Bau eines Tiefenentladeschutzes

In den letzten Tagen waren wir wieder verstärkt mit Akku und Lampenbau beschäftigt. Schön wäre es, einen eigenen, auf unsere Anforderungen angepassten Tiefenentladeschutz zu bauen. Zwar sind wir noch nicht ganz am Ziel angekommen, aber wir sind auf gutem Weg.

Es steht nämlich immer noch die Frage nach der Schutzelektronik im Raum. Die Technologie für die Akkus ist inzwischen geklärt: Außer in den Backup-Lampen, die mit handelsüblichen Baby-C Batterien funktionieren sollen, werden wir nach und nach alles mit Lithium Mangan Akkus ausstatten. Dieses bieten einen guten Kompromiss aus Leistungsdichte und Sicherheit. Aktuell verbauen wir die Sony US18650NC1 Zelle und sind damit sehr zufrieden.

Dieser Artikel beschreibt unsere ersten Erfahrungen und Prototypen. Im "Wir bauen einen Akkutank - Teil 2" beschreibe ich eine wesentlich ausgereiftere Version des Tiefenentladeschutzes.

Gefahren und Eigenschaften der Lithiumzellen

Aber auch LiMn Akkus müssen mit Sorgfalt behandelt werden. So kann auch dieser Akkutyp bei falscher Behandlung schlimmstenfalls Feuer fangen. Ein Lithium Feuer ist zudem nur schwer löschbar, bzw. braucht sehr große Mengen Wasser. Kommt Lithium mit Wasser in Verbindung reagiert es bei bis zu 1300 Grad Hitze und muss deshalb auch nach dem verlöschen der Flammen noch lange gekühlt werden.

Viele Händler vertreiben gar keine (ungeschützten) Lithium Akku-Zellen. So findet man aktuell weder bei Amazon, noch bei den großen Elektronikkaufhäusern wie Conrad, Reichelt, ELV, etc. Lithium basierte Standardzellen in größerer Auswahl. Eventuell findet man kleine Packs für den Modellbau mit Kapazitäten kleiner 5 Wattstunden. Unser nächster Heizakku ist mit 575 Wattstunden da schon etwas größer konzipiert und ein Feuer wäre eine doch sehr unangenehme Sache...

Lithium basierende Akkus müssen als Gefahrgut transportiert werden (siehe z.B. Modellvorschriften der Vereinten Nationen für den Gefahrguttransport", 17. Fassung 2011), was schonmal die erste Hürde darstellt.
Auch beim Verkauf versuchen sich die Händler mit weiteren Warnhinweisen abzusichern. Unser bisheriger Lieferant www.akkuteile.de schreibt beispielsweise folgenden Warnhinweis an jeden Akku:

Also wie schützen?

Als erstes schützen wir uns vor einem Brand durch die Verwendung von Markenzellen großer Hersteller. Es gibt zu geringen Preisen No-Name Zellen aus Fernost - hier ist große Vorsicht geboten.
In unsere bisherigen Akkupacks haben wir einen vorgefertigten, kombinierten Tiefenentladungs- und Überspannungsschutz eingebaut, der nebenher auch noch die Zellladung balanciert hat. In der Regel haben wir diese Schaltung verbaut: http://shop.lipopower.de/PCM-3S-30A-Lipo-mit-Balancer-15

Vorgefertigter Tiefenentladeschutz

Bei den nächsten Akkus braucht diese Schaltung aber zu viel Platz. Es ist ein 3s7p 18650er, sowie ein 3s19p 18650er Zellen geplant in einem zylindrischen Gehäuse mit je 60mm, bzw. 92mm Innendurchmesser. Da ist einfach kein Platz für so eine vorgefertigte Platine. Also heißt es selbst tätig zu werden.

Dabei stellt sich die Frage welchen Funktionsumfang diese Schaltung haben soll.

