]

Anbei die Schaltung aktualisiert, mit Pulldown für den MOSFET und einen 
Fehler bei den +/- Inputs beim Opamp korrigiert, war falsch herum 
eingezeichnet.

Btw, der Opamp ist ein LM358 (u.a. wg. Spannungsfestigkeit >24V), der 
MOSFET ein IRL1404 (V_gs_max 20V).
Die maximale V_gs passt mit 20V nicht ganz optimal, ich hoffe der FET 
verzeiht mir die 22V die da anliegen.
Wäre was für einen eigenen Thread zu diskutieren, wie empfindlich ein 
MOSFET bei Überschreitung der maximalen V_gs ist...

[Conny G. (conny_g)]

Hier ist nun das fertige Stück, jetzt wird der Sauger zusammengebaut.

Noch 2 Korrekturen / Ergänzungen:
Eine 4.7V Zener Diode nimmt Spannung vom MOSFET, der V_gs_max 20V hat, 
jetzt bekommt er 16.5V.
Ein Header stellt 8mA für eine LED zur Verfügung die den Ladevorgang 
anzeigt.

[Conny G. (conny_g)]

So, die Verkabelung ist gemacht.
Der Sauger geht jetzt wie der Teufel, zieht 9A statt vorher 6A.
Gut, dass der Akku nur ein paar Minuten halten wird, sonst fackelt mir 
der Motor ab. Der hält jetzt solange er hält, wir werden sehen.

https://youtu.be/RajgSlXjy78