Akku-Umschalter fuer LiPo-Packs zur Versorgung meiner Schaltung

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Hallo,

ich bastel gerade an einem Projekt (siehe auch anderer Post), aber da ich dort schon zig Fragen reingeworfen habe mache ich hier jetzt noch einen zweiten Thread auf. Ist jetzt nicht zwangslaeufig unbedingt etwas, das mit Arduino umgesetzt werden muss aber da mir auch hier lange Suche keine wirklich guten Ergebnisse gebracht hat frage ich einfach mal.

Ich versorge meine Elektronik per 14,8V Modellbau-LiPos (4 Zellen) und das funktioniert auch recht gut. Ich will nun aber, fuer laengere Einsaetze, die Moeglichkeit zwischen zwei Akkus umzuschalten, was bevorzugt automatisch geschehen sollte. Idealerweise mit einer Schaltung, die die Einzelzellenspannung der LiPos ueberwacht. Alternativ waere ich aber auch bereit eine manuelle Umschaltung zu machen (dann muss ich halt reagieren wenn ein LiPo-Warner losschreit). Dann waere allerdings die Frage, wie ich zuverlaessig waehrend des Schaltvorgangs die Spannung aufrecht erhalte?

Bin hier offen fuer alle Ideen und im Gegensatz zur Schaltung im anderen Thread werde ich die Akkus nicht ins Gehaeuse mit einbauen, daher machen ein paar cm mehr oder weniger mir hier nicht ganz so viel aus.

PS: Natuerlich soll die Schaltung auch bei totalem Abfall der Spannung eines Akkus weiterfunktionieren (Akku 1 leer, Schaltung hat auf Akku 2 geschalten, ich tausche Akku 1).

Liebe Gruesse,
Ingmar

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Hi,

wenn Du mehrere Spannungsquellen hast, musst Du die eigentlich nur mit einer Diode entkoppeln, also jeweils eine in Flussrichtung.
Das ist der einfachste Fall, solange eine Spannungsquelle angeschlossen ist, kann eine andere ausgetauscht werden. Soll es automatisch erfolgen, dann muss die Spannungsstabilisierung von einer Quelle eine leicht höhere Spannung sehen, z.Bsp. 0,2V, die wird dann zuerst entladen ...

Gruß André

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Wenn Du die Batterien mit Dioden entkoppelst dann entladen sich beide Akkus ca gleich. Da hast Du keinen leeren Akku den Du fliegend wechseln kannst während der volle Akku die Schaltung versorgt.
Grüße Uwe

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uwefed:
Wenn Du die Batterien mit Dioden entkoppelst dann entladen sich beide Akkus ca gleich. Da hast Du keinen leeren Akku den Du fliegend wechseln kannst während der volle Akku die Schaltung versorgt.

Naja, da man den Lipo ja nicht ganz leer laufen laesst wuerde es schon gehen, aber eigentlich moechte ich eine "edlere" Loesung. Daher auch die Frage, weil die Dioden-Loesung habe ich schon oefters gelesen, wollte aber eigentlich wenn moeglich gerne eine intelligente Schaltung. LiPo-Warner sind ja eigentlich recht kompakt, da sollte man doch eigentlich auf der Basis deren Grundkonzept dann auch eine Umschaltung realisieren koennen?

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Hi,

ich nochmal. Ich hatte es oben etwas sehr verkürzt dargestellt.
Die einfache Methode: Entkoppeln musst Du eh über Dioden. Bei 2 gleichen Akkupacks und gleichem Ladezustand und gleichen Dioden würden sich die Akkus in etwa gleichzeitig entladen. Bringst Du ein Potentialunterschied (2.Diode), wird sich der Pack mit der höheren (zur Verfügung gestellten) Spannung zuerst entladen, der 2. Akku läuft mit der Differenz der 2. Diode hinterher.
Die intelligentere Lösung schaltet über einen Komparator (1.Akku leer) den 2. Akku, ebenfalls über Dioden entkoppelt dazu, und schaltet den 1. Akku weg, wenn die Umschaltung erfolgreich war.
Ich habe keine Schaltung parat, aber ich würde mir das mit einem OPV und Transistor/FET aufbauen, über den Arduino geht es auch + Transistor/FET.
Um welche Spannung und Stromstärke reden wir denn?

Gruß André

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SpaghettiCode:
Ich habe keine Schaltung parat, aber ich würde mir das mit einem OPV und Transistor/FET aufbauen, über den Arduino geht es auch + Transistor/FET.
Um welche Spannung und Stromstärke reden wir denn?

