Reihenschaltung von Smart BMS

[quattro]

Guten Abend.

Nach der Elektrifizierung eines Trekkingrades möchte ich meinem Akku (eigentlich mir) ein BMS gönnen, da die automatische Unter- und Überspannungsüberwachung sowie die Balancingfunktion schon ein deutlicher Komfortgewinn ist.

Aktuell nutze ich seit ca. 1 Jahr 36 LiPo-Zellen (6 x 6s Modellbauakkus) mit jeweils 5 Amperestunden Kapazität. Die Zellen werden mit einem CC/CV-Ladegerät auf 4,1 Volt geladen und über 6 einzelne Balancingmodule während des Ladevorgangs ausgeglichen. Während der Fahrt nutze ich 6 einzelne Module zur Unterspannungsüberwachung.

Das funktioniert soweit gut, es ist eben nur lästig, bei jedem Ladevorgang 6 Balancigmodule anzuschließen. Die Unterspannungsüberwachung verbleibt am Akku und wird beim Einschalten des Controllers über ein Relais aktiviert. Das hat natürlich auch einiges an Kabelsalat zur Folge, deshalb die Überlegung, auf ein BMS umzusteigen.

Leider habe ich keine BMS gefunden, die mit 36 Zellen umgehen können. Zumindest keine, die sich ein einem für das Fahrzeug angemessenen Preisrahmen bewegen. Daher die Idee, drei 12s BMS in reihe zu schalten.

Bei BMS Battery gibt es ja die guten Smart BMS ja schon für 25 Dollar das Stück. Die können zwar nur 40 Ampere, aber da muss man sich eben ein bisschen einschränken.

Bevor ich jetzt die drei BMS und das Programmiergerät bestelle, die BMS in Reihe schalte und dann 3 defekte BMS entsorge meine Frage:

Kann jemand sagen, ob die BMS in einer Reihenschaltung funktionieren? Oder hat es schon mal jemand ausprobiert?

Bereits im voraus vielen Dank für die Unterstützung.

Viele Grüße

Jens

 

[interrupted]

Moin,

warum brauchst du eine Überwachung von 36 Zellen, du wirst vmtl nicht 36 Zellen Seriell betreiben (wären ~150v btw).

 

[e-doc]

36s bzw. bis zu 150V ist schon eine Herausforderung.
Was ist Deine Anwendung?

Unter der Annahme, daß bei Unterbrechung beim Laden im OV-Fall an dem trennenden Modul auch keine wesentlich größere Sperrspannung als im eigentlich vorgesehenen Single-Betrieb auftreten, müßte es eigentlich für OV funktionieren.

Edit:
Beim Entladen und Unterbrechung im UV-Fall tritt an dem trennenden Modul allerdings eine wesentlich größere Sperrspannung als im eigentlich vorgesehenen Single-Betrieb auf, nämlich etwa 72V, was das BMS-Modul verkraften müßte. Die verbauten Power-FETs wären daraufhin zu überprüfen, ebenso die interne Spannungsversorgung des BMS-Controllers, Block-Cs etc.

Zusätzliche Voraussetzung ist, wenn ich es richtig durchdacht habe, daß die Einheiten aus 12 Zellen und 12/13s-BMS-Modulen nach außen hin nur 2 + und - Anschlüsse haben (also Ladung und Entladung über einen gemeinsamen - Anschluß laufen) und sonst keinerlei Querverbindungen haben.

Dazu wäre ein kleiner Umbau an den BMS-Modulen notwendig (Schaltung aus OZ890-Datasheet).

Die zusätzliche Hochstrom-Schottky-Diode soll den Entladestrom von der Body-Diode des (einzelnen!) Lade-FETs fernhalten, um dessen thermische Überlastung zu verhindern.
Die Schottky-Diode muß den kompletten Entladestrom (inkl. Überstrom-Reserve) vertragen!

Was die Balancing-Funktion angeht und die Synchronisierung zwischen den Modulen, müßten die unteren beiden BMS-Module auf 13s programmiert werden, und die 13. Zelle (25 Zelle) jeweils als oberste Zelle des einen und als unterste Zelle des nächsten BMS-Moduls parallel überwacht werden.
Um einen doppelten Balancing-Strom zu vermeiden, würde ich den 13. Bleeding-R jeweils auslöten (oder die restlichen 3x12 Bleeding-R "aufdoppeln") .
Das oberste Modul normal auf 12s programmieren.
Keine Querverbindungen (I²C o.ä) zwischen den Modulen!

