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 Betreff des Beitrags: Zellentladetester mit PC Anbindung "Mark 2"
BeitragVerfasst: 8. Nov 2017, 23:17 
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Hallo, (wie in einem anderen Thread schon erwähnt) möchte ich einen Zellentladetester mit PC Anbindung bauen, der das automatische Entladen einer einzelnen Akkuzelle ermöglicht und danach die Daten für eine Entladekurve ausspuckt.

Technische Daten, die ich erreichen möchte:
Spannungsbereich: 0-4,5V
Strombereich 0-75A
komplett isoliert, also man kann an einem geerdeten PC ein geerdetes 3,3V Netzteil testen wenn man spontan Lust hat ohne sich das Mainboard des PC zu zerschießen.

Realisierung:
Der Mikrocontroller kommuniziert via serieller Schnittstelle mit dem PC und wertet Temperaturen und evtl. den Entladestrom über einen Stromsensor mit den internen ADC aus.
In jeweils isolierten Stromkreisen sitzt einerseits der ADC, der die Akkuspannung möglichst an den Kontakten des Akku misst sowie der DAC, der den Entladestrom vorgibt. Beide kommunizieren über SPI mit dem Mikrocontroller.

Analogseitig wird der Strom von 2 (logic level) Leistungstransistoren geregelt, 4 (je 2 parallel geschaltene) Shunts liefern das Feedback für den rail-to-rail Opamp. Ein Transistor und 2 Shunts teilen sich jeweils einen Kühlkörper. Diese "Gespanne" können einzeln geregelt werden um je nach Bedarf eine kleine Impedanz oder eine bessere Genauigkeit zu erreichen.

Bauteile:
uC: Arduino Micro (weil ich für einen richtigen Mircocontroller zu inkompetent bin)
ADC: Microchip MCP3550 (22-Bit)
DAC: Microchip MCP4822 (12-Bit)

Weil gefragt wurde wie sich das thermisch ausgeht, nun ich habs noch nicht getestet, aber Theoretisch sollte es passen.
Maximaler Strom pro Strang: 37,5A
Maximale Spannung pro Strang: 4,5V
Leistung pro Kühlkörper: 169W (rating ist etwa 180W)
Widerstand 2 paralleler Shunts: 0,025Ohm
Leistung an den Shunt-Widerständen = I²*R = 35W (rating ist 30W pro Widerstand, also 60W)
Leistung am Transistor: 169W-35W = 134W (rating ist 140W)

In der Praxis wird sicher ein bisschen Leistung in der Verkabelung und der Sicherung hängen bleiben. Also sollte die Kiste eigentlich "vollgasfest" sein.

Der Schaltplan dürfte eigentlich soweit fertig sein, Die Schaltung ist in einzelnen Stücken funktionsfähig (nur unter richtiger Leistung hab ichs noch nicht getestet, also wird vielleicht dann wenn der Tester komplett zusammengebaut ist noch etwas geändert).
Dateianhang:
Schaltplan_17_11_8.PNG
(Die Datei vom Schaltplan kann ich nicht hochladen, falls jemand die Eagle Datei haben will, gerne, einfach melden)

Sonstiger Fortschritt:
Platine: weder angefangen noch irgendwelche Erfahrung
Hochstromverkabelung: bereits Ideen
Serielles Protokoll: Entwurf als Anhang, hab mal NMEA als grobe Vorlage genommen
Code Arduino: Grundgerüst steht, serielles Protokoll muss noch eingebaut werden
Code PC: Mal den alten Datenlogger abstauben, den ich in der Schule zusammengefummelt habe und umbauen (MS Visual C#)
Gehäuse: grobe Idee


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 Betreff des Beitrags: Re: Zellentladetester mit PC Anbindung "Mark 2"
BeitragVerfasst: 9. Nov 2017, 00:24 
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Wie an anderer Stelle schon gesagt, verstehe ich kaum was von Pixis and Magic Smoke, bin aber stark am Verlauf des Projekts Interessiert!

