Lithium

Mittlerweile haben wir uns mit den Grundlagen und der Mechanik der LiIon-Handhabung beschäftigt. Wenn es darum geht, Ihre Schaltung rund um einen LiIon-Akku zu entwerfen, könnten Sie meiner Meinung nach auch von einem Kochbuch mit direkten Vorschlägen profitieren. Hier möchte ich Ihnen eine Sammlung von LiIon-Rezepten geben, die bei mir im Laufe der Jahre gut funktioniert haben.

Ich werde aus einem einfachen Grund über Zellenkonfigurationen mit einer einzigen Serie (1sXp) sprechen: Konfigurationen mit mehreren Serien sind nichts, womit ich meiner Meinung nach nicht intensiv gearbeitet habe. Allein die Single-Series-Konfigurationen ergeben einen ziemlich ausführlichen Bericht, aber diejenigen, die sich mit dem Umgang mit LiIon auskennen, lade ich Sie ein, Ihre Tipps, Tricks und Beobachtungen im Kommentarbereich zu teilen – letztes Mal haben wir einige interessante Punkte angesprochen !

Es gibt eine ganze Reihe von Möglichkeiten, die Zellen, die Sie gerade zu Ihrem Gerät hinzugefügt haben, aufzuladen – eine große Auswahl an Lade-ICs und anderen Lösungen steht Ihnen zur Verfügung. Ich möchte mich auf ein bestimmtes Modul konzentrieren, von dem ich glaube, dass es wichtig ist, dass Sie mehr darüber wissen.

Wahrscheinlich haben Sie die blauen TP4056-Boards gesehen – sie sind günstig und Sie sind nur eine Aliexpress-Bestellung davon entfernt, ein paar davon zu besitzen, da ein Dutzend Boards nur ein paar Dollar kosten. Das TP4056 ist ein LiIon-Lade-IC, der Ihre Zellen mit einer Rate von bis zu 1 A aufladen kann. Viele TP4056-Boards verfügen über eine integrierte Schutzschaltung, was bedeutet, dass ein solches Board Ihre LiIon-Zellen auch vor der Außenwelt schützen kann. Dieses Board selbst kann als Modul behandelt werden; Seit über einem halben Jahrzehnt ist der PCB-Footprint derselbe geblieben, sodass Sie Ihren eigenen PCBs einen TP4056-Board-Footprint hinzufügen können, wenn Sie LiIon-Ladung und -Schutz benötigen. Ich mache das oft – es ist viel einfacher und sogar billiger, als den TP4056 und alle seine unterstützenden Komponenten zu löten. Hier ist ein KiCad-Footprint, falls Sie das auch tun möchten.

Dies ist ein linearer Lade-IC – wenn Sie 1 A Ausgang wünschen, benötigen Sie 1 A Eingang, und die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung multipliziert mit dem Strom wird in Wärme umgewandelt. Glücklicherweise sind die TP4056-Module so konstruiert, dass sie hohen Temperaturen relativ gut standhalten, und Sie können bei Bedarf einen Kühlkörper hinzufügen. Der maximale Ladestrom wird durch einen Widerstand zwischen Masse und einem der Pins eingestellt. Der Standardwiderstand beträgt 1,2 kΩ, was zu einem Strom von 1 A führt. Bei Zellen mit geringer Kapazität können Sie ihn durch einen 10-kΩ-Widerstand ersetzen, um eine 130-mA-Grenze festzulegen, und Sie können online Tabellen für Zwischenwerte finden.

