Zwischenstand Einzelzellladung

Mit zwei Netzteilen parallel und dem Arduino-Aufbau, klappt es schon ganz gut. Was mir fehlt, ist eine automatiche Anpassung der Ausgangsspannungen und damit dem Stromfluss. Als Erweiterung des Arduino-Aufbaus wäre ein Summer gut, damit man nicht ständig auf die Anzeige starren muss. Ein stärkeres Netzteil mit einer weiteren Spannungsweite und hohem Strom (~30A) wäre schön. Die Datensätze der bisher geladenen Zellen sind noch nicht komplett ausgewertet, aber mein erster Eindruck ist, dass bei den 3A Strom in der letzten Phase des Zivan NG3 eine Ladeendspannung von 3,46V ausreichend ist. Für uns heißt das 155,7V bei 45 Zellen.

Mehr Schub!

In der Wissenschaft war Eile noch nie ein guter Verbündeter, aber mir dauert das alles zu lange ;)
Nachdem ich festgestellt habe, dass ich mit den ~5A Ladestrom nur schleppend voran komme, habe ich meine Netzteile durchwühlt und ein Mean Well S-40-5 aus dem Regal geholt.

Mit 40 Watt ist es nicht ganz so leistungsfähig, wie z.B. das 150W oder 75W 3.3 Netzteil, aber ich kann die Spannung deutlich höher einstellen und so den Ladestrom erhöhen.
Der Nachteil ist, dass ich neben dem Ladevorgang sitzen muss, um ggf. die Spannung nach unten zu korrigieren.
Parallel zum Manson leistet die Schaltung max. 13 Ampere.

Das macht die Wartezeit ein wenig erträglicher.

Zurück zum Arduino-Messaufbau

Getrieben durch die letsten Enttäuschungen und mit dem Zeitdruck im Nacken, habe ich mich wieder  dem Arduinoaufbau zugewendet.
Der Aufbau ist im Prinzip der gleiche wie bisher, nur das die Spannungsversorgung (Manson NSP-2050) und der Strommesser auf einen +/- 30A geändert habe.

Eingestellt sind die Wert so, dass bei 3,5V Zellspannung und der Unterschreitung von 3,0A ein Relais öffnet und den Ladevorgang abbricht.
Auf dem Bild etwas schwer zu erkennen ist, dass die Werte auf dem Multimeter (UNI-T UT61E) und dem Display des Arduino ziemlich nah zusammen liegen.
Gemessen wird hier an den Stromklammern an den Zellpolen.

Anfangs habe ich den Strom des Netzgeräts auf Maximum gestellt (~6A). Damit das klappt, muss die Ausgangsspannung auf etwa 5V steigen, die Zellspannung ist allerdings weiterhin ~3,4V und langsam steigend.
Und genau hier liegt der Hund des iChargers begraben, denke ich.
Wie auch das Netzteil jetzt ~5V anzeigt bei 6A Ladestrom, wird der Junsi iCharger auch "seine" Spannung als Grundlage nehmen und daher kommen an der Zelle nie die eingestellten Werte an.
Darum wird der Ladevorgang abgebrochen.

Genau so verhält es sich, wenn ich die Spannung am Manson Netzteil auf 3,5V einstelle, denn dann geht der Strom auf fast Null zurück, auch wenn die Zelle selbst noch nicht die Spannung erreicht hat.

Um den Akku auf 3,5V zu laden bei 3A Ladestrom, muss ich also die Spannungsquelle deutlich höher einstellen und ggf. justieren.

Im Moment messe ich in meinem Schaltkreis (bestätigt durch Multimeter und Strommesszange) 3,450V und 3,000A, auf dem Display des Netzteils steht "4,21V" und "4,264A" im C.C. Modus (Konstantstrom).

Ich bin gespannt, wann das Relais öffnet ...