Das sind alles theoretische Überlegungen, ich habe so einen Umbau noch nicht durchgeführt.
Vielleicht kann der eine oder andere Forenkollege mit entsprechender Erfahrung noch etwas dazu sagen?

 

[e-doc]

(Suppressor?)-Diode D1 ggf. auf 72V-Verträglichkeit überprüfen...
Sorry, Blödsinn, Edit oben bitte ignorieren oder besser meinen ganzen Beitrag.

Beim Entladen und Unterbrechung im UV-Fall tritt an dem trennenden Modul nicht nur eine wesentlich größere Sperrspannung als im eigentlich vorgesehenen Single-Betrieb auf, nämlich etwa 72V, sie ist auch noch verpolt, was das BMS-Modul wohl nicht überleben wird.

 

[e-doc]

Bei BMS Battery gibt es ja die guten Smart BMS ja schon für 25 Dollar das Stück. Die können zwar nur 40 Ampere, aber da muss man sich eben ein bisschen einschränken.

40A x 150V = 6 kW

Leichte Einschränkung...

 

[quattro]

Vielen Dank für eure Antworten, besonders für die sehr umfangreichen Ausführungen von e-doc.

Meine Kenntnisse in der Elektrotechnik sind leider nicht ausreichend, um Deinen Ausführungen zu folgen, e-doc.

Ich hatte irgendwie gehofft, die BMS einfach in Reihe schalten zu können - genau wie aktuell die LiPo-Packs. Bei Betrachtung des Anschlussschemas fällt allerdings auf, dass die BMS für den Minus-Pol keinen gemeinsamen Lade- und Entladeanschluss haben. Das hätte zur Folge, dass beide Minus-Pole an den Plus-Pol des anderen BMS anzuschließen wären - damit wären sie verbunden, was ja gerade nicht vorgesehen ist und für die Funktion sicherlich nachteilig wäre.

Vielleicht gibt es ja BMS, die gemeinsame Lade- und Entladeanschlüsse haben? Die könnten für eine Reihenschaltung geeignet sein. Ich habe schon mehrfach von einer Reihenschaltung fertig konfektionierter Akkupacks für Pedelecs gelesen, jedoch nie einen Erfahrungsbericht. Weiterhin ist da auch nicht klar, ob wirklich immer ein BMS verbaut ist oder ggf. nur eine Unterspannungsabschaltung über alle Zellen.


Auch auf die Gefahr hin, jetzt etwas unqualifiziertes zu schreiben, möchte ich noch einmal meine Minimalanforderungen an ein BMS darstellen und eine mögliche Lösung skizzieren. Das BMS soll lediglich erkennen,

1. ob eine einzelne Zelle Über- oder Unterspannung hat und daraufhin etwas tun (z. B. einen Schaltkreis öffnen oder schließen, um damit ein Relais zu schalten)
2. ab einer bestimmten Spannung die betreffende Zelle auf 4,1 Volt zu halten bzw. zu entladen, so dass diese zwar temporär während des Ladevorgangs eine Spannung über 4,1 Volt haben kann (Ladeleistung > Entladeleistung des BMS), aber im Ergebnis wieder bei 4,1 Volt landet. Eine Balancerfunktion ab einer bestimmten Spannung ist nett, aber nicht wirklich erforderlich.

Ggf. arbeiten BMS ja so, dass im Falle einer Über- oder Unterspannung lediglich der Leistungsaus- bzw. Eingang getrennt wird, so dass der Akku geschützt wird? Wenn ja, dann würde ich an die Leistungsaus- und Eingänge lediglich getrennte Relais anschließen, die den Controller bzw. das Ladegerät abschalten. Das wäre zwar keine optimale Lösung, aber immer noch weiter automatisiert als meine aktuelle Lösung. Vielleicht kann da jemand was zu sagen?

Zu der Frage nach der Anwendung: Kurzstreckenfahrten, z. B. für Einkaufszwecke. Und in geeigneter Umgebung kann man mit dem Gefährt auch mal ein bisschen Spaß haben.

Schönen Abend noch

Jens

 

[interrupted]

Verrat doch auf was für eine Spannung du kommen willst?

 

[torcman]

Meine Kenntnisse in der Elektrotechnik sind leider nicht ausreichend,

Daher lass die Finger davon. Die Energie der gestockten 36 Zellen ist höllisch um so leihenhaft damit zu spielen.