Batterieumschaltung muss natuerlich nicht unbedingt ueber einen Arduino mitlaufen, wenn nicht noetig. Das waere dann ein zusaetzlicher. Wenn der einem das Leben einfacher macht kaeme es darauf aber auch nicht an.

Es geht um 14,8V (4 Zellen LiPo), also Effektiv so ca. 13,6 - ~16V wenn voll. Stromstaerke sind dann mehrere A, muss mal das Datenblatt meines Steppers raussuchen. (Es werden mit der Zeit noch min. 2 dazu kommen). Hauptverbraucher im ersten Anlauf koennte aber sogar der Raspberry Pi sein, da der doch recht hungrig ist.

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Hallo,
Bis auf das bereits genannten Lösungen, fallen mir nur Relais u. Optokopler ein. Mittels Akku warner steckst du den einen an, schaltest um und der andere kann entfernt werden. Natürlich ist es nicht ganz so einfach, vor allem da ein angezogenes Relais Strom verbraucht, beim Optokoppler ist es genauso, da leuchtet ne Led.

lg dony

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Dioden haben den Nachteil, dass sie Spannungsabfall verursachen. So fehlen dir 0,7V und je nach Strom entsteht auch Verlustwärme.

Besser wäre eine geschaltete Verbindung. Entweder mit Relais (am besten Bi-Stabil), das hat den Vorteil, dass du mittels Umschalter zwischen den beiden Akkus wechseln kannst, oder mit FET.

Man könnte mittels P-Kanal FET die Batterien abkoppeln.
Zwischenablage01.jpg
so werden die Akkus automatisch erst mal "angeschaltet" wenn sie angesteckt werden, der Arduino kann dann gezielt abschalten. Nachteil: wird nicht einer der beiden aktiv ausgeschaltet, fließen Ausgleichsströme.

Oder so:

Zwischenablage02.jpg
Zwischenablage02.jpg819×479 35.4 KB

Den FET verpolen, so nutzt du die integrierte Body-Diode des FET und hast im Ruhezustand eine normale Diodenentkopplung. Du kannst aber durch Ansteuerung die Diode mit dem FET überbrücken und vermeidest Verluste. Nachteil: wenn du beide anschaltest, fliessen Ausgleichsströme. Wenn du den, der um mindestens 0,7V kleiner ist als der andere anschaltest, fliessen ebenfalls Ausgleichsströme.

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Hi

In den Plänen sind P-FETs gezeichnet (breite 'Ende' vom Pfeil ist Richtung Gate).

MfG

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postmaster-ino:
In den Plänen sind P-FETs gezeichnet (breite 'Ende' vom Pfeil ist Richtung Gate).

Richtig, mit N-Kanal Fets funktioniert es nicht, danke für den Hinweis, da habe ich mich vertippt. (habs noch geändert)

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Hallo zusammen,

danke fuer die Denkanstoesse. Besonderer Dank natuerlich an Gunther!

guntherb:
Besser wäre eine geschaltete Verbindung. Entweder mit Relais (am besten Bi-Stabil), das hat den Vorteil, dass du mittels Umschalter zwischen den beiden Akkus wechseln kannst, oder mit FET.

Danke fuer die Beispielschaltungen. Diese verstehe ich so, dass man jeweils solch eine Schaltung pro Akku verwendet und parallel schaltet? Ist ja jeweils nur eine Stromquelle eingezeichnet.

Wobei mir die augenscheinlich einfache Loesung mit einem Bistabilen Relais eigentlich auch ganz nett aussieht. Da habe ich dann halt das Problem der kurzen Unterbrechung, oder? Inwiefern laesst sich das per Kondensator gut Abfangen? Mir fehlt da ein bisschen der Bezug, was ein Kondensator dabei leisten kann und wie die Kapazitaet sein muesste. Kann da jemand aufklaeren?

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irieger:
Inwiefern laesst sich das per Kondensator gut Abfangen? Mir fehlt da ein bisschen der Bezug, was ein Kondensator dabei leisten kann und wie die Kapazitaet sein muesste. Kann da jemand aufklaeren?

Kann man so berechnen:
C = I * t / dU
Kapaitität C = Strom I mal Dauer t gebrochen durch die Spannungsänderung.

z.B. 100mA werden gezogen, das Relais braucht 50ms zum Umschalten, die Spannug kann um 1V einbrechen.

C = 0,1A*0,05s / 1V = 0,005F = 5000µF

Welchen Strom deine Schaltung zieht, wie lange die Umschaltdauer ist, wie viel Spannungseinbruch deine Schaltung verkraftet, musst du selbst bestimmen.

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Ah, ok. Danke. Jetzt verstehe ich die Formel, die man zu Kondensatoren sieht auch irgendwie. Schoen kompakt und deutlich erklaert.

