KC

LiPo

Balancer

Testbericht von Gerd Giese auf
www.elektromodellflug.de
Elektromodellflug

Die Veröffentlichung

Einsatz

Beim Laden mehrzelliger Lithium Polymer Akkus besteht die Gefahr, dass einzelne Zellen durch einen unterschiedlichen Ladezustand überladen werden. Es gibt verschiedenen Möglichkeiten, dies zu verhindern. Eine Möglichkeit ist, dass die Spannung einer schon vollen Zelle begrenzt wird. Genau das macht ein Balancer. Dazu muss immer eine LiPo Balancer Stufe zu einer Zelle parallel geschaltet werden. Beim Begrenzen der Spannung fließt der Ladestrom nicht in den Akku, sondern in den Balancer und wird in Wärme umgesetzt.

Belastbarkeit

Der angegebene Strom von 2 Ampere sollte normalerweise der maximale Ladestrom sein. Bis 2 Ampere Strom, die in den Balancer und nicht in den Akku fließen, hält der Balancer die Spannung konstant. Ob bei diesem maximalen Strom noch ein sinnvoller Betrieb möglich ist, hängt davon ab, wie viele Stufen gleichzeitig mit hohem Strom arbeiten und wie gut die Verkabelung ist (siehe weiter unten). Wenn nur eine Stufe arbeitet funktioniert der Balancer bei diesem Strom über längere Zeit einwandfrei. Bei mehreren aktiven Stufen ist der maximale Dauerstrom 1-1,5 A.

Wenn eine gelbe LED leuchtet gibt die Temperatur des Kühlkörpers Auskunft über die Ausgleichsleistung des LiPo Balancer. Bei regelmäßig balancierten Akkus wird der Kühlkörper nur selten überhaupt warm werden. Ist der Kühlkörper jedoch kaum noch anzufassen, sind hohe Ausgleichsströme geflossen. Dann muss der geladene Akku überprüft werden. Ursache könnte eine defekte Zelle oder bei mehreren, parallel verschalteten Zellen eine Unterbrechung einer einzelnen Zelle sein. Höhere Ausgleichsströme, verursacht durch Zellen mit unterschiedlichem Ladezustand im Akkupack, sind nach einer sehr tiefen Entladung, nach längerer Lagerung oder nach einer eventuellen Beschädigung des Akkus zu erwarten. Dann sollte auf keinen Fall der maximale Strom überschritten werden sollte.

Wenn ein regelmäßig balanciert geladener Akku in Ordnung ist und ein unterschiedlicher Ladezustand der Zellen in einem Akkupack unwahrscheinlich ist, kann der Ladestrom auch erheblich höher sein, denn es fließt am Ladeende nur ein geringer Ausgleichsstrom. Dann sollte aber dem Ladevorgang die nötige Aufmerksamkeit verleihen werden. Also unbedingt auf die LED’s und auf die Kühlkörpertemperatur achten. Die Gefahr einer Überlastung und somit einer defekten Sicherung ist im normalen Betrieb zwar gering, besteht aber immer, wenn der Ladestrom über 3 A gewählt wird.

 

Sicherheitshinweis

Der Balancer schützt einzelne Zellen und den ganzen Akkupack vor dem Überladen, vermindert somit die Gefahr beim Ladevorgang erheblich. Aber trotzdem sollten Akkus nie unbeaufsichtigt geladen werden! Die Sicherheitshinweise der Akku Hersteller sind zu befolgen.

Der Nachbau und Betrieb dieser Schaltung sollte mit großer Sorgfalt geschehen. Beim Betrieb des Balancer immer auf korrekten Anschluss achten und Verpolungssichere Steckverbindungen verwenden. Der Nachbau und Betrieb erfolgt auf eigenen Gefahr.

Abgleich

Der fertige LiPo Balancer ist schon auf 4,21V abgeglichen, um den Akku beim Laden zu schützen. Um ein optimales Ergebnis zu erzielen, kann es nötig sein, den LiPo Balancer auf das vorhandene Ladegerät abzugleichen. Der Grund: Ist die Regelspannung etwas zu hoch eingestellt, wird der Akku zwar vor Beschädigung geschützt, aber die Zellen können immer noch minimal von einander abweichen. Ist die Regelspannung zu niedrig eingestellt, wird das Ladegerät nicht abschalten und den Ladestrom herunterregeln. Der Ladestrom fließt bei vollem Akku komplett in den Balancer und wird in Wärme umgesetzt.