Letztlich balancierst das Ladegerät die Zellen schon sehr effizient. Auch ein Überspannungsschutz brauche ich im Wasser nicht, da Zellen in der Regel an Land geladen werden. Natürlich ist es sinnvoll, die Zellen gegen Überspannung zu schützen. Insbesondere wenn man ein Multifunktions-Ladegerät nutzt und z.B. versehentlich mal das 24V Bleiakku Programm über Nacht laufen lässt. Aber ich habe beschlossen dass ich dieses Risiko eingehe, zumal die Akkus auch in diesem Fall wahrscheinlich nur kaputt gehen, ohne gleich Feuer zu fangen. Momentan überlegen wir, diesen Überspannungsschutz als zusätzliches Gerät in den Ladekreislauf zu integrieren. Das würde das Laden sicherer machen, ohne den Akku selbst mit weiterer Elektronik aufrüsten zu müssen. Man könnte dieses Gerät auch gleich mit einem Rauchmelder ausstatten...

Im Wasser benötigen wir nur ein Tiefenentladeschutz und Kurzschlusssicherung. Gegen Kurzschlüsse haben alle unsere Akkus unabhängig von der restlichen Elektronik einen fliegenden Sicherungshalter direkt im Kabel integriert. Dieser fasst eine Mini-KFZ Sicherung, die im Kurzschlussfall mechanisch trennt.

Es bleibt die Frage nach der Regelelektronik. Elektronik kann kaputt gehen und stellt immer eine weitere Fehlerquelle dar. Andererseits wäre es sehr schade wenn ein 575Wh Akku der alleine an Materialkosten schon bei knapp 350 Euro liegt, wegen Tiefenentladung zerstört wird - nur weil das Laden vor dem Tauchgang vergessen wurde.

Wir wollen also etwas flexibler sein: Bei > 99,9 % aller Tauchgänge ist ein Ausfall der Elektronik irrelevant. Es wird eben etwas kälter, oder die Backup-Lampe wird benutzt. Dennoch soll die Elektronik optional bleiben. Deshalb haben wir entschieden den Tiefenentladeschutz bei Bedarf zu anzuklemmen. Der Entladeschutz wird in den Deckel des Akkutanks eingebaut und kann mit in die Leitung integriert werden. Habe ich einen Tauchgang vor, bei dem ich genau weiß dass der Akku geladen ist und ich fehleranfällige Elektronik eliminieren will, so schließe ich den Verbraucher direkt an den Akku an und umgehe den Tiefenentladeschutz mechanisch.

3D Modell zur Unterbringung des Tiefenentladeschutzes 

In der 3D Zeichung wird der Tiefenentladeschutz in geringem Abstand zum Deckel mit 2 Abstandsbolzen verschraubt. Deren eigentliche Aufgabe besteht darin den Akku mit einer Querspange klemmen. In größeren Tanks wollen wir die Schaltung in einer im Deckel eingefrästen Vertiefung versenken.

Stellt sich nun die Frage, wie realisieren wir die Spannnungsüberwachung?

Spannungsüberwachung

Die Spannung wird durch ICL7665 überwacht. Dieses kann über Widerstände eingestellt werden. ICL 7665 kann 2 Werte überwachen und mit einer Hysterese für das Wiedereinschalten arbeiten. Die Hysterese ist wichtig um ein Schwingen zu verhindern.
Sie bewirkt, dass erst wieder eingeschaltet wird, wenn die Spannung signifikant steigt, also z.B. 0,3V über dem Abschaltwert. Andernfalls würde die Akkuspannung nach dem Abschalten durch die fehlende Belastung wieder um ein paar mV ansteigen und die Schaltung würde wieder einschalten, nur um gleich bei Spannungseinbruch wieder abzuschalten.

Schaltplan Spannungsüberwachung (Update Jun. 2015)

Wir haben die Überwachung so eingestellt, dass Ausgang 1 des ICs den Tiefenentladeschutz definiert. Er wird angesteuert sobald die Spannung 9,0 Volt unterschreitet. Seine Hysterese haben wir bei 9,9 V eingestellt. An dem Ausgang hängt auch eine low-current LED, welche die Betriebsbereitschaft anzeigt.