Da kommt mir die Idee: Man koennte ja auch einfach Dioden zwischenschalten (ich weiss, dann muss ich eben mit minimalem Spannungsabfall leben), und dann zwei parallele Relais die kurz nacheinander geschalten werden, nutzen. Weil beim zu erwarteten Verbrauch meiner Motoren und so weiter braeuchte ich doch eher einen grossen Kondensator...

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Hi

Große Kondensatoren gibt es mittlerweile zu sehr interessanten Preisen.
Bei den Doppelschicht-Kondensatoren ist halt die Spannung von zumeist 2,7V nicht sonderlich viel.
Sechs Stück davon ergeben theoretische 16,2V - für die angedachten 14,8V sollte Das ausreichend sein.
eBay, 6x 120F 2,7V (=20F @ 16,2V)
Erste Such-Treffer.
Sowohl die Platinen (eine Art Ballancer/Überladeschutz) wie die Kondensatoren bekommt man auch einzeln und/oder mit anderen Werten - einzig die 2,7V bleiben beim einfachen Kondensator.

Die oben genannten 5000µF sind 5mF sind 0,005F - 4000x kleiner.
Somit solltest Du mit dem hier verlinktem 'Kondensator' entweder die 4000fache Zeit, Strom, nur ein 4000stel Spannungseinbruch bekommen.

Ob die 1,4V Spannungsdifferenz zwischen Deinem LiPo und dem Kondensator ausreichen, wäre noch zu prüfen, bei 12V Blei bin ich damit dicke im grünen Bereich.

MfG

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Das kann man schon so machen, aber die Dinger sind riesig und mit Vorsicht zu geniessen. Man mus die Ladeströme begrenzen, so ein Supercap ist fast wie ein Kurzschluss.

Ich würde eher zu der elektronischen Lösung mit den Fets tendieren.
Viel Aufwand, um einen Akku zu tauschen.

Letztlich tut es vielleicht auch ein Schalter.....

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guntherb:
Das kann man schon so machen, aber die Dinger sind riesig und mit Vorsicht zu geniessen. Man mus die Ladeströme begrenzen, so ein Supercap ist fast wie ein Kurzschluss.

Dachte ich mir doch fast, dass es hier einen Hacken gibt.

guntherb:
Ich würde eher zu der elektronischen Lösung mit den Fets tendieren.
Viel Aufwand, um einen Akku zu tauschen.

Ja, ich hatte auch auf etwas einfaches gehofft. Hier ist ja auch das Problem noch nicht geloesst, dass ich mal schauen muss, wie ich ggf. einen LiPo-Warner anflansche als Signalgeber. Wobei da wuerde ich hoffen, dass sich einfach das Warn-Signal rausleiten laesst...

Und das Problem mit Ausgleichsstroemen wuerde auch nur mit zusaetzlichen Dioden sauber geloest, oder? In dem Fall waere dann vielleicht die Relais+Dioden Loesung auch wieder eine Option und klingt einfacher.

guntherb:
Letztlich tut es vielleicht auch ein Schalter.....

Auch der wird mir ja einen kleinen Downtime bescheren. (Und ich muss aktiv reagieren. In den meisten faellen sollte das jetzt nicht wirklich ein Problem sein, aber wenn man schon ans Bauen geht ...)

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Hallo,

Auch der wird mir ja einen kleinen Downtime bescheren. (Und ich muss aktiv reagieren. In den meisten ...

Wenn Du den Akku mittels Spannungsteiler über einen Analog Eingang überwachst, kannst Du jederzeit die aktuelle Spanung des Akkus ermitteln. So kannst Du selbst entscheiden, wann der Akku gewechselt wird. Oder Du programmierst zwei Akku Warnungen.

if(getVoltage() < Warnung_1) { serial.print("Der Akku sollte demnächst gewechselt werden."); }

if(getVoltage() < Warnung_2) { serial.print("Der Akku MUSS jetzt gewechselt werden."); }

Es gibt fertige Breakouts zu kaufen die zur Spannung auch den Strom messen, z.b.: INA219

lg dony

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So, nach dem ich eine Weile keine Zeit fuers Basteln gefunden habe, habe ich letzte Woche einiges probiert und nun auch nochmals ueber die Schaltung der Akkus nachgedacht, dazu nun noch ein paar kleine Ergaenzungsfragen.

guntherb:
Dioden haben den Nachteil, dass sie Spannungsabfall verursachen. So fehlen dir 0,7V und je nach Strom entsteht auch Verlustwärme.