Alles was du dir so vorstellst ist nur falsch. Lese dich lieber ein bevor du ein Unglück einstellst.

http://www.linear.com/docs/27823

Figure 14 zeigt dir ein günstiges daicy Chain zwischen den einzelnen Bus jedes BMS deiner gestockten Akkus.

Es gibt zwei Maxim Chips die ich vorgestellt hatte, mit Inter-Chip-Kommunikation, auch uber 100VSpannungsdifferenz zwischen den Chips. Die tun das. Habe welche daheim.

http://www.pedelecforum.de/forum/in...e-ersten-erfahrungen.9396/page-12#post-197394

 

[flachlandbiker]

Ich glaube einfach nicht, dass es um 36 Lipo Zellen in Reihe!!!! geht. Was soll das denn für ein Motor sein? Bei 40A, die angeblich zu wenig sind, wären die 5Ah nach 7 min verbraucht (bei über 5 kW). Damit kann man ja einen Kleinwagen betreiben .......

 

[interrupted]

Ich glaube einfach nicht, dass es um 36 Lipo Zellen in Reihe!!!! geht. Was soll das denn für ein Motor sein? Bei 40A, die angeblich zu wenig sind, wären die 5Ah nach 7 min verbraucht (bei über 5 kW). Damit kann man ja einen Kleinwagen betreiben .......

mein reden, der TE will aber nicht verraten welche Endspannung er braucht

 

[e-doc]

Bei Betrachtung des Anschlussschemas fällt allerdings auf, dass die BMS für den Minus-Pol keinen gemeinsamen Lade- und Entladeanschluss haben. Das hätte zur Folge, dass beide Minus-Pole an den Plus-Pol des anderen BMS anzuschließen wären - damit wären sie verbunden, was ja gerade nicht vorgesehen ist und für die Funktion sicherlich nachteilig wäre.

Das solltest Du auf keinen Fall so verschalten, denn dann wäre der Lade-FET überbrückt und würde beim Ladeende nicht mehr öffnen, und die Ladung würde nicht beendet. Schau Dir mal den von mir geposteten Schaltungsausschnitt an, dann siehst du das.

Vielleicht gibt es ja BMS, die gemeinsame Lade- und Entladeanschlüsse haben?

Möglich, daß es die gibt, wenn nicht einfach eine Diode zusätzlich über den CHG-FET, wie oben gezeigt, und den C- Anschluß Als C-/D- (P-) verwenden.

Die könnten für eine Reihenschaltung geeignet sein.

Nein, nicht als BMS mit Lade/Entlade-Unterbrechung.
Wie ich schon oben schrieb, wird im UV-Fall die Spannung am trennenden BMS verpolt anliegen (durch die restlichen noch nicht getrennten Batterien), was das trennende BMS zerstören würde.

Torcman wies bereits auf geeignete Bausteine hin, die kaskadierbar sind und mittels Daisychain/Bus kommunizieren.
In den OZ890-AppNotes gibt es einen Hinweis auf eine Kaskadierung, ich meine es ging dann bis max. 2 x 13 = 26 Zellen.

Zu der Frage nach der Anwendung: Kurzstreckenfahrten, z. B. für Einkaufszwecke. Und in geeigneter Umgebung kann man mit dem Gefährt auch mal ein bisschen Spaß haben.

Mit 6kW-Monster-Motor? Ist das ein Leichtkraftrad?

(Der hier läuft mit 60-72V als Scooter-Motor)

40A bei 5Ah wären 8C.
Im Modellbau vielleicht möglich/üblich, aber nur mit sehr begrenzter Lebensdauer.
Entladedauer theoretisch 60min/8 = 7,5 min, in der Praxis wohl eher um die 5 min.
Ich denke 40A sind der Spitzenstrom, nicht der Nennstrom.

Weitere Vermutung:
Die vorhandenen 6 x 6s Modellbauakkus sind 2s3p oder 3s2p verschaltet, also insgesamt 12s3p/43V/15Ah oder 16s2p/57V/10Ah.
Für beide Möglichkeiten gäbe es fertige BMS ohne zusätzlich notwendige Tricksereien...

Poste doch bitte mal die externe Verschaltung deiner Akkupacks.

 

[torcman]

@e-doc
Er meint 36s , so lese ich das.

