Is onderstaande analyse correct ?

pamwikkeling

Special Member

Is onderstaande analyse correct ?

In bijlage een deel van het schema voor de beveiliging van een li-ion batterij.
Het schema zou de batterij beveiligen tegen
- te diep ontladen (over discharge beveiliging)
- te grote ontlaad stroom
- kortsluiting
Verder zit er een systeem in om de cellen te egaliseren.

*** Kortsluit beveiliging (Q14 en Q15 zijn in geleiding) (bruine deel van het schema)
Volgens de datasheet van de gebruikte FET (TK80E08K3), kan deze een kortstondige piekstroom trekken van 240A (Ipuls = 240A)
Er worden twee FET’s parallel gebruikt waardoor de Rds (On) halveert en de toegelaten stroom verdubbelt.
Indien de Rds (On) gelijk is aan 0,007 ohm, geeft dit een Uds van (U = R*I) 2 * 240 * 0,007 /2 = 1,68V.
Deze 1,68V spanning gedeeld door R31 en R27 geeft 1,68 * 2M2/3M7 = 0,99V op de basis van Q10 waardoor deze gaat geleiden en de spanning over D2 omlaag trekt en daardoor de gates van Q14 en Q15 op dezelfde spanning legt als hun sources. Hierdoor wordt de belastingkring onderbroken.

Berekening van de minimale kortsluitstroom voordat de FET’s uit geleiding gaan:
Stel Q10 begint te geleiden vanaf 0,5V tussen basis en emitter.
Hiervoor moet de spanning aan de source van Q15 een waarde hebben van 0.5 * 3M7/2M2 = 0.84V
Door de FET moet hiervoor dan een stroom lopen van Uds = I x Rds _ _ _ of _ _ _ I = Uds/Rds _ _ _ of _ _ _ 0,84 / 0,007 = 120A
Vermits er twee FET’s parallel staan, verdubbelt de stroom en bedraagt dan 240A.

*** Over discharge beveiliging (groene deel van het schema)
Om de cellen te beschermen moet de ontlading stoppen als de celspanning daalt tot beneden 2,5V.
IC1 (DS-HY2116-AB6B) heeft een detectie systeem dat in werking treedt als de cel spanning 2,4V is.
(Overdischarge detection voltage 2,400V).

Indien de spanning van Bat 1 nog slechts 2,4V bedraagt, wordt de uitgang 1 van IC1 laag en gaat Q7 geleiden. Hierdoor komt er op de basis van Q9 een spanning van 2,4V * 2M2 / (2M2 + 1M + 470K) = 1,44V. Het gevolg is dat Q9 in geleiding komt en de spanning over D2 omlaag trekt en daardoor de gates van Q14 en Q15 op dezelfde spanning legt als hun sources. Hierdoor wordt de belastingkring onderbroken.

*** Overstroom beveiliging (+/- 78,6A) (blauwe deel van het schema)
Stel dat transistor Q16 begint te geleiden indien er een spanningsverschil van 0,5V staat tussen zijn basis en emitter. Om dat spanningsverschil van 0,5V te krijgen moet er door R42 een stroom lopen van I =U/R of I = 0,5/2M2 = 0,23 µA. Diezelfde stroom loopt, bij benadering, ook door R34, en hierdoor ontstaat daarover een spanning van U =R*I of 0,23 µA x 220K = 0,05V.
Hieruit volgt dat P- op een potentiaal van 0,5V + 0,05V = 0,55V staat ten opzichte van B-
Deze 0,55V staat over de Rds (ON) weerstand van de 4 FET’s.
Als de Rds(ON) van één FET gelijk is aan 0,007? dan is de stroom door de 4 FET’s gelijk aan I = U/R _ _ _ of _ _ _ 0,55/0,007 = 78,6A.

Dus indien de stroom door de FET’s hoger wordt dan 78,6A gaat Q16 in geleiding waardoor het knooppunt van de weerstanden R28 en R34 via R25 verbonden wordt met 14,4 V (4 x 3,6V).
Hierdoor gaat Q11 geleiden en wordt de 12V zenerspanning over D2 kortgesloten.
Het gevolg is dat de gate van Q14 en Q15 op dezelfde potentiaal komen als hun source, hierdoor gaan Q14 en Q15 sperren en stopt de stroom.

*** Egaliseren van de cellen (rode deel van het schema)
Indien de spanning van een cel boven de 4,28V stijgt wordt de over charge uitgang (Ocharge) laag.
Hierdoor gaat Q8 geleiden en wordt de laadstroom van de cel afgeleid via weerstanden R22, R16 en D1. De cel gaat hierdoor minder snel opladen.

Shiptronic

Overleden

Wie de vraag stelt, zal met het antwoord moeten leren leven.
pamwikkeling

Special Member

Is er echt niemand die zich geroepen voelt .....

@Shiptronic het gaat inderdaad om hetzelfde schema.