Arduino Sketch Download (.zip)

Arduino Alternative: TinkerForge

Ich möchte euch eine Alternative zum Arduino vorstellen, die aus Deutschland kommt.
Es handelt sich dabei um das Projekt TinkerForge.
Das Prinzip ist recht ähnlich. Eine Hauptplatine, hier MasterBrick genannt, steuert unzählige Bricks und Bricklets, die wie beim Arduino Sensoren, Funktmodule, Servomotoren etc. sein können.
Ein entscheidender Vorteil dieses Systems ist, dass man weniger "fliegende" Leitungen auf dem Tisch hat, die BreadBoards damit zum größten Teil überflüssig werden und man viel weniger bis gar nicht löten muss, um ans Ziel zu kommen.
Zudem ist man nicht nur auf Processing / C++ beschränkt, sondern kann seinen Code in C, C++, C#, Java und Python schreiben. PHP, Ruby, Flash und mehr sollen bald folgen.

Wer also noch nicht damit begonnen hat, sich einen Vorrat an Arduino Shields und Sensoren zuzulegen, sollte hier mal einen Blick riskieren.

SD-Karten Shield mit Echtzeituhr

In der vergangenen Woche habe ich Post vom Zoll bekommen, dass eine Zustellung auf mich wartet, die ich bitte persönlich abholen soll.
Da ich im Moment auf drei Sendungen aus dem Ausland warte, wusste ich nicht genau, was auf mich wartet und so bin ich mit drei Rechnungen und Uberweisungsnachweisen zum Zollamt.
Die Spannung war nur von kurzer Dauer, denn das Paket kam aus Tailand und beinhaltete ein weiteres Bauteil für meine Arduino-Versuchsaufbauten.
Es ist ein SD-Karten-Shield, mit dem ich lesen und schreiben kann. Soweit nichts besonderes und ja auch schon vorhanden, aber mit diesem kann ich auch SDHC Kartenbis 32GByte nutzen.
Das wichtigste ist allerdings eine integrierte Echtzeituhr, damit die Daten mit der aktuellen Uhrzeit versehen werden können.

UltraFire LiFePo4 - mehr Schein als Sein

Wie erwartet, hat sich bei dem Test der ersten Zelle gezeigt, dass die angegebenen 4000mAh nicht erreicht werden.
Die Versuchsparameter:
Zelle geladen bis: 4,2 V (0,05 A)
Zellspannung bei Start: 4,04 V
Lastwiderstand: 4,12 Ohm
Zelle entladen bis: 3,0 V @ ~ 0,2C

Spannungsmittelwert: 3,543 V
Strommittelwert: 0,826 A
max. Strom: 0,984 A

Testdauer: 69 Minuten
Entnommene Energie: 3,358 Wh
theoretische Enerige: 3,7 V * 4000 mAh = 14,8 Wh

Ich habe mit einer nutzbaren Größe von etwa 2600mAh gerechnet, da ich ja schon einiges über die Zellen gelesen hatte, doch dieses negative Ergebnis überrascht mich allerdings etwas.
Mal schauen, was die anderen Zellen hergeben und ob sie das erste Ergebnis bestätigen.

Für den Versuchsaufbau an sich war es ein Erfolg, denn die Schaltung und Messung hat exakt so funktioniert, wie geplant.

Arduino Zwischenstand

Viel zu berichten gibt es nicht, aber ich wollte mal einen Zwischenstand geben, wie weit es mit der Entladeschaltung ist.
Das Programm ist schon auf einem guten Weg. Mathias hilft mir bei Fragen und Problemen und Franz wacht aus der Ferne mit einem Auge über die Ergebnisse ;)
Leider fehlen noch immer die LiFePo4-Zellen für den Test, so kann ich leider nur warten, oder mir eine der "echten" Zellen schnappen.
Wie ich mich kenne, werde ich nicht länger als bis zum Wochenende aushalten und dann loslegen ;)

Das Schreiben und Auslesen der SD-Karte klappt gut. Ich schreibe eine .csv-Datei, die ich später mit Hilfe von OpenOffice zu einem Diagramm wandle.
Ich hoffe so einen Überblick über den Verlauf zu bekommen und Kenntnisse für die Mammut-Aufgabe der kompletten Kapazitätserfassung zu gewinnen.

Ein SD-Shield mit integrierter Echtzeituhr ist auf dem Weg. Damit umgehe ich die Zählung von Tackten etc. und habe eine definierte Größe, die ich mit in die Tabellen aufnehmen kann.

