Fabian Geißler - DIY Projekte

Beginn: 26.06.2016

LiPo Tiefentladeschutz

Manchmal muss man Schaltungen auch ohne fest vorhandene Spannungsquelle betreiben. Wenn diese Schaltungen dann etwas größer werden kommt man mit handelsüblichen Batterien schnell an seine Grenzen.
Betrachten wir zum Beispiel eine Mobilbox mit leichter Bassanhebung für draußen. Bei erhöhter Gesprächslautstärke benötigt sie durchschnittlich ca. 8W an Leistung. Wenn dieser Lautsprecher nun einen Abend lang, also ca 6 Stunden spielen soll, benötgt man einen Akku der Kapazität 8W * 6h = 48Wh. Bei 11V entspricht das etwas weniger als 5Ah.
Bei einem Akku dieser Größe kann man nur noch auf schwere, große Bleiakkus oder "aufwändige" Lithium Polymer oder Lithium Ionen Akkus zurückgreifen. Wenn Bleiakkus keine Option sind oder LiPo/LiIo Akkus inklusive Ladegerät bereits vorhanden sind stellt sich nur noch die Frage, wie man den Akku vor Zerstörung durch Tiefentladung schützen kann.

Prinzip

Als Schalter zum Trennen des Akkus wird ein P-Channel Mosfet verwendet. Damit eine möglichst kleine Stromaufnahme im ausgeschalteten Zustand möglich ist sollte vor dem Mosfet kein weiteres Bauteil platziert werden, denn dann fließt maximal der Source-Gate-Leckstrom bei ausgeschaltetem Transistor.
Eine derartige Schaltung benötigt zum störungsfreien Betrieb jedoch zwei Taster, einen zum einschalten und einen zum ausschalten. Mit wenigen Einschränkungen kann aber auch nur ein Taster verwendet werden.
Wenn der Mosfet eingeschaltet ist vergleicht ein Komparator die Spannung der Zellen mit einer Referenzspannungsquelle und schaltet ab dieser Grenzspannung den Mosfet ab.
Im Folgenden werden zwei Varianten dieser Schaltung vorgestellt.

Summenspannungsüberwachung

Die folgende Schaltung überwacht die Summenspannung der Akkuzellen. Für die meisten Anwendungen und Akkutypen ist das ausreichend, da die Innenwiderstände und Kapazitäten der Einzelzellen etwa gleich groß sind und sie sich somit gleichmäßig entladen. Um trotzdem die Tiefentladung einer der Zellen zu vermeiden Sollte die Summenspannung auf minimal 3,1V (bei geringer Belastung) bis 3,5V (bei hoher Belastung) mal die Zellenanzahl eingestellt werden. Für einen drei Zellen Akku wären das zum Beispiel 3 * 3,25V = 9.75V bei mäßiger Belastung (rund 0.5C).

Der wichtigste Teil der Schaltung ist der TL432. Er erzeugt eine temperaturstabile Referenzspannung V_Ref, welche mit RV1 eingestellt werden kann. Der Komparator U2A vergleicht die diese mit der halbierten Akkuspannung V_Bat,R und setzt seinen Ausgang entsprechend:

V_Ref > V_Bat,R => V_Out = V_Bat
V_Ref < V_Bat,R => V_Out = 0V

Somit sieht der Mosfet ein V_GS von 0V im ersten Fall und ein V_GS von ca. -7V bis -10V (je nach Akkuspannung) im zweiten Fall. Diese Spannung reicht dem hier verwendeten IRF9540N für einen Drainstrom von bis zu 20A.
Als V_Bat,R muss übrigens nicht zwingend die halbe Akkuspannung genutzt werden aber es muss eine Spannung sein, welche der TL432 erzeugen kann, auch wenn die Akkuspannung kleiner als die Ausschalt-, bzw die Warnanzeigengrenzspannung ist.

Einzelzellenüberwachung

Achtung: Ungetestete Schaltung!

Die Einzelzellenüberwachung funktioniert ähnlich wie die Summenzellenüberwachung. Hier wird aber vorher die Referenzspannung über eine Addiererschaltung auf das jeweilige Zellengrundpotential angehoben. Jede Zelle bekommt ihren eigenen Komparator. Die Ausgänge aller Komparatoren werden parallel geschalten. Das lässt sich für beliebig viele Zellen aufbauen.
Es ist unschwer zu erkennen, dass die Schaltung dadurch um einiges komplexer und teurer wird. Eine derart strikte Überwachung wird jedoch nur selten benötigt. Vor allem aber dann, wenn große Ströme benötigt werden und auch die letzten mAh aud dem Akku gekitzelt werden müssen, denn hier kann jede Zelle ohne Bedenken auf z.B. 3V eingestellt werden.

Schaltplan folgt...

Verbesserungen und Tricks

Wechselstrombedingte Lastschwankungen

Wenn eine Anwendung schnelle Lastschwankungen erzwingt, wie zum Beispiel ein Audioverstärker, so kann es vorkommen, dass die Schutzschaltung auslöst, obwohl die Zellspannung nur Aufgrund des Innenwiderstandes kurz abgesunken ist. Um in diesem Fall alles aus dem Akku zu holen empfiehlt es sich, die Komparatoreingangsspannungen noch einmal mit einem sehr tief abgestimmten Tiefpass zu filtern.

Der Tiefpassfilter wird in diesem Fall von R3 und C1 gebildet und hat eine Grenzfrequenz von rund 3,4Hz. Bei 30Hz beträgt seine Dämpfung rund 20dB.

Ein einziger Taster

Achtung: Ungetestete Schaltung!

Um die Schaltung mit einem einzigen Taster zu betreiben wird ein RC-Glied an die geschaltene Spannung angeschlossen. Dessen Mittelabgriff wird über den Schalter an das Gate des Mosfet geführt:

Wenn die Schaltung abgeschalten war ist C1 entladen. Wenn jetzt der Taster gedrückt wird, wird das Gate von Q1 quasi auf GND gezogen und der Mosfet schaltet durch. Dabei wird C1 aufgeladen. Wenn C1 weit genug geladen ist wird das Gate per Tastendruck wieder auf V+ Potential gezogen und somit der Mosfet abgeschalten. Dadurch wird C1 wieder entladen.
Durch die Umladevorgänge entsteht auch schon das erste Problem: Sobald die Spannung von C1 im Bereich von rund 3V bis 10V liegt ergibt sich ein undefinierter Zustand, da der Mosfet nicht voll durchschaltet und einen erhöhten R_DS(ON) bekommt. Im Normalfall wird das dazu führen, dass V+ einbricht und der Tiefentladeschutz abschaltet, doch das ist nicht immer sicher.
Hier kann auch ein wenig mit den Werten von R2 und C1 herumgespielt werden um gute Ergebnisse zu erzielen. Dabei muss eine gute Balance zwischen R1, R2, R3 und C1 gefunden werden, damit der Kondensator nicht zu schnell über R3 entladen wird, wenn U1A noch aktiv ist. Auch die Umladedauer des Kondensators sollte nicht zu hoch oder zu niedrig sein, damit weder beim noch-Drücken noch beim wiederholten Drücken nach kurzer Zeit der undefinierte Zustand erreicht wird.