Den zweiten Ausgang nutzen wir um mit einer grünen LED einen vollen Ladezustand des Akkus anzuzeigen. Sie soll verhindern, dass man versehentlich mit einem teilentladenen Akku taucht.
Wir laden unsere Akkus in der Regel bis 90% der maximalen Kapazität um sie zu schonen. Demzufolge soll die LED leuchten, solange der Akku noch mindestens 80% Kapazität hat. Das ist bei ca. 4 V pro Zelle, also für den gesamten Akku bei ca. 12 V der Fall. Die Hysterese ist in diesem Fall nicht so wichtig, wir haben sie auf 12,3 V gesetzt.

Außerdem enthält die Schaltung eine Diode D1 als Verpolungsschutz. Dieser sehr primitive Schutz erzeugt bei Verpolung einen Kurzschluss und lässt die Sicherung F1 durchbrennen. Da die Schaltung fest installiert wird und mit verpolungssicheren Steckverbindern angeschlossen wird, ist dieser Schutz ausreichend.

Die rote LED zeigt an, dass eine Batterie angeschlossen ist und leuchtet auch bei abgeschaltetem Strom weiter. Da sie 1,5mA zieht, führt dies zu keiner Tiefenentladen wärend des Tauchgangs und später wird die Batterie abgeklemmt. Ist der Tiefenentladeschutz fest am Akku installiert (also im Dauerbetrieb), so darf diese LED natürlich nicht eingebaut werden.

Prototyp auf Steckbrett

Diese Schaltung haben wir zuerst prototypisch auf einer Leiterbahnenplatinen aufgebaut. In den Akkutanks ist dafür allerdings zu wenig Platz, hier braucht es SMD Bauteile auf einer selbst geätzten Platine.

Prototyp auf Lochstreifenplatine

Die Schaltung selbst verbraucht gerade mal 1,9 mA im Regelbetrieb. Wenn die Batteriespannung unter dem Abschaltwert ist, werden nur 20 µA verbraucht.

Tiefenentladeschutz mit MOSFET

Die Schaltung steuert einen Mosfet Transistor, der die Last ein- und abschaltet. Prädestiniert aufgrund des geringen Source-Drain Widerstandes ist IRF4905. Dieser hat ein R(ds) von 20 mOhm. Die Leistung die am Mosfet abfällt hängt damit vom Verbraucher ab.

Bei einer 110W Heizung schaltet der Mosfet 9,17 Ampere bei 12V. Den Widerstand des Heizdrahtes kann man so bei etwa 1,31 Ohm annehmen. Das stimmt natürlich nur näherungsweise, was aber für diese Betrachtung ok ist. Am Mosfet fällt damit (12V / (1,31Ohm + 0,02Ohm)) * 0,02Ohm = 0,1806V Spannung ab. Der Leistungsverlust am Mosfet beträgt damit 0,1806V / 0,02 Ohm * 0,1806V = 1,63 Watt.

Resultat: Bei 110W gehen 1,5% Leistung durch die Spannungsüberwachung verloren.

Anders sieht es bei einem Verbraucher mit 30W, z.B. eine leistungsfähige Lampe aus. Hier fließen bei 12V genau 2,5A. Der Lastwiderstand liegt damit bei 4,8 Ohm. Am Mosfet fallen (12V / (4,8 Ohm + 0,02Ohm)) * 0,02Ohm = 0,05V Spannung ab. Der Leistungsverlust am Mosfet beträgt damit 0,05V / 0,02 Ohm *  0,05V   = 0,125 Watt.

Resultat: Bei 30W gehen 0,4% Leistung durch die Spannungsüberwachung verloren.