Franz Daisychain-Ansatz möchte ich mir gern genauer ansehen, sobald ich die Zeit finde und alle Bauteile habe.
Christians Box ist ebenfalls ein Blick wert, allerdings geht es mir im Moment mehr um die Grundlagenforschung, um zu verstehen, wie meine persönlichen Zellen ticken.

Arduino: Bauteile zusammen

Es ist heute wieder ein Paket aus Fernost angekommen. Dieses Mal waren zwei Widerstände im Umschlag.
Der eine ist ein 0,1Ω Ohm 100W und der zweite ein 0,25Ω Ohm 100W.
Beide haben eine glatte flache Unterseite, damit ich sie auf einen Kühlkörper montieren kann, denn zumindest der 0,1Ω wird ziemlich was leisten müssen.

Mit meinem Labornetzteil und Multimeter habe ich bei kleiner Spannung (0,5V) den Strom gemessen, um zu sehen, ob die Widerstände in der Toleranz liegen. Alles OK, 0,1029Ω und 0,2516Ω inklusive der Messgerätetoleranzen.

Somit sollte die Hardware vorhanden sein, um unsere ersten Versuche durchzuführen.
Ein Arduino Duemilanove:

Ein LCD Display mit 24 Zeichen und 2 Zeilen:

Ein zweites LCD-Shield habe ich wegen der einfacheren Nutzung dazu genommen. Es hat bereits 6 Taster integriert. Zudem muss nicht gelötet werden, sonder aufstecken und losprogrammierren. Der Nachteil ist nur der, wenn man sich an den Platz des 24x2 gewöhnt hat, möchte man nicht mehr auf so einem "kleinen" 16x2 Display arbeiten :)

Zum Test habe ich unterschiedliche Stromsensoren besorgt. Unterschiedlich im Messbereich (+/-5A, 0-20A, 0-30A) und dem Anschluß (Schreubklemme, Kabelschuh):

Zudem ist ein alter Bekannter dabei: Der LEM HASS 50-S, der in der 200-S Version bereits in der Franz-Box zum Einsatz kommt:

Zur speicherung der Daten ist eine SD-Karte vorgesehen, wie auch in Christians 4D-Box. Diese im Bild ist erstmal in Benutzung, allerdings werde ich mir wohl ein Shild besorgen, was eine Echtzeituhr integriert hat. So kann ich die Daten mit dem jeweiligen Datum speichern:

Und zum Schluß noch ein Relais, was das Hauptrelais schaltet, denn das wird mit 12V schalten und die ~40A Last tragen:

Jetzt heißt es, an die Software setzen und los geht es :)

Einzelzellenüberwachung

Neben dem Entlade- und Ladeaufbau, denke ich auf einem einfachen Aufbau für die Messung der einzelnen Zellspannungen mit dem Arduino herum.
Der Arduino Duemilanove hat nur eine begrenzte Anzahl von Analogen Eingängen zur Spannungsmessung (6), was für unsere 45 Zellen nicht ausreicht.
Somit habe ich ein paar Multiplexer (CD4051) bestellt, die das Problem lösen sollen.

Über drei digitale Ausgänge des Arduino schalte ich bis zu acht Multiplexer und kann so an nur einem einzelnen analogen Eingang des Arduino bis zu 64 analoge Signale messen.
Dabei wird nur ein Wert zur Zeit gemessen, aber da der 4051 sehr schnell schaltet, wird dies keine größeren Verzögerungen mit sich bringen.
Für unsere Unterspannungsmessungen ausreichend, denke ich.

Mit Franz haben wir schon einmal diskutiert, was wichtig für die Überwachung ist.
Nicht die ständige Anzeige aller Zellen, sondern die Zelle mit der aktuell niedrigsten Spannung muss betrachtet werden und ggf. muss eine Überwachung eingreifen, sollte sich der Ladezustand dem kritischen Bereich nähern.
Die Kür ist neben der Anzeige, eine aktive Drosselung des "Gaspedals", durch die Zuschaltung eines Widerstands zum Fahrpoti.

Im Versuch mit einer einzelnen Zelle ist alles kein Problem, aber im Fahrzeug sind die Zellen in Reihe geschaltet und somit können diese nicht auf einen Massepunkt gebrahct werden.

Offene Frage: Wie bekomme ich eine übersichtliche galvanische Trennung der Eingänge zueinander hin?