Die Spannung sollte immer direkt auf der Platine gemessen werden. Die Regelspannung einer Stufe wird nur messbar, wenn die gelbe LED leuchtet, also wenn die Spannungsbegrenzung eingesetzt hat. Leuchtet nur die grüne LED, kann keine Aussage über die eingestellte Balancer Spannung getroffen werden.

Bei einigen Ladegeräten, z.B. von Schulze, kann ein Abgleich zwingend erforderlich sein, da Ladeschlussspannung über den Voreingestellten 4,21V liegt.

Es gibt verschiedenen Möglichkeiten, den LiPo Balancer abzugleichen.

Ein einfaches dreieinhalbstelliges Mulimeter ist vorhanden:
Dieser Abgleich erfolgt, wenn einen Akku am Ladegerät angeschlossen ist und schon fast voll ist. Dann ist am Akku die maximale Ladespannung vorhanden.

Alle Stufen müssen auf die gleiche Spannung abgleichen werden. Ist die Spannung unterschiedlich, muss die Zelle mit der höchsten Spannung auf den durchschnittlichen Wert eingestellt werden, so dass die gelbe LED leuchtet und somit die Zellen angeglichen werden. Dabei muss der Einsteller aller Stufen so eingestellt sein, dass die gelbe LED gerade so nicht mehr glimmt. Der Abgleich kann in diesem Fall mehrere Ladezyklen dauern, da die meisten Ladegeräte den Ladestrom abschalten, bevor der Ladestrom gegen 0 geht. Dazu den Akku nur ca. 10-20% entladen und dann erneut voll laden.

Der Abgleich ist dann abgeschlossen, wenn mit dem Multimeter kein Unterschied mehr zwischen den Zellen messbar ist, alle gelben LED’s dunkel sind und die Potis aller Stufen kurz vor dem leuchten der gelben LED eingestellt sind. Der Balancer Spannung sollte abschließend geprüft werden, siehe weiter unten.

Die absolute Genauigkeit des Multimeter spielt bei diesem Abgleich keine Rolle, da es nur für Vergleichsmessungen genutzt wird. Es sollte aber immer mit der gleichen Polung zwischen Multimeter und Akku gemessen werden.

Bei einem anschließenden Test am Ladegerät sollten die gelben LED’s nicht leuchten, bzw. es sollte mindestens eine gelbe LED nicht leuchten, wenn der Akku nicht ausgeglichen ist. Wenn alle gelben LED’s leuchten, muss der Abgleich wiederholt werden.

Ist ein vierstelliges (Messbereich 9,999 V) oder noch besseres Multimeter ist vorhanden:
Dazu den LiPo Balancer mit einem vollen Akku am Ladegerät anschließen. Wenn alle grünen LED's die Bereitschaft signalisieren, den Ladevorgang im NiCd Modus mit 100 mA Ladestrom starten und die Spannung aller Stufen auf der Platine messen. Den Vorgang sofort abbrechen, wenn eine Stufe eine unzulässig hohe Spannung anzeigt. Sobald alle gelben LED’s leuchten fließt der Strom teilweise in den Balancer, die Spannungsbegrenzung des LiPo Balancer hat also eingesetzt. Der Balancer muss nach der erstgenannten Methode schon vor eingestellt sein, aber eher auf eine zu geringe als zu hohe Spannung, um den Akku durch den Ladestrom nicht zu schädigen.

Nun können alle Stufen auf die gleiche Spannung einstellt werden, jedoch plus 5mV höher, als dass Ladegerät bei Ladeende hat. Beispiel: LiPo Balancer für 3 Zellen, Ladespannung kurz vor Ladeende 12,66V.  Dass ergibt eine Spannung von 4,220V pro Stufe plus 5mV. Jede Stufe wird also auf exakt 4,225 (+/- 2mV) eingestellt.

Der Wert von 12,66 V aus dem Beispiel muss am eigenen Ladegerät ermittelt werden, kurz bevor der Ladevorgang im LiPo Modus beendet wird.

Bei einem anschließenden Test am Ladegerät sollten die gelben LED’s nicht leuchten, bzw. es sollte mindestens eine gelbe LED nicht leuchten, wenn der Akku nicht ausgeglichen ist. Wenn alle gelben LED’s leuchten, muss der Abgleich wiederholt werden.

LiPo Balancer Spannung testen

Der LiPo Balancer sollte ab und zu mal auf die exakte Regelspannung getestet werden. Sinnvoll ist das auch nach einem neuen Abgleich, Beschädigung (und Reparatur) oder Sturz.