Es gibt einige coole Dinge am TP4056-IC, von denen die meisten Leute nichts wissen, wenn sie die Module so verwenden, wie sie sind. Der CE-Pin des IC ist fest mit 5 V VIN verdrahtet, aber wenn Sie diesen Pin anheben, können Sie ihn verwenden, um das Laden mit einem Logikpegeleingang von Ihrer MCU zu deaktivieren und zu aktivieren. Sie können den Ladestrom überwachen, indem Sie den ADC Ihrer MCU an den PROG-Pin anschließen – denselben Pin, der auch für den Stromeinstellungswiderstand verwendet wird. Es gibt auch einen Thermistor-Pin, der normalerweise mit Masse verbunden ist, aber mithilfe eines Widerstandsteilers an eine Vielzahl von Thermistoren angepasst werden kann, unabhängig davon, ob es sich um den Thermistor handelt, der an Ihrer Pouch-Zelle angebracht ist, oder um einen, den Sie extern an Ihrem 18650-Halter angebracht haben.

Es gibt auch Probleme mit dem TP4056 – es ist ein ziemlich einfacher IC. Effizienz ist kein Muss, wenn eine Steckdose verfügbar ist, aber der TP4056 verschwendet eine beträchtliche Menge Strom als Wärme. Ein auf einem Schaltladegerät basierendes Modul vermeidet dies und ermöglicht bei Bedarf oft auch das Laden mit höheren Strömen. Wenn man eine Zelle verkehrt herum anschließt, wird der Chip und auch die Schutzschaltung zerstört – dieser Fehler kann leicht gemacht werden, ich habe ihn schon oft gemacht, und deshalb braucht man Ersatzteile. Wenn Sie die Zellkontakte vertauschen, werfen Sie die Platine weg – laden Sie Ihre Zellen nicht mit einem fehlerhaften IC.

Angesichts der Beliebtheit des TP4056 werden außerdem Kopien dieses ICs von mehreren verschiedenen Chipherstellern in China hergestellt, und ich habe beobachtet, dass einige dieser kopierten ICs leichter kaputt gehen als andere, zum Beispiel dadurch, dass Ihre Zellen nicht mehr aufgeladen werden – auch hier gilt: Behalten Sie Ersatzteile. Der TP4056 bietet auch keine Lade-Timer wie andere, modernere ICs – ein Thema, das wir im Kommentarbereich des ersten Artikels angesprochen haben.

Alles in allem sind diese Module leistungsstark und ziemlich universell. Es ist sogar sicher, sie zum Laden von 4,3-V-Zellen zu verwenden, da die Zelle aufgrund des CC/CV-Betriebs einfach nicht bis zur vollen Kapazität aufgeladen wird – was als Nebeneffekt die Lebensdauer Ihrer Zelle verlängert. Wenn Sie über solche Module hinausgehen müssen, stehen Ihnen unzählige ICs zur Verfügung – kleinere lineare Ladegeräte, Schaltladegeräte, Ladegeräte mit integriertem Leistungspfad und/oder DC/DC-Reglerfunktionen sowie eine Vielzahl von ICs, die LiIon unterstützen Laden als Nebeneffekt. Die Welt der LiIon-Lade-ICs ist riesig und es gibt weit mehr als nur den TP4056, aber der TP4056 ist ein wunderbarer Ausgangspunkt.

Genau wie bei Lade-ICs gibt es viele Designs, und eines sollten Sie kennen – die Kombination aus DW01 und 8205A. Es ist so allgegenwärtig, dass wahrscheinlich mindestens eines Ihrer im Laden gekauften Geräte es enthält, und auch die TP4056-Module sind mit dieser Kombination ausgestattet. Der DW01 ist ein IC, der die Spannung Ihrer Zelle und den von ihr fließenden Strom überwacht, und der 8205A besteht aus zwei N-FETs in einem einzigen Gehäuse, die beim eigentlichen Teil „Batterie verbinden und trennen“ helfen. Es gibt keinen zusätzlichen Strommesswiderstand – stattdessen überwacht der DW01 die Spannung an der 8205A-Verbindung. Mit anderen Worten: Als Strommesswiderstände werden dieselben FETs verwendet, die die Zelle im Fehlerfall von der Außenwelt abschneiden. Dieses Design ist billig, weit verbreitet und wirkt Wunder.