Aktuell nutze ich seit ca. 1 Jahr 36 LiPo-Zellen (6 x 6s Modellbauakkus) mit jeweils 5 Amperestunden Kapazität. Die Zellen werden mit einem CC/CV-Ladegerät auf 4,1 Volt geladen und über 6 einzelne Balancingmodule während des Ladevorgangs ausgeglichen.

 

[interrupted]

Ja, hab ich so auch verstanden... nur zweifle ich daran das er wirklich die Endspannung einer 36S Konfiguration erreichen will.

Selbst die Wahnsinnigen von nebenan, in der anderen Sphäre, scheinen so etwas nciht zu machen. Zumindest hätte ich noch keine Diskussion dort gesehen die 100V aufwärts behandelte.

 

[torcman]

Er fährt so seit 1 Jahr. Da gibt es nichts anderes zu deuten.

In den OZ890-AppNotes gibt es einen Hinweis auf eine Kaskadierung, ich meine es ging dann bis max. 2 x 13 = 26 Zellen.

Mit geigneten daicy Chain kann man auch 20 Stockwerke von oz890 verbinden. In geeignete Schaltung.

Aber keine Smart-Bms.

in dem von mir verlinkten Artikel ist beschrieben wie man es tut.

 

[Mei]

vielleicht hat der nen Asynchron Motor mit Frequenzumrichter in dem Rad

 

[e-doc]

@e-doc
Er meint 36s , so lese ich das.

So lese ich das auch, aber was will man denn mit 150V am Fahrrad?

Mit geigneten daicy Chain kann man auch 20 Stockwerke von oz890 verbinden.
In geeignete Schaltung.

Schon klar, daß man über Optokoppler o ä. Maßnahmen beliebig kaskadieren kann.

Ich meinte ja auch das konkrete Schaltungsbeispiel mit 2x OZ890 in der AppNote.

Aber keine Smart-Bms.

Sicher auch smart, im Softwaremode, gesteuert über zentralen Controller.

 

[torcman]

Sicher auch smart, im Softwaremode, gesteuert über zentralen Controller.

Nein, hat mit zentralen Controller nix zu tun sondern mit Smart BMS Schaltung deren MOSFETs. Ich rede nicht von der Spannung sondern eben Schaltung.

Außerdem wenn Smart bms, dann ist die Hardware wie sie ist.

 

[quattro]

Hallo zusammen,

Spekulationen über die Konfiguration der Zellen oder des Antriebs sind unnötig, das ist kein Geheimnis. Es handelt sich um 6x6s Modellbauakkus mit jeweils 5 Ampere. Die Zellen werden auf 4,1 Volt/Zelle geladen und stellen dann im Leerlauf 147,6 Volt zur Verfügung. Da der Controller nur 150 Volt und 50 Ampere verarbeiten kann und die Zellen bei 4,1 Volt Ladespannung etwas weniger belastet werden, habe ich mich für 36 Zellen mit 4,1 Volt entschieden. Bei 50 Ampere werden die Zellen mit 10C belastet, was genau der Dauerleistung der Zellen entspricht. Hierbei handelt es sich um die Maximallast, die wahrscheinlich nur bei starker Last oder Dauervollgas abgerufen wird. Die Reichweite beträgt im Schnitt 10-20 KM, je nach geforderter Leistung. Sicherlich könnte man die Zellen in 5 Min. leersaugen, aber dafür hätte ich dann gerne eine gerade Strecke ohne andere Verkehrsteilnehmer. Der Motor ist ein MXUS V2 (4T) mit auf 2,5 cm² erweiterten Zuleitungen. Zugegeben, die werden beim Beschleunigen bzw. mit Anhänger schon recht warm, man kann sie aber noch gut anfassen. Der Vorteil einer höheren Spannung ist neben einer guten Beschleunigungsleistung auch eine hohe mögliche Endgeschwindigkeit. Da der Controller progammierbar ist, kann man sich die gewünschten Werte (Amperebegrenzung, Phasenstrom, Geschwindigkeit in %, etc.) selbst einstellen und muss nicht immer mit voller Leistung rumfahren.