Besser wäre eine geschaltete Verbindung. Entweder mit Relais (am besten Bi-Stabil), das hat den Vorteil, dass du mittels Umschalter zwischen den beiden Akkus wechseln kannst, oder mit FET.

Man könnte mittels P-Kanal FET die Batterien abkoppeln.
Zwischenablage01.jpg
so werden die Akkus automatisch erst mal "angeschaltet" wenn sie angesteckt werden, der Arduino kann dann gezielt abschalten. Nachteil: wird nicht einer der beiden aktiv ausgeschaltet, fließen Ausgleichsströme.

Nach einigem Nachdenken wuerde ich ja doch am Meisten zur Variante mit FETz, die zuerst anschaltet. Allerdings zuerst einmal mit zusaetzlich je einer Gleichrichterdiode um Ausgleichsstroeme zu verhindern und die LiPos zu schuetzen. Aus deinem Schaltungsvorschlag wird mir allerdings nicht klar, wie der Akku geschalten werden koennte. Es ist ja nur ein Punkt fuer Abschaltsignal angezeichnet. Aber man woellte ja nach dem Start des Arduino erstmal einen Akku ausschalten und dann spaeter anschalten, wenn der Akku 1 leer geht.

Kannst du mir Tipps geben, welche Transistoren/FETs fuer diesen Zweck geeignet sind? Ich weiss leider nicht direkt, wie ich den wirklichen Strom an der Akkuseite abschaetzen soll, rechne aber mit mehreren A. Reicht es einfach mein guenstiges Amperemeter in die Schaltung zu klemmen und zu beobachten oder muss ich damit rechnen dass durch schnelle Schaltvorgaenge die Messgenauigkeit dazu zu ungenau ist?
Ich habe eben erstmal einen, hoffentlich bald wenn ich die Mechanik nach und nach entworfen habe dann 3 Stepper, mehrere Arduinos, sowie jeweils hinter Spannungswandlern einen Raspi und eine Kamera. Da duerfte sich schon ein bisschen etwas summieren.

guntherb:
Das kann man schon so machen, aber die Dinger sind riesig und mit Vorsicht zu geniessen. Man mus die Ladeströme begrenzen, so ein Supercap ist fast wie ein Kurzschluss.

Wie ist das allgemein dann bei normalen "kleinen" Kondensatoren/Elkos. Z.b. wird fuer den Schrittmotortreiber DRV8825 ein Elko gelistet, der parallel zur Schaltung stabilisieren soll: Pololu - DRV8825 Stepper Motor Driver Carrier, High Current
Fuer solche Faelle ist dann kein Widerstand notwendig? Ist es ein Problem wenn verschiedene Komponenten an der Versorgungsleitung jeweils nahe zu den Bauteilen Elkos zur Stabilisierung haben? Das wirkt im Gesamten so wie ich das verstehe ja einfach als groesserer Kondensator?

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Hi,

ich versuche mal ein paar Fragen zu beantworten.
Strombedarf: Da gibt es doch sicher ein paar Angaben, was die einzelne Komponente evtl. an Strom aufnehmen kann, also bei den Motoren angefangen, denn dafür sollten die Motortreiber ja ausgelegt sein. Ebenso für Deinen RasPi und die Kamera wird es Maximalangaben geben. Das sind dann aber auch die maximalen Stromverbräuche. Das Mittel wird um einiges darunter liegen, aber die Schaltungen sollten auch mit dem unwarscheinlichen Fall, daß alles zur gleichen Zeit seinen Strom haben will klar kommen. Also Daten suchen, rechnen.
Einen Sicherheitsaufschlag würde ich gar nicht drauf rechnen.
Schalten lässt sich der Strom einfacher wie oben im Bild mit einem P-MOSFET, damit kann man problemlos die Plus-Seite (Highside) schalten, bei N-MOSFET musst Du die Low-Seite schalten, wenn Du keine Hilfsspannung benutzen willst. N-MOSFET haben meist bessere Daten (Rds-on) und amateurfreundliche Gehäuse (löten), P-MOSFET eigentlich nur noch SMD.
Bei den kleineren Kondensatoren hast Du im Einschaltmoment auch sehr hohe Ströme, aber nur im Microsekundenbereich, da ein kleinerer Elko schnell geladen ist. Wenn Du Dir Datenblätter von Dioden und Mosfets anschaust, sind auch höhere Ströme kurzzeitig erlaubt. Wenn dahinter ein Elko ist, können die das ab, aber im Normalfall sind große Kapazitäten eher davor! Und es geht nur um den Einschaltmoment!

Gruß André

PS: die Seite wird beim Verständnis zum Schalten mit Transistoren helfen: https://dl6gl.de/grundlagen/schalten-mit-transistoren