Der DW01 schützt vor Überstrom, Tiefentladung und Überladung – die ersten beiden kommen bei Hobbyprojekten relativ häufig vor, und letzterer ist praktisch, falls Ihr Ladegerät einmal kaputt geht. Wenn etwas nicht stimmt, wird die Verbindung zwischen dem Minuspol der Zelle und dem GND Ihres Stromkreises unterbrochen, d. Wir haben auch einige Hacks gesehen, die mit diesem Chip durchgeführt wurden – zum Beispiel haben wir über Untersuchungen eines Hackers berichtet, der herausgefunden hat, dass der DW01 als Soft-Power-Schalter für Ihre Schaltung verwendet werden kann – und zwar auf eine Art und Weise, die keine Kompromisse eingeht Sicherheit. Sie müssen lediglich einen GPIO-Pin Ihrer MCU mit dem DW01 verbinden, am besten über eine Diode – dieser Kommentar beschreibt einen Ansatz, der mir ziemlich ausfallsicher erscheint.

Wenn Sie eine LiIon-Zelle zum ersten Mal an die DW01+8205A-Kombination anschließen, aktiviert sie manchmal ihren Ausgang, manchmal jedoch nicht. Wenn Sie beispielsweise eine Halterung für 18650er haben und eine Schutzschaltung daran angeschlossen ist, besteht eine 50/50-Chance, dass Ihre Schaltung eingeschaltet wird, sobald Sie die Batterie einlegen. Die Lösung ist einfach: Schließen Sie entweder ein externes Ladegerät an oder schließen Sie OUT- und B- mit etwas Metallischem kurz (ich füge oft einen externen Knopf hinzu), aber es ist nervig, damit umzugehen. Genau wie TP4056 geht die DW01+8205A-Kombination kaputt, wenn Sie die Batterie umgekehrt anschließen. Außerdem ist der DW01 intern für eine Tiefentladungsabschaltung bei 2,5 V verdrahtet, was technisch nicht änderbar ist. Wenn Sie nicht über eine separate softwaregesteuerte Abschaltung verfügen, ist der FS312 ein pinkompatibler DW01-Ersatz mit 3,0-V-Tiefentladungspunkt, der Ihnen hilft, die Lebensdauer Ihrer Zelle zu verlängern.

Sie können eine Reihe gebrauchsfertiger Schutzschaltungsmodule kaufen oder einfach die auf der TP4056-Modulplatine bereitgestellte Schutzschaltung verwenden. Sie können auch einen ordentlichen Vorrat an Schutzschaltungen ansammeln, indem Sie sie aus Einzelzellenbatterien herausnehmen, wenn die Zelle sich aufbläht oder leer wird – achten Sie dabei bitte darauf, die Zelle nicht zu beschädigen.

Für eine 4,2-V-LiIon-Zelle beträgt der nutzbare Spannungsbereich 4,1 V bis 3,0 V – eine Zelle mit 4,2 V fällt schnell auf 4,1 V ab, wenn Sie ihr Strom entnehmen, und bei 3,0 V oder weniger steigt der Innenwiderstand der Zelle normalerweise schnell genug an dass Sie nicht mehr viel nützlichen Strom aus Ihrer Zelle bekommen. Wenn Sie 1,8 V oder 2,5 V erreichen möchten, ist das kein Problem, und wenn Sie 5 V erreichen möchten, verwenden Sie eine Art Boost-Regler. Allerdings laufen die meisten unserer Chips immer noch mit 3,3 V – mal sehen, welche Möglichkeiten wir hier haben.