Zurück zum Thema:
@ e-doc: Wenn die Spannung am trennenden BMS um Unterspannungsfall verpolt wird, wird das antürlich nicht funktionieren. Ich glaube, dass damit die BMS mit dem oz890 Chip raus sind, oder?
@ torcman: Danke für die interessanten Links und Informationen zu dem Maxim-Chip. Wie ich bereits erwähnte, sind meine Fähigkeiten in Bezug auf elektrische Schaltung bzw. das Lesen von Schaltplänen ausbaufähig. Unabhängig davon habe ich in der Praxis die Erfahrung gemacht, dass man mit Grundkenntnissen und Engagement durchaus brauchbare Resultate zustande bringt. So habe ich ja eine Unterpannungswarnung für meine 36 Zellen realisiert, und zwar über eine Relaisschaltung, die 6x die sogenenannten Lipo-spannungswächter aktiviert. Nur ist das ein ganz schöner Kabelsalat und sicher keine optimale Lösung. Und eine Überspannungsabschaltung habe ich damit auch noch nicht. Vielleicht bieten ja die Maxim-Chips eine Grundlage für meine Anforderung? Im Prinzip benötige ich nur ein "Bauteil" bzw. eine Schaltung, welches die Spannung von 36 Einzelzellen misst und bei Über- oder Unterschreitung zu definierender Spannungen einen Relaisausgang schaltet. Eine Balancing-Funktion wäre optimal, aber nicht zwingend erforderlich. Die Zelldrift ist überschaubar und ein manuelles Balancen würde auch alle 10 Ladevorgänge ausreichen. Der Zellschutz wäre ja über den Unter- und Überspannungsschutz gewährleistet. Könnten diese Maxim-Chips eine Lösung sein?

Danke für eure Mühe und viele Grüße

Jens

 

[e-doc]

Die Zellen werden auf 4,1 Volt/Zelle geladen und stellen dann im Leerlauf 147,6 Volt zur Verfügung. Da der Controller nur 150 Volt und 50 Ampere verarbeiten kann und die Zellen bei 4,1 Volt Ladespannung etwas weniger belastet werden, habe ich mich für 36 Zellen mit 4,1 Volt entschieden. Bei 50 Ampere werden die Zellen mit 10C belastet...

Ziemlich extreme Konfiguration...

150V x 50A = 7,5W Spitzenleitung.
Wieviel Dauerleistung verkraftet der Motor?
Höchstgeschwindigkeit 90km/h?

@ e-doc: Wenn die Spannung am trennenden BMS um Unterspannungsfall verpolt wird, wird das antürlich nicht funktionieren. Ich glaube, dass damit die BMS mit dem oz890 Chip raus sind, oder?

Nicht unbedingt.
Wenn man eine galvanisch getrennte Kette von oben nach unten zieht, die alle BMS gemeinsam auf nur die untersten Power-FETs wirken läßt, so den Stromfluß für alle BMS gleichzeitig trennt, dann tritt der Verpolungseffekt nicht auf. Dann müßten die Power-FETs halt "nur noch" die 150V (+Reserve) Sperrspannung aushalten (ggf. gegen solche austauschen).
Genaueres müßte aus den DataSheets und AppNotes herauszulesen sein.
Für den durchschnittlichen Hobbyelektroniker ein paar Wochen intensive Arbeit..
Und wenn man bei diesen Spannungen und Strömen Fehler macht, knallt es halt schon ziemlich laut...

Ich rede nicht von der Spannung sondern eben Schaltung.
Außerdem wenn Smart bms, dann ist die Hardware wie sie ist.

Und 1x OZ890 ist Smart-BMS, Nx OZ890 mit der gleichen Hardwarebeschaltung aber entsprechend etwas angepaßt (DaisyChain gekoppelt / per zentralem uC abgefragt und gesteuert) ist dann nicht mehr Smart-BMS? Verstehe ich nicht.
Im Softwaremodus kannst Du doch die Steuerung so machen, wie Du willst...

 

[torcman]

Nx OZ890 mit der gleichen Hardwarebeschaltung aber entsprechend etwas angepaßt (DaisyChain gekoppelt / per zentralem uC abgefragt und gesteuert) ist dann nicht mehr Smart-BMS?

nein, eben nicht. Das meinte ich.

Das auf einem Smart-BMS oz890 verbaut ist, reicht nicht aus. Hast Du schon mit den Platinen gearbeitet? ich schon, ueber 60 Stueck, manche umgebaut, alle getestet, programmiert.

Wie stellst Du dir vor, auf der Platine eine DaicyChain-Schaltung, Modul-notwendige-Schaltungsaenderungen und Konnektoren anzubringen?