Mal sehen, was Franz darüber in seinem Blog stehen hat ... ;)

LCD Einteilung für Messaufbau

"Grau, teurer Freund, ist alle Theorie, und Grün des Lebens goldner Baum."
Was der gute alte Mephisto in Goethes Faust schon wusste, ist Teil meines ständigen Lernprozesses :)

Ich komme mit dem Arduino gut zurecht, auch wenn ich leider nur wenig Zeit habe, mich konzentriert an die Programmierung zu setzen und große Schritte zu machen, tippel ich mich mit kleinen Tapsen zum Ziel.

Bisher sind die nötigen Teile für die Strommessung angekommen und eingebaut.
Gegenüber dem LEM habe ich die Möglichkeit kleinere Ströme exakt zu erfassen, was für die ersten Tests an den bestellten 18560 LiFePo-Zellen wichtig ist.
Die Zellen selbst (UltraFire 4000mAh) sind noch auf dem Weg.

Im späteren Aufbau werde ich je nach größe des fließenden Stroms den LEM HASS-50S  (>30A) oder den ACS714 Chip (<30A)  nutzen.

Bisher nutze ich ein Display mit 24 Zeichen und zwei Zeilen. Damit habe ich eingermaßen Platz, alles übersichtlich anzuordnen. Hier mal ein kleiner Vorgeschmack, wie es aussehen soll:

Zur Abschaltung nutze ich ein an den Arduino angeschlossenes Relais, dass im "richtigen" Moment einfach die Last von der Batterie trennt, bzw zuschaltet.

Zur Ladung werde ich erstmal mit den vorhandenen MeanWell SP-75-3.3 arbeiten.
Wer Interesse an einem hat, für je 35,- Euro habe ich noch zwei abzugeben.

Vorbereitung für Zellenmessung

Es laufen derzeit meine Vorbereitungen, um die Messung der einzelnen Zellen duchzuführen.
Der Plan sieht vor, jede einzelne Zelle bis zu ihrem elaubten Nullpunkt am unteren Ende der Ladekurve zu bringen und diese dann wieder vollzuladen bis zum erlaubten "Höchstpunkt".

Die Energie, die beim Laden in die Zelle fließt, wird damit die Kapazität der Zelle bestimmen.
Jeder Hersteller gibt unterschiedliche Ladekurven und Endladekurven, sowie empfohlene Entlade- und Ladespannungen und Ströme an, daher gelten die unten aufgeführen Werte nur für die von mir verwendeten Zellen!

Bei 20°C ist der Punkt, der als entladen gilt bei 2,5V und 39A (0.3C).
Die Zellen wurden zum Zeitpunkt unseres ersten Kaufs noch mit 2,0V Entladespannung angegeben und 3,8V Endladespannung (hier auf das "d" und "t" achten ;)  ).
Mittlerweile sind hier 2,5V und 3,6V angegeben.

Zur Vorbereitung werde ich den Wagen bis ca.80% leerfahren, damit die Prozedur nicht unnötig lange dauert.

Als Aufbau wird ein 100W 0,1Ω Ohm Widerstand eingesetzt.
Bei anfänglichen 3,2V wird der Strom etwa 32A ausmachen, bei 2,5V sind es noch 25A.

Die Spannung und der Strom wird doppelt überwacht.
Zum einen wird ein Arduino darüber wachen und im entscheidenden Moment ein Relais öffnen, um den Stromfluß zu unterbrechen, zum anderen werde ich mit Stromzange und Multimeter die Werte gegenprüfen und ggf. einschreiten.
Wenn das bei den ersten Zellen reibungslos funktioniert, werde ich dem Arduino die Arbeit überlassen.

Den Aufbau für das Laden werde ich voraussichtlich ähnlich aufbauen. Endspannung wird 3,5V werden.
Zum Laden der einzelnen Zellen werde ich es mit den drei MeanWell-Netzteile (je 15A) probieren und sehen, ob es nach meine Wünschen klappt.
Die Ah und Wh werden von einem zweiten Arduino gemessen.

So kann ich die ersten Zellen laden, wärend der Rest noch entladen wird.

Bei 45 Zellen wir das eine lange Prozedur ...