[Bericht gewijzigd door pamwikkeling op donderdag 16 februari 2017 23:23:05 (37%)

Je post een aantal halve schemas. Die moeten we aan mekaar gaan puzzelen of zo?
Ja, balanceren werkt door een belasting op de "te hoog geladen" cellen te zetten.

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

De kortsluitbeveiliging gaat niet werken. Bij de minste of geringste afwijking van die 7mΩ gaat je hele berekening de mist in.
Wat zijn de functies van Q12, Q13 en Q19 en bijbehorende componenten?
Bij kortsluiting moeten de FETS afgeschakeld worden. Naar mijn mening hoort bij kortsluitdetectie een flipflop-functie bij. Die zie ik niet zo gauw in je schema. Hoe heb je dat opgelost?
Wat is het nut van C8 in serie met C9? De tekening wordt netter als je deze vervangt door een condensator van 100nF. Geldt ook voor C1 en C2. Of heb je alleen maar condensatoren van 220nF?

[Bericht gewijzigd door ohm pi op vrijdag 17 februari 2017 19:14:13 (20%)

Ohmpi, gezien de vragen had ik geconcludeerd dat ie het schema ergens vandaan heeft, en niet zelf heeft ontworpen. Maar goed, ik gis maar wat.

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/
pamwikkeling

Special Member

@ rew, het gaat over een groot schema, maar het zo posten maakt het onleesbaar. Vandaar dat het in stukken gehakt is en deze zijn boven elkaar gezet.

Het schema is ook niet zelf ontworpen. Maar ik had graag de werking ervan doorgrond en de zwakke kanten ervan gevonden.

Ik denk dan aan de manier van egaliseren. Deze gebeurd via een weerstand van 820K en 2M ohm. Hierdoor loopt er volgens mij een zodanig kleine egalisatie stroom, dat die bijna geen effect heeft.
De oplader van de batterij levert tot 1.5A bij 42 volt. Hoe ga je dan egaliseren met een egalisatie stroom in de grootte orde van micro ampères....

@ ohm pi ik heb geen idee wat de werking van Q12-Q13 en Q19 is.
Aan de hand van de condensatoren te zien, vermoed ik een functie die iets met veel hoogfrequent inhoud te maken heeft. Waarbij de condensatoren een kortsluiting vormen voor het hoogfrequent gedeelte. Kortsluitpieken beveiligen ?

De batterijen (Bat 1 - Bat 4) zijn 18650 types die 2.2 Ah capaciteit hebben bij 3.7V. Er staan telkens 2 batterijen parallel.
Volgens de datasheet van Samsung 18650 types mogen deze ontladen worden met max 22A (2 parallel komt dus op 44A). Maar in dat geval is de stroom waarbij de Q11-Q16 beveiling in werking treed (78.6A) nog veel te hoog....

Het enige zinvolle dat ik vind is volgende vereiste: een cel mag niet exploderen of vuur vatten in geval de cel wordt kortgesloten over een 50 milli ohm weerstand gedurende 10 minuten. (4.2V over 50 milli ohm geeft 84A)

Volgens mij staan er fouten in, je hebt waarschijnlijk de print overgetekend... Q12 kan zo niet werken, Q19 staat verkeerd..

LDmicro user.
RAAF12

Golden Member

Wat een bak vol met onderdelen, dat zit bijna allemaal in een chippie, zoals de MAX8900, MC32BC3770, FAN5400 en bq25898 Allemaal geschikt om Li-ion veilig te laden.
edit: het kan met veel losse onderdelen, maar maak er geen rookbom of erger van....

[Bericht gewijzigd door RAAF12 op zondag 19 februari 2017 23:44:16 (21%)

KGE

Golden Member

Op 19 februari 2017 19:38:46 schreef MGP:
Volgens mij staan er fouten in, je hebt waarschijnlijk de print overgetekend... Q12 kan zo niet werken, Q19 staat verkeerd..

En niet te vergeten Q13 en Q14 staan ook op de kop. De vrijloopdiodes zorgen voor een mooie 'doorloop'..
Allemaal zeer hoogohmige weerstanden etc.

Het hele onderste deel van het schema lijkt meer uit een 'random circuit generator' afkomstig te zijn.

pamwikkeling

Special Member

Ik heb het schema (nauwkeurig) afgetekend van de originele print.
Bij een tweede controle blijkt dat Q12, Q13, Q14, Q15 en Q19 op de print staan zoals ze getekend werden in het schema.

Ik weet wel niet of de print correct werkt, want dat is nu juist de achterliggende vraag.

In onderstaande tabellen zie je wat die 2L en C1 nog kunnen zijn en daarom heb ik sterke twijfels over uw schema.

Wat is het typenummer van dat IC?
al gevonden in uw tekst.

Wat mij ook tegen de borst stuit zijn de fets Q14 Q15 Q17 Q18 die boven elkaar staan.
De sturing moet tussen de Source en de Gate gebeuren, zie maar eens bij Q14 en Q15 en volgens mij is die schakeling niet juist.