Dazu den LiPo Balancer mit einem vollen Akku am Ladegerät anschließen. Wenn alle grünen LED's die Bereitschaft signalisieren, den Ladevorgang im NiCd Modus mit 100 mA Ladestrom starten und sofort die Spannung aller Stufen auf der Platine messen. Den Vorgang sofort abbrechen, wenn eine Stufe eine unzulässig hohe Spannung anzeigt. Sobald alle gelben LED’s leuchten fließt der Strom teilweise in den Balancer, die Spannungsbegrenzung des LiPo Balancer hat also eingesetzt.

Die Gesamtspannung des Akku sollte nun etwa der Ladeschlussspannung des Ladegerät kurz vor Ladeschluss plus ca. 0.01 V pro Zelle entsprechen. Die sollte mit dem vorhandenem Multimeter ermittelt werden. Z.B Ladeschlussspannung 12,60 V, wenn jetzt 12,63 V gemessen werden ist es OK. Nun die Spannung aller drei Stufen messen. Zeigen alle Stufen auf 0,01 V genau die gleiche Spannung an, ist der Balancer noch korrekt abgeglichen. Weicht eine Stufe ab oder ist die Gesamtspannung des Akku höher oder niedriger als erwartet, muss der Balancer neu abgeglichen werden.

Schutzmaßnahmen / LED Anzeige

Grüne LED
Jede einzelne Stufe des LiPo Balancer ist durch eine eigene Sicherung geschützt. Eine heile Sicherung wird durch die grüne LED signalisiert. Wird der LiPo Balancer verpolt oder an eine zu hohe Spannung angeschlossen, z.B. eine Stufe parallel an zwei Zellen, wird die Sicherung zerstört und muss ersetzt werden. Eine neue SMD Sicherung ist im Elektronik Handel oder bei mir erhältlich und kann mit möglichst zwei Lötkolben ersetzt werden. Dazu im Bereich der Sicherung ein Fenster in den Schrumpfschlauch schneiden und nach der Reparatur mit durchsichtigem Klebeband verschließen. Mit etwas mehr Lötzinn und abwechselndem erwärmen beider Lötstellen ist das entfernen auch mit einem Lötkolben möglich. Beim Einbau der neuen Sicherung muss darauf geachtet werden, dass die darunter verlaufende Leiterbahn keinen Kontakt zu den Lötanschlüssen der Sicherung hat.

Gelbe LED
Die gelbe LED zeigt an, dass der Ladestrom teilweise über den Balancer fließt, um eine volle Zelle vor Überladung zu schützen. Wenn die LED nur etwas glimmt, ist der Ausgleichsstrom nur sehr gering. Es sollten niemals alle gelben LED’s leuchten, nötigenfalls muss den Balancer auf das vorhandene Ladegerät neu abgleichen werden.

Rote LED
Die rote LED sagt aus, dass die eingestellte Regelspannung überschritten wird. Der Ladevorgang muss sofort abgebrochen werden! Dass Problem tritt nur auf, wenn der angegebene Balancerstrom erheblich überschritten wird oder wenn die Kühlleistung des Kühlkörper wegen dauerhaft hoher Ausgleichsströme nicht ausreicht.

Sicherung
Der Balancer hat als Verpolungsschutz nur die Sicherung! Die Sicherung wird auch auslösen, wenn über 3 A in den Balancer fließen oder wenn eine Stufe an 2 Zellen angeschlossen wird. Beim Betrieb des Balancer immer auf korrekten Anschluss achten.

Temperatur
Die Transistoren haben einige Schutzmaßnahmen eingebaut. Somit wird auch der Strom bei ca. 100 Grad Kühlkörpertemperatur abgeschaltet und die rote LED signalisiert einen Fehler.
 

FAQ

Warum wird der LiPo Balancer bei jedem Ladevorgang sehr warm?

Wenn alle gelben LED’s leuchten, muss der LiPo Balancer neu abgeglichen werden, da die Regelspannung zu niedrig eingestellt ist.

Warum leuchten immer alle gelben LED’s, bis auf eine?

Die eine Zelle, dessen Balancer LED nicht leuchtet, hat eine zu niedrige Spannung. Glimmen die LED’s dabei nur und der Kühlkörper bleibt kalt, fließt nur ein geringer Ausgleichsstrom. Dieses Auseinanderlaufen der Zellen ist normal und tritt z.B. häufig bei der mittleren Zelle von dreizelligen Akkuspacks auf. Bleibt dieses Verhalten auch nach einigen Ladezyklen und der Kühlkörper wird dabei warm, könnte eine Zelle einen Defekt haben. Bei Akkupacks mit mehreren parallel verschalteten Zellen könnte eine Zelle eine Unterbrechung haben

Kann ich mit dem 3 Zellen LiPo Balancer auch für 2 Zellen Akkus benutzen?