Grade der hohe möglich Entladestrom ist interessant für mich da mein SkyRC MC3000 bei 4 belegten Akkuschächten max 0.5A zieht. Da zieht sich ein Prüfungszyklus schon mal eine lange Weile dahin :popcorn:

*Thema abonniert*


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 Betreff des Beitrags: Re: Zellentladetester mit PC Anbindung "Mark 2"
BeitragVerfasst: 9. Nov 2017, 04:27 
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Moin

Fragen über Fragen:
Sind die 9V Uref am MCP nicht ein wenig viel?
Woher kommt dessen Messspannung überhaupt? Nochmal ein gemeinsamer Shunt?
Wenn ich das richtig verstehe verwendest Du nachher zwei Kühlkörper. Dann sollte es keine Probleme geben.
Wenn die Transistoren in parallelbetrieb arbeiten sollte, meiner bescheidenen Meinung nach, auch der Sollwert des jeweiligen OPs aus einer gemeinsamen Quelle gespeist werden. Per Pullup der Rückführung kannst Du ja einen oder beide Transistoren wegschalten.

PS

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 Betreff des Beitrags: Re: Zellentladetester mit PC Anbindung "Mark 2"
BeitragVerfasst: 9. Nov 2017, 07:56 
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Ja, die 9V wären zu viel, da steckt noch ne 4,5V Referenzspannungsquelle dazwischen. Die ist eigentlich auch der Grund für die 9V Schiene, es gibt welche die auf 5V laufen, aber die waren schlecht zu bekommen oder so ein extrakleiner SMD Baustein, also hab ich mich für die "einfache" entschieden.
Und der MCP 3550 misst keinen Strom, der ist direkt an die Kontakte vom Akku geschalten für die Spannung von der Entladekurve (ist im Schaltplan ein bisschen blöd dargestellt).

Die Transistoren parallel laufen lassen würde vermutlich auch gehen, ja. Meine Überlegung da war eher, der DAC hat 2 Ausgänge, der Opamp ist auch ein "dualer" also warum nicht quasi 2 komplett einzelne Stränge nutzen. Damit muss ich mir keine Gedanken über Lastverteilung zwischen den Transistoren machen.

So wie die Schaltung jetzt auf dem Schaltplan steht wird gar kein Strom gemessen/Ausgewertet. Nur hoffentlich richtig gezogen nach der Kalibrierung. Wahrscheinlich geb ich noch nen induktiven Stromsensor dazu, der direkt vom uC ausgewertet wird, als Sicherheitsmaßnahme falls was aus dem Ruder läuft. Obwohl, wenns die Transistoren durchlegiert kann man eh nix mehr regeln :D

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 Betreff des Beitrags: Re: Zellentladetester mit PC Anbindung "Mark 2"
BeitragVerfasst: 9. Nov 2017, 09:35 
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Hallo,
warum hast du die 3 Kondensatoren parallel?
der 10µF hat i.d.R. eine so große Toleranz dass der die beiden 100nF grad schluckt.

Andreas


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 Betreff des Beitrags: Re: Zellentladetester mit PC Anbindung "Mark 2"
BeitragVerfasst: 9. Nov 2017, 17:46 
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Hi

Der 10µF Kondensator wird in der Nähe der 5V Versorgung sitzen. Die 100nF (Keramik)Kondensatoren werden jeweils möglichst nahe der Anschlüsse des jeweiligen ICs positioniert und dienen dort der zusätzlichen Störunterdrückung.
Ob die in dieser Vielzahl benötigt werden sein dahingestellt. Es wird jedenfalls so empfohlen.

PS

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 Betreff des Beitrags: Re: Zellentladetester mit PC Anbindung "Mark 2"
BeitragVerfasst: 9. Nov 2017, 17:47 
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Hm das sind Entkoppelkondensatoren, die physisch später sehr nah beim Chip leben werden. Bei denen geht es nicht nur um Kapazität sondern auch um Schnelligkeit, deshalb sind welche mit verschiedenen Werten verbaut. Die kleinen reagieren schnell, und die Großen glätten auch Gröberes. Die Werte hab ich entweder ausgedacht (100nF sind glaub ich immer ganz gut) bzw. auch aus den Datenblättern der Chiphersteller, die geben meistens eine Empfehlung welche man nutzen soll..