Wenn es um die Regelung im LiIon-Bereich bis 3,3 V geht, liegen Linearregler in puncto Effizienz dicht hinter Schaltreglern, haben oft einen niedrigeren Ruhestrom (Leerlaufstrom), wenn Sie einen Betrieb mit geringem Stromverbrauch anstreben, und ein geringeres Rauschen, wenn Sie analoge Aufgaben erledigen möchten . Allerdings reicht Ihr normaler 1117 nicht aus – es ist ein altes und ineffizientes Design, und der 1117-33 fängt bei etwa 4,1 V an, seine Gänge zu mahlen. Verwenden Sie stattdessen pinkompatible Ersatzgeräte mit niedriger Dropout-Spannung wie AP2111, AP2114 und BL9110. oder AP2112, MIC5219, MCP1700 und ME6211, wenn Sie mit SOT23-Sachen einverstanden sind. Dabei handelt es sich allesamt um lineare Regler, die komfortabel 3,3 V mit einer Eingangsspannung von bis zu 3,5 V und manchmal sogar 3,4 V liefern, wenn Sie so etwas wie einen ESP32 mit Strom versorgen möchten. Es ist schwer, die Einfachheit der Verwendung eines Linearreglers zu leugnen – ein Chip und ein paar Kappen genügen.

Wenn Sie kontinuierlich 500 mA bis 1000 mA oder sogar mehr Strom benötigen, ist ein Schaltregler Ihr bester Freund. Mein persönlicher Favorit ist PAM2306 – dieser Regler wird auf dem Raspberry Pi Zero verwendet, ist sehr günstig und zugänglich und verfügt sogar über zwei separate Ausgangsschienen. Aufgrund seiner Fähigkeit, einen 100-prozentigen Arbeitszyklusbetrieb durchzuführen, kann es eine Menge Saft aus Ihren Zellen extrahieren, was oft für Projekte mit höherer Leistung wünschenswert ist, bei denen es auf die Laufzeit ankommt. Und hey, wenn Sie einen Pi Zero mit einer toten CPU haben, können Sie nichts falsch machen, wenn Sie einen Teil der Platine abschneiden und ein paar Drähte daran anlöten. Wenn Sie Ihre eigene Platine entwerfen, nutzen Sie Datenblattempfehlungen für Induktorparameter, wenn Sie die ganze Angelegenheit „Auswahl des richtigen Induktors“ verwirrt.

Der PAM2306 ist also der Regler des Pi Zero und außerdem LiIon-freundlich? Ja, Sie können einen Pi Zero direkt über einen LiIon-Akku mit Strom versorgen, da alle integrierten Schaltkreise an den „5 V“-Pins bis zu 3,3 V arbeiten. Ich habe es ausgiebig auf meinen eigenen Geräten getestet und es funktioniert sogar mit dem Pi Zero 2 W. In Kombination mit diesem Powerpath und einem Ladegerät erhalten Sie ein komplettes „batteriebetriebenes Linux“-Paket mit dem ganzen Schwung eines Raspberry Pi bietet – zum Preis von nur einer Handvoll Komponenten. Ein Problem, auf das Sie achten sollten, ist, dass der MicroUSB-Anschluss VBUS Batteriespannung hat. Mit anderen Worten: Füllen Sie die MicroUSB-Anschlüsse am besten mit Heißkleber, für den Fall, dass jemand dort ein MicroUSB-Netzteil anschließt, und tippen Sie auf die USB-Datentestpunkte für USB Konnektivität.

Jetzt ist der Ladevorgang abgeschlossen und Sie erhalten 3,3 V. Es gibt ein Problem, an das ich Sie erinnern sollte: Während Sie den Akku laden, können Sie ihm keinen Strom entnehmen, da das Ladegerät auf Strommessungen angewiesen ist um den Ladevorgang zu steuern; Wenn Sie das Ladegerät mit einer zusätzlichen Last verwechseln, besteht die Gefahr einer Überladung des Akkus. Glücklicherweise müssen Sie, da Sie ein Ladegerät angeschlossen haben, über 5 V verfügen. Es wäre cool, wenn Sie Ihre Geräte über diese 5-V-Quelle mit Strom versorgen könnten, wenn diese vorhanden ist, und den Akku verwenden könnten, wenn sie nicht vorhanden ist! Für solche Energieentscheidungen verwenden wir normalerweise Dioden, aber das würde beim Betrieb mit der Batterie zu einem zusätzlichen Spannungsabfall und Leistungsverlusten führen. Zum Glück gibt es eine einfache Dreikomponentenschaltung, die viel besser funktioniert.