Tiefenentladeschutz durch Relais

Bei einer Lampenschutzschaltung sind die 120mW Verlustleistung durchaus akzeptabel. Aber 1,7W im Akkutank zu verheizen, nur um den Tiefenschutz zu gewährleisten ist sehr üppig. Als alternative kann hier ein Relais eingesetzt werden. Für diesen Einsatz eignet sich ein Hochstromrelais aus dem Automotive Bereich, z.B. TRS-L 12V. Dieses hat eine akzeptable Bauform und schaltet bis zu 30Ampere. Es hat im Betrieb eine Leistungsaufnahme von 0,57W. Diese Aufnahme ist konstant und unabhängig vom Verbraucher.
Im Falle unserer Heizung fällt also (100% / (110W + 0,57W)) * 0,57W = 0,52% des Gesamtverbrauchs auf die Spannungsüberwachung ab. Bei der Lampe hingegen (100% / (30W + 0,57W)) * 0,57W = 1,9%.

Fazit 

Somit könnte man vorschlagen dass man für den Tiefenentladeschutz ab ca. 65W ein Relais die bessere Wahl ist und sobald die Leistung kleiner ist, ein Mosfet an erster Stelle steht. Allerdings hat ein Relais noch weitere Nachteile: Durch seine Mechanik ist es fehleranfälliger und braucht zudem noch viel Platz. Der Mosfet braucht auch Platz - 1,5W müssen über einen Kühlkörper an die Umgebung abgegeben werden. Aber diese Wärme kommt auch wieder den Akkus zu gute, da diese beim Tauchen in 4 Grad kaltem Wasser sowieso etwas unter ihrer optimalen Betriebstemperatur laufen.

Leistungsaufnahme Mosfet und Relais im Vergleich

Alles in allem haben wir beschlossen die Schaltung nur über Mosfets zu realisieren. Wenn wir den großen 575 Wh Akkutank bauen, so fallen über die Betriebsdauer bei 110W durch den Tiefenentladeschutz etwa 8Wh ab. Das entspricht einer etwa 5 Minuten kürzeren Heizdauer. Dies fällt bei einem Tauchgang mit mehr als 4h nicht mehr wirklich ins Gewicht. Deshalb die Abschaltung rein über den Mosfet.

Weitere Alternativen 

Es gibt auch noch weitere Alternativen:

So kann auch ein bistabiles Relais genutzt werden. Dieser Relais Typ benötigt nur beim Schaltvorgang selbst Strom. Der große Nachteil ist die recht komplexe Ansteuerung: So muss z.B. zum Schalten der Strom umgepolt werden, oder aber es muss über Steuersignale mit definierter Schaltdauer geschaltet werden.
Dadurch würde der Verbrauch auf wenige mW sinken. Allerdings muss eine wesentlich aufwändigere (und damit auch wieder fehleranfälligere) Schaltung implementiert werden, die dann auch wieder mehr Platz im Gehäuse verbrauchen würde.

Eine weitere Alternative wäre keine Abschaltung zu implementieren, sondern stattdessen nur eine Warnung in Form eines Summers einzubringen. Immer wenn die Spannung unter einen kritischen Wert fällt gibt dieser einen Warnton und der Taucher muss den Tank selbst ausschalten. Der große Vorteil liegt darin, dass die Abschaltung nicht im Stromkreis integriert ist und somit bei einem Ausfall nicht die Funktion beeinträchtigt. Die komplett parallele Überwachung kann komplett ausfallen, die Heizung/ die Lampe ist davon nicht betroffen. 

Realisierung

Nachdem die Prototypen funktioniert hatten, war für die finale Realisierung etwas mehr Feinmotorik gefragt. Da die Schutzschaltung auch in einen Tank mit 60mm Durchmesser passen sollte, bei dem zudem der Schalter noch mehr als die Hälfte des Platzes belegt, haben wir entschlossen die Schaltung in SMD Bauweise zu realisieren und die Platine selbst zu ätzen. Beides Techniken, in denen wir kein Erfahrung haben.

Die Einarbeitung in die Freeware Version von Eagle erfolgte schnell und bald hatten wir auch schon das erste Platinendesign fertig.

Als schwierig hat sich das ätzen herausgestellt. Lange haben wir gebraucht, bis wir festgestellt haben, dass die Tinte mit der wir das Layout gedruckt hatten einfach zu lichtdurchlässig war. Einen zweiten Ausdruck übereinander gelegt hatte das Problem gelöst. Auch mussten wir etwas experimentieren, was die Deckungsgleichheit zwischen Ober- und Unterseite angeht. Zwischen zwei Plexiglasscheiben gelegt klappte aber auch das.