EDIT: Ahja Powersupply war schneller :D

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 Betreff des Beitrags: Re: Zellentladetester mit PC Anbindung "Mark 2"
BeitragVerfasst: 9. Nov 2017, 22:21 
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Die Idee finde ich gut, bei der Umsetzung sehe ich noch Optimierungsspielraum. :wink:

Zitat:
ADC: Microchip MCP3550 (22-Bit)

Die 22 Bit gaukeln hier eine Genauigkeit vor, die Du praktisch nicht einmal ansatzweise erreichen kannst.
Wenn man nicht wirklich Ahnung von hochgenauer Messtechnik hat, würde ich einen 16 Bit ADC nehmen. Selbst da werden die letzten 2 vielleicht sogar 3 Bit keine Genauigkeit, sondern allenfalls Auflösung produzieren.
22 Bit wäre ca. 1µV Auflösung. Kennst Du Dich mit Thermospannungen an Lötpunkten aus? Das wird in dem Bereich nämlich relevant. :mrgreen:

Was ich für eine halbwegs genaue Messung viel wichtiger finde: Einen Akkuzellenhalter, der pro Akkupol zwei Kontakte hat. Über einen wird der Laststrom gezogen, über den anderen wird die Spannung des Akkus gemessen. Sonst produzierst Du dort nämlich schon Fehler im mV-Bereich, also um den Faktor 1000 höher als Dein AD-Wandler eigentlich könnte.
Solche Akkuzellenhalterungen gibt es vermutlich nicht fertig zu kaufen, weil das normalerweise niemand braucht. Es ist aber meines Erachtens der wichtigste Teil des Projekts, wenn zumindest halbwegs ernsthaft gemessen werden soll.

Du kannst Dir ja schnell überlegen, was 1 mOhm Übergangswiderstand bei 50 oder 75 A Entladestrom bedeuten. Und das wirkliche Problem ist, dass der Übergangswiderstand nicht konstant ist. Einmal am Akku wackeln oder einen anderen Akku einlegen und er ändert sich. Vergleiche zwischen Akkus werden so praktisch unmöglich, weil die Ergebnisse nicht reprouzierbar sind.

Zitat:
Leistung am Transistor: 169W-35W = 134W (rating ist 140W)

In der Praxis wird sicher ein bisschen Leistung in der Verkabelung und der Sicherung hängen bleiben. Also sollte die Kiste eigentlich "vollgasfest" sein.

Das Ding fliegt Dir so schnell um die Ohren... :mrgreen:
Im Schaltplan ist als Mosfet der IRFP048N eingetragen. Da stehen im Datenblatt zwar 140 W, diese beziehen sich aber auf zwei für Dich vollkommen unrealistische Fälle:
1. Die Gehäusetemperatur des Mosfets muss konstant bei 25°C gehalten werden!
2. Die Angabe gilt nur im Schaltbetrieb, also voll durchgesteuert! Sie gilt nicht im Analogbetrieb als Widerstandslast.

Punkt 1 steht sogar explizit im Datenblatt, Punkt zwei muss man selbst erkennen, weil zum einen im SOA-Diagramm keine DC-Kurve ist und zum anderen die Forward Transconductance relativ hoch ist - wenn auch nicht ganz so schlimm wie bei vielen anderen Mosfets.

99% aller modernen Mosfets sind nur noch für den Schaltbetrieb entwickelt. Bauteile für den linearen Bereich werden so gut wie gar nicht mehr gebaut.

Deinem Mosfet würde ich im Linearbetrieb etwa 40 bis 60 W zutrauen - bei sehr guter Kühlung, d.h. der Kühlkörper bleibt unter 50°C.
Das hängt aber auch vom ZTC-Punkt (Zero Temperature Coefficient) ab, den man erst ermittelb müsste. Da Du generell bei niedrigen Spannungen und mit hohen Strömen arbeitest, hast Du vermutlich Glück und liegst über ZTC.
Ein wenig Literatur zu dem Thema.