Bij nader onderzoek gezien dat het toch zo moet maar het blijft heel onduidelijk hoe die mosfets aangestuurd worden.

Door de onzekerheden over de juistheid van het schema is het heel moeilijk een antwoord op uw vragen te geven.

LDmicro user.

Als je een print hebt zitten natekenen, dan is het niet ondenkbaar dat er fouten in het overtekenen zitten.

Dat kan zijn dat je een weerstand op z'n kop hebt gelezen omdat de cijfers dan ook toevallig leesbaar zijn, of omdat ze een rare variant van een tor hebt, waarbij de pinning anders is.

Zoals ik al eerder heb gezegd: Zo'n balancer kan enkele tientallen mA aan balancing stroom door een (vaak fysiek grotere) weerstand laten lopen. Ik zie vaak 150 ohm, dus dan gaat het om 28mA.

In theorie is de batterij zodanig uit balans dat er 1.5A door een paar cellen moet en dat er dus 1.5A aan balancing stroom uit de reeds volle cellen getrokken moet worden. Dit zal, mits een pack symmetrisch geassembleerd wordt, niet voorkomen. Dan is die 30mA gewoon prima om dat laatste beetje lading-te-veel te balanceren. Merk op dat deze balancering ook door zou gaan nadat het laden gestopt is als ie tijdens het laden onvoldoende lading heeft weten weg te stoken.

P.S. Als je zo'n schema tekent om hem te gaan begrijpen, teken dan 1x Q14/Q15, Met een voetnoot leg je uit dat het er in werkelijkheid 2 zijn.

p.S.2: Hier is een BMS/balance ding van mij. Hier zitten per level 2x68 Ohm.

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

Om nog maar eens een voorbeeld te geven, onderstaande schakeling kan niet werken.

Als je de datasheet van het ic erop naslaat zul je merken dat alle beveiligingen afhankelijk zijn van de celspanning, nergens wordt de stroom gemeten of metingen gedaan op de mosfets(Rin).
Ik denk dat je op die manier heel veel stroom uit die accupacks kunt trekken zonder stroominstellingen.

LDmicro user.
pamwikkeling

Special Member

In bijlage de foto van de print.
Over deze foto werden met AutoCad de printbanen en de componenten opnieuw getekend. Hieruit werd het schema afgeleid.

Voor de juist component nummers moet je naar deze link gaan.
https://www.circuitsonline.net/forum/view/135712

Je ziet op de foto dat de Fets parallel staan en dat ze met hun drain's aan elkaar hangen.

De kleuren van de printbanen op foto 2 komen wel niet overeen met de kleuren op het schema.
De print is dubbelzijdig.

Hier gebeurt de balancing met weerstanden R5 - R10 - R15 - R20 - R25 - R30 - R35 - R50 - R46 en R52.
Dit zijn allemaal weerstanden van 820K (opdruk 824 en nagemeten met ohm meter)
Mijn probleem met de 820K weerstanden is dat de balancing slechts stromen trekt in de grootte van micro amperes.
De batterij wordt normaal geladen met +/- 1.5A maar als de balancing zo klein is ten opzichte van de laadstroom, is er dan geen gevaar voor overcharging (lees : overheating) van de cellen?

@GMP : indien de stroom door de Fets hoog genoeg is, zal er een spanningsval over de Fet's ontstaan. Deze spanningsval is positief ten opzichte van het punt B- (= negatieve klem van de eerste batterij).
Dus de ground (P-) van de schakeling wordt positief ten opzichte van de B-.
Hierdoor kan de basis van Q16 positief worden ten opzichte van de emitter van Q16 wegens de spanningsval over R42.

@Jochem : Bij het overtekenen was de originele print uiteraard aanwezig. Hierop werden de printbanen voortdurend gecontroleerd en gevolgd met behulp van de doorpiep functie op de DMM.
De weerstanden werden gemeten met de DMM waarbij de gemeten waarde wel kleiner mocht zijn dan de opdruk, maar niet groter.
Tijdens het meten was de DMM voorzien van twee naaldvormige meetpennen.
De opdruk van de meeste componenten was goed leesbaar door middel van een sterk vergrootglas.

De waarde van sommige condensatoren (vb C12) kan niet met zekerheid gemeten worden.

De print is dubbelzijdig, maar op de tekening werd alles slechts enkelzijdig weergegeven, vandaar dat sommige printbanen (vb die onder IC8 verdwijnt) afwijken van het getekende patroon.

Bij het overtekenen heb ik toch hier en daar vraagtekens. Ik kan echter vanaf de foto niet beoordelen hoe het werkelijk zit, ik neem aan dat de je de dingen die niet goed zichtbaar zijn hebt nagemeten?

En bijvoorbeeld het in blauw aangegeven spoor dat onder IC8 verdwijnt, waar gaat dat heen en heb je die ook getekend?

If you want to succeed, double your failure rate.