In dieser Leistungspfadschaltung übernimmt ein P-FET die Rolle einer der Dioden, wobei ein Widerstand den FET öffnet, wenn das Ladegerät nicht vorhanden ist. Der P-FET hat keinen Spannungsabfall, sondern einen Widerstand von Bruchteilen eines Ohms, sodass Sie Verluste vermeiden, wenn das Ladegerät nicht angeschlossen ist. Sobald das Ladegerät angeschlossen ist, schließt der FET und das Ladegerät versorgt Ihren Stromkreis mit Strom stattdessen die Diode. Sie benötigen einen P-FET mit Logikpegel – IRLML6401, CJ2305, DMG2301LK oder HX2301A würden passen, und es gibt tausend andere, die funktionieren. Als Diode reicht ein Standard-Schottky wie 1N5819 (SS14 für SMD). Es handelt sich um eine allgegenwärtige Schaltung, die ihren Platz im Schaltkreis-Werkzeugkasten verdient.

Sie können Schilde und Module kaufen, die alle diese Teile und manchmal noch mehr auf einer einzigen Platine enthalten. Sie können auch ICs kaufen, die alle oder einige Teile dieser Schaltung enthalten, oft verbessert, und müssen sich nicht um die Einzelheiten kümmern. Diese ICs sind jedoch tendenziell teurer und weitaus anfälliger für Chipknappheit als die auf einzelnen Komponenten basierende Lösung. Und wenn Probleme auftauchen, ist es sehr hilfreich, das Innenleben zu verstehen. Daher ist es wichtig, dass Ihnen die Grundlagen entschlüsselt werden und Sie sich nicht gezwungen fühlen, Powerbank-Boards wiederzuverwenden, wenn Sie das nächste Mal ein Gerät tragbar machen möchten.

Achten Sie darauf, was andere Boards tun. Oft sieht man die oben beschriebene Schaltung aus Ladegerät, Regler und Leistungspfad, insbesondere wenn es sich um günstigere Boards mit Chips wie dem ESP32 handelt. In anderen Fällen werden Sie komplexere Energieverwaltungslösungen sehen, wie etwa Powerbank-Chips oder PMICs. Manchmal funktionieren sie viel besser als die einfache Schaltung, manchmal ist das Gegenteil der Fall. Beispielsweise verwenden einige batteriebetriebene TTGO-Boards Powerbank-Chips und machen die Schaltung zu kompliziert, was zu seltsamem Verhalten und Fehlfunktionen führt. Ein anderes TTGO-Board hingegen verwendet einen PMIC, der für solche Boards viel besser geeignet ist, was zu einem einwandfreien Betrieb und sogar einer granularen Energieverwaltungssteuerung für den Benutzer führt.

Jetzt wissen Sie, was nötig ist, um Ihrem Projekt einen LiIon-Akku-Eingangsanschluss hinzuzufügen, und wissen, welche Geheimnisse sich hinter den Platinen verbergen, die bereits mit einem solchen ausgestattet sind. Es ist ein unvergleichliches Gefühl, ein Mikrocontroller-Projekt mit auf einen Spaziergang zu nehmen und dabei ein eigenes Konzept auszuprobieren. Ich hoffe, ich habe Sie dem Erlebnis ein Stück näher gebracht.

Das nächste Mal möchte ich über Batterien mit mehreren in Reihe geschalteten Zellen sprechen – BMS, Balancieren und Laden von LiIon-Packs aus verschiedenen Quellen. Allerdings wird die Vorbereitung viel Zeit in Anspruch nehmen, da ich zunächst einige verwandte Projekte abschließen möchte, und ich empfehle Ihnen, sich unsere Berichterstattung anzusehen, wenn Sie mehr darüber erfahren möchten. In der Zwischenzeit wünsche ich Ihnen viel Glück beim Aufbau Ihrer batteriebetriebenen Projekte!