Ein Mosfet, der gut für den Linearbetrieb geeignet ist, ist der FDH44N50. Oder Du nimmst Bipolartransistoren. Die sind meist unkritischer.

Du hast einen Trafo eingezeichnet, an dem 1,5 VA steht. Ist das nur ein Platzhalter? Für zwei Lüfter und die Schaltung reicht das niemals.

Die galvanische Trennung hätte ich vermutlich lieber zwischen Prozessor und PC gesetzt.
Das geht notfalls sogar mit zwei Optokopplern und ohne Spezialchips.
Die derzeit eingezeichneten ADUM1301 haben nämlich einen Nachteil: Sie sind ziemliche Störquellen, was sich direkt an der analogen Messschaltung nicht so gut macht. Du kannst sie durchaus verwenden, aber dann musst Du gute Filter auf Deiner Platine verbauen und auf ein EMV-optimiertes Layout achten.

Woher kommt eigentlich die Versorgungsspannung für den Prozessor?

Die Operationsverstärker sind in meinen Augen nicht gut gewählt. Das sind auto-zero Verstärker. Das ist natürlich toll, weil die praktisch keinen Inputoffset haben, aber dafür erzeugen sie Rauschen mit einer Mittenfrequenz um 7,5 kHz, das Du eigentlich wegfiltern musst, wenn hohe Präzision gewünscht wird.
"Normale" Operationsverstärker mit ein paar µV mehr Offsetspannung sind gutmütiger.

Die Präzision Deiner Shuntwiderstände passt nicht wirklich zu den sehr genauen OPV. Die Widerstände haben je nach genauem Ordercode entweder +/- 5 % oder +/- 1 % Toleranz. Beides ist viel mehr als die OPV ins System bringen.
Die oben genannten 30W bringen die Widerstände übrigens ebenso wie der Mosfet nur bei 25°C Gehäusetemperatur. Realistisch wirst Du pro Widerstand 15 bis max. 20 W verheizen können.

Wirklich intensiv habe ich mir die Schaltung nicht angesehen. Es ist also gut möglich, dass ich noch einige Dinge übersehen habe. Aber ich hoffe, die Tipps helfen Dir schon mal ein wenig.
Du hast nämlich keine leichte Aufgabe vor Dir.

Wichtig wird sicherlich ein sehr gutes Layout mit einer sauberen Trennung der Lasttröme von der restlichen Schaltung. Immerhin fließen hier 75 A und trotzdem willst Du Signale <1mV messen. Das wird anspruchsvoll.
Ich wünsche Dir viel Erfolg. :)


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 Betreff des Beitrags: Re: Zellentladetester mit PC Anbindung "Mark 2"
BeitragVerfasst: 9. Nov 2017, 22:53 
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Da ist ein riesiges fettes :thx: angebracht, das sind so viele nützliche Informationen! Vielen Dank, dass du dir die Zeit genommen hast das alles durchzuschauen (den anderen natürlich auch, jede Frage und Anregung ist Willkommen!). Werd mich mal durcharbeiten und komme dann vermutlich mit ein paar Fragen wieder. :D

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 Betreff des Beitrags: Re: Zellentladetester mit PC Anbindung "Mark 2"
BeitragVerfasst: 10. Nov 2017, 01:07 
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Hmmm, ich hab das mit den Mosfets wohl auch falsch eingeschätzt. Aber Dev hat wohl Recht. Und eigentlich tendiere ich bei solchen Dingen auch immer dazu zu sagen max 1/3 bis 1/2 der Nennleistung. bei den modernen Mosfets eher weniger.
Als Leistungsmosfet möchte ich daher nun doch den BSM111 ins Spiel bringen. Der sollte über die angedachte Last nur müde lächeln und ist, im Gegensatz zu vielen neueren Typen im SOA-Diagramm des Datenblattes mit einer DC-Kurve bedacht.
Gibt's bei ibäh ab ca 20$.
Einen habe ich da und auch schon damit herumexperimentiert. Für 55A an 7,2V reichte die Verlustleistung dann halt doch nicht ganz.

PS

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