Ja. Es muss immer eine Stufe zu einer Zelle parallel geschaltet werden. Sind die einzelnen Stufen an den Kabelanschlüssen mit einander verbunden, müssen zwei Stufen nebeneinander benutzt werden

Warum schaltet mein Ladegerät nicht mehr ab?

Wenn alle gelben LED’s leuchten, geht der Ladestrom nicht runter und das Ladegerät schaltet nicht ab. Der Balancer muss auf das vorhandene Ladegerät abgeglichen werden

Warum leuchtet eine grüne LED nicht mehr?

Der LiPo Balancer wurde verpolt oder an eine zu hohe Spannung angeschlossen, z.B. eine Stufe parallel an zwei Zellen. Die Sicherung ist zerstört und muss ersetzt werden. Der Balancer nimmt dabei keinen Schaden. Eine neue SMD Sicherung ist im Elektronik Handel oder bei mir erhältlich und kann mit möglichst zwei Lötkolben ersetzt werden. Dazu im Bereich der Sicherung ein großes Fenster in den Schrumpfschlauch schneiden und nach der Reparatur mit durchsichtigem Klebeband verschließen

Warum leuchtet die rote LED bei manchen Akkus?

Die rote LED sagt aus, dass die eingestellte Regelspannung überschritten wird. Der Ladevorgang muss sofort abgebrochen werden! Akkus und Verkabelung prüfen. Nicht zu dünne und gleichzeitig sehr lange Kabel verwenden.

Kann ich den LiPo Balancer nach dem Laden am Akku lassen?

Nein. Der LiPo Balancer verbraucht Strom (ca. 2mA) und wird daher den Akku entladen.

Verkabelung

Soll der Balancer auch bei hohem Ladestrom betrieben werden, sollte die Verkabelung einen geringen Übergangswiderstand haben. Das ist nötig, damit die Spannung nicht nur am Balancer, sondern auch am Akku konstant gehalten wird. Es sollten dann geeignete Stecker mit höherer Belastbarkeit und kurze Kabeln mit möglichst 0,5 mm² oder mehr Querschnitt eingesetzt werden.

Poly-Quest

Bei den Poly-Quest Akkus gibt es ein mehrpoliges Kabel, an dem nur der Balancer angeschlossen wird. Die einzelnen Balancer sind kaskadiert, wie auch die Zellen in Reihe geschaltet sind

Am Tanic Akku sind zwischen den Anschlusskabeln für jede
Zelle ein JST Stecker, auch BEC Buchse genannt, zu sehen.

Bei dieser Verkabelung ist es wichtig, dass die Balancer Stufen untereinander nicht verbunden sind. Das sollte unbedingt nach dem anlöten der Kabel mit dem Ohmmeter überprüft werden. Sonnt könnte es, je nach Reihenfolge der Stecker, einen Kurzschluss oder eine defekte Sicherung geben.

Diese Verkabelung sollte nur eingesetzt werden, wenn im Akku auch nur eine Buchse vorhanden ist. Also nicht so, wie auf dem Bild zu sehen ist. Dann werden Plus und Minus mit 4mm Stecker/Buchse in das Ladekabel eingeschleust. Bei Akkus mit drei BEC Steckern sollten auch an den Balancer drei BEC Stecker angeschlossen werden, da bei der Kombination auf dem Bild die Kabel auch schnell mal falsch angeschlossen werden können

Wird ein Akku für den Balancer auf dem Bild umgebaut, dann reicht bei drei Zellen Akkus auch eine BEC Buchse

Adapter

Für kleine Slowfly Akkus lässt sich auch ein Adapter Kabel bauen. Die BEC Buchse für den Balancer, der rote 2mm Stecker/Buchse wird in das Ladekabel eingeschleust und der kleine, blaue Stecker wird in die kleine Buchse zuwischen den Akkus Anschlusskabeln gesteckt.

Stecker

Diese Platinenstecker, die es als 2er, 3er 5er usw. gibt, sind sehr preiswert und es gibt sie in fast jedem Elektronik Handel. Z.B. die 2er Stecker und Buchse kosten bei Reichelt nur ca. 20 Cent. Sie sind aber nicht kompatibel zu den Tanic oder Poly-Quest Akkus.