Nachdem wir gut 2 Roh- Platinen mit unseren Experimenten in teuren Müll verwandelt hatten, war der Dreh heraus. Das Problem war der Tintenstrahldrucker mit dem wir die Belichtungsfolie bedruckt hatten. Diese Tinte war zu lichtdurchlässig, so dass falsch belichtet wurde. Daraufhin haben wir das Layout 2 mal gedruckt und die Folie übereinander geklebt, was zu wesentlich besseren Ergebnissen führte.

Nicht alle wurden so perfekt wie die unten abgebildete, aber mit den weniger guten konnten wir dann unsere ersten SMD Lötversuche starten. Sicher hätten wir die Platinen auch in Auftrag geben können. Wahrscheinlich wäre das sogar im gesamten billiger gewesen. Aber so hatten wir die Möglichkeit bei Bedarf zu optimieren und konnten auch ohne tagelange Wartezeit Änderungen vornehmen. Und Spaß hat es auch gemacht.

Das Ätzbad	Eine gelungene Platine

Nachdem die Platinen geätzt, gebohrt, gesägt und lackiert waren, konnte das Bestücken beginnen. Beeindruckt waren wir von der Miniatur-LED, deren Polung wir nur mit einer sehr guten Lupe erkennen konnten. Die LED hat eine Größe von gerade mal 1.7 mm x 0.8 mm x 0.65 mm - da war Fingerspitzengefühl gefragt.

Kniffelige Lötarbeiten an der Platine

Die Teile ließen sich besser verarbeiten als gedacht, und so kamen wir sehr gut voran. Nur bei dem Transistor gab es ein Problem: Dieser stand zwar auf der Stückliste - leider aber nicht auf der Bestellung. Deshalb haben wir mit der schlechtesten, noch funktionalen Platine zuerst einmal einen Prototyp ohne den Transistor gebaut. Dieser ist sowieso nur für die grüne LED zuständig, auf die wir zu Versuchszwecken auch mal verzichten können.

Schnell war die Schaltung gelötet und es ging auch schon auf den Versuchsstand: Wir haben ein Gerät gebaut, was nichts anderes tut als Strom zu verbrauchen. Zwei 3,3 Ohm/50 W Widerstände simulieren einen 100 Watt Verbraucher. Unsere Schaltung soll dessen Spannung überwachen und mit dem hohen Strom von 7-8 Ampere klar kommen.

Das Testlabor

Der Mosfet wird wie erwartet warm, aber nicht zu heiß - alles im grünen Bereich. Allerdings messen wir einen Spannungsabfall von ca. 500mV bei 12V Eingangsspannung - wesentlich mehr als die vorhergesagten 180mV... Haben wir uns oben verrechnet? Ist das den dünnen Kabeln und Leiterbahnen geschuldet? Wie auch immer, wir werden demnächst noch eine weitere Platine aufbauen und das Ganze noch mal verifizieren.

The end?

Der  Prototyp im 3h Testbetrieb

...noch lange nicht! Wir haben beschlossen demnächt auch die Alternative mit dem Summer zu bauen und die beiden in der Praxis gegenüber zu stellen. Wir werden auf jeden Fall darüber berichten.

Auch werde ich noch ein Bild einstellen, wenn der fehlende Transistor nachgeliefert wurde und die erste richtige Platine fertig ist.

Bis dahin, Gut Luft und bis demnächst!

KLEINER NACHTRAG: 

In der ersten Fassung enthielt der Schaltplan noch einen Fehler. Der verbaute Transistor war überflüssig und hätte sowieso anders verschalten werden müssen.

UPDATE Februar 2016: Inzwischen hat sich einiges getan und der Tiefenentladeschutz hat inzwischen richtig zugelegt. Dies wird im Artikel "Wir bauen einen Akkutank - Teil 2" betrachtet.