Der linke Teil wird mit möglichst kurzen Kabeln in den Akku eingebaut und das rechte Teil lässt sich leicht mit möglichst dickem Kabel mit dem Balancer verbinden

Der Schaltplan ist immer noch aktuell

Bei der Veröffentlichung in der Zeitschrift elektroModell 3/2005 hat sich der Fehlerteufel eingeschlichen. Im Schaltbild sind die Ausgänge der Operationsverstärker falsch nummeriert. Ausgang von IC1B ist Pin 7 und Ausgang von IC1A ist Pin 1. Rechts im Bild ist der korrigierte Schaltbild Ausschnitt.

Wenn die Platine nach dem Bestückungsplan oder den Abbildungen aufgebaut wurde, gab es aber keine Probleme.

Die Platine wird hier nur klein dargestellt. Mit der rechten Maustaste anklicken und mit speichern unter abspeichern und im Grafik Programm bearbeiten. Das Layout muss gespiegelt werden in dann mit 29x19mm pro Stufe ausdrucken

Platine und Bestückungsplan müssen angespeichert (rechte Maustaste -> speichern unter) und im Grafik Programm angezeigt werden

Die industriell gefertigte Platine können bei Milan Lulic und bei mir fertig bezogen werden. Außerdem versende ich auch Bausätze und in kleinen Stückzahlen auch bestückte und getestete Platinen sowie auch mal einen komplett fertig gestellten Balancer

Die Bestückung ist hier zu erkennen, nur das Spindelpoti sollte liegend eingelötet werden.

Liegend lässt sich alles gut einschrumpfen und ergib eine mechanisch sehr gute Lösung

Beim Umbiegen etwas Abstand lassen, da das Spindelpoti auf dem IC liegen muss. Mit einer Pinzette geht es sehr einfach. Die zwei äußeren Pins sollten vor dem Einlöten etwas gekürzt werden, damit sie nicht gegen die Pins vom IC kommen

Unter dem Spindelpoti kann man erkennen, dass die Anschlussbeinchen Abstand zu den IC Pins hat. Bitte nach dem Einlöten kontrollieren.

Nach dem Bestücken die Platine noch mal auf Kurzschlüsse, Lötzinnperlen und kalte oder schlechte Lötstellen überprüfen. Dann die Transistorbeinchen auf ca. 2-3 mm kürzen und verlöten. Fertig zum prüfen und justieren.

Kühlblech: Das vorgeschlagene Kühlblech mit ca. 6x10 cm für den 3er Balancer bis 9x12 cm für den 5er Balancer hält bei der oben genannten Belastung die Transistoren schon recht lange kühl, so dass der interne Temperaturschutz nicht anspricht. Wird der Balancer aber oft mit sehr hohen Ladeströmen und parallel geschalten Akkus Packs eingesetzt, kann es sinnvoll sein, das Kühlblech zu vergrößern oder durch einen größeren Kühlkörper zu ersetzen. Dann hält der Balancer auch über längere Zeit Ströme über 2 A aus. Notwendig ist es nicht, erhöht aber die Sicherheitsreserven bei höheren Ladeströmen und besonders auch bei Akkus mit parallel geschalteten Zellen.

Einschrumpfen: Wird der Balancer neu eingeschrumpft, sollte er auf jeden Fall überprüft und wenn nötig, neu abgeglichen werden. Siehe Abgleich.

Um alle Bauteile sicher abzudecken sollte der Schrumpfschlauch auf beiden Seiten etwa 1-1,5 cm länger sein, als die Platine bzw. Transistoren, da er sich beim Schrumpfen in der Mitte weit zurück zieht. Bei 4 oder 5 Stufen muss der Schlauch vor dem Schrumpfen noch länger sein. Nach dem Schrumpfen sollte er dann aber auch etwas gekürzt werden, da er sonnst fast das ganze Kühlblech abdeckt.

In den Schumpfschlauch müssen einige, kleine Fenster rein. Am einfachsten geht es mit einem erhitzten Stück Rohr. Es sollte aber vorne etwas geschärft werden, z.B. mit Akkuschrauber am Schleifbock oder Schleifpapier. Ist schnell gemacht und geht einfacher, als kleine Fenster mit dem Cutter rein zu schneiden.

Beim Poti muss natürlich sehr vorsichtig und möglichst schnell gearbeitet werden.

Fragen, Anregungen oder Kritik? Dann schick mir eine Kurznachricht oder besser eine E-Mail

Karsten Camlott  -  Hannover  -  Stand 17.07.2005