Balancing Ladegerät

Der nachgekaufte Akku unseres Hybrid Rasenmähers wird ungleichmäßig geladen, einzelne Zellen geben nach und nach den Geist auf. Der Grund dafür ist das Ladeverfahren des Original Ladegeräts des Rasenmähers, es erfolgt kein Balancing nach dem Laden um ungleiche Zellenspannungen auszugleichen.

Abhilfe verspricht der Bau eines passenden balancing Ladegeräts für die 30 Zellen des Akku.

Zur Versorgung des Ladegeräts dient ein 24V / 10 A LED-Netzteil, die zur Ladung der 30 Zellen notwendige Spannung von 126 V (30 x 4,2 V) erzeugt ein nachgeschalteter StepUp-Wandler. Dieser Wandler schafft allerdings nur 120 V am Ausgang. Deshalb wird in Reihe mit dem Ausgang des StepUp-Wandlers noch ein 12 V LED-Netzteil geschaltet, die Ausgangsspannung des Wandlers wird dann dazu passend auf 114 V im CV-Betrieb eingestellt.

Der Wandler schaltet automatisch von CC- auf CV-Betrieb (CC - constant current, Konstantstrom, CV - constant voltage, Konstantspannung) um, beide Parameter lassen sich einstellen und permanent speichern. Die eingestellten Werte werden beim nächsten Einschalten wieder verwendet.

Die oben erwähnte feste Anbindung des Ladekabels an das Ladegerät habe ich geändert und hier ebenfalls eine Steckverbindung vorgesehen, damit das durch die hohe Anzahl von Adern doch recht sperrige Kabel “aus dem Weg” gepackt werden kann.

Beim Anschließen muss darauf geachtet werden, dass der Stecker am Ladegerät zuerst gesteckt wird. Erst danach darf der Stecker am Akku angesteckt werden. Wird diese Reihenfolge missachtet, kann es beim Einstecken des Steckers am Ladegerät zu Kurzschlüssen kommen, wenn die Pole des Steckers mit der Masse am Rand der Buchse in Kontakt kommen.

Um die Anschlüsse der einzelnen Zellen im Innern des Ladegeräts leicht rangieren zu können, sind zwischen Stecker am Gehäuse und der eigentlichen BMS-Elektronik zwei Streifen mit Lötösen montiert. Auf diese Weise habe ich mir erspart, zwei oder mehr Kabel direkt an den Lötkelchen des SUBD-Steckers anlöten zu müssen, das hätte sicher zu Problemen mit der gegenseitigen Isolierung geführt.

Die Gesamtansicht der Innereien zeigt: Viel kleiner hätte das Gehäuse nicht sein dürfen.

Das auf das Grundboard des StepUp-Wandlers aufgesteckte Steuermodul mit 4-stelliger LED-Anzeige, vier Tasten und drei LEDs wurde in die Frontplatte eingebaut und mittels zweier 8-poliger Verlängerungen mit der Leistungselektronik verbunden (im Bild das mit Kabelbinder zusammengefasste Leitungsbündel in Orange).

Die LCD-Anzeige des BMS hat ebenfalls einen Platz in der Frontplatte gefunden, genauso drei Taster für die Bedienung des BMS und der LCD-Anzeige. Der einzelne Taster des BMS ist bereits mit einem Kabel versehen. Die Tasten der LCD-Anzeige sitzen auf dem Board der LCD-Anzeige und lassen sich dort nur bei fliegendem Aufbau zur Bedienung verwenden. Also habe ich eine schmale Platine für die drei Taster entworfen und per Kabel an den eingebauten Tasten angelötet.

Ein altehrwürdiger Netzschalter aus einem original IBM-PC von ca. 1986 ist fürderhin für die kontrollierte Weiterleitung der Netzspannung an das Ladegerät zuständig und hat seinen Platz ebenfalls in der Frontplatte gefunden.

Die zweite SUBD-Buchse war dafür gedacht, eine alternative Konfiguration zum Laden zu verwenden, diesen Ansatz habe ich aber im Nachhinein verworfen, sie bleibt unbenutzt.

Achtung!
Die hier beschriebene Schaltung arbeitet mit Netzspannung die bei Missachtung von einschlägigen Sicherheitsmaßnahmen tödlich sein kann. Wer sich also mit dem Umgang mit Netzspannung nicht auskennt, sollte vom Nachbau absehen oder sich zumindest beim Aufbau des Teils der Schaltung, der sich unter Netzspannung befindet, sowie bei der Inbetriebnahme von jemandem helfen lassen, der die passende Ausbildung sein Eigen nennt.

Auf der Rückseite des Gehäuses sitzt eine Kaltgeräteeinbaubuchse, das Gehäuse und die Einbauten sind ordentlich nach VDE Schutzklasse I geerdet, Netzspannung führende Teile im Innern des Gehäuses sind gegen Berühren geschützt.

---

Bleibt anzumerken, dass beim Kauf des BMS unbedingt darauf geachtet werden sollte, dass das zugehörige Display die Texte auf Englisch darstellt. Mein Display ist in großen Teilen Chinesisch und der Verkäufer sieht sich außerstande da Abhilfe zu schaffen :(

Auch noch interessant ist, dass einige Funktionen des BMS ausschließlich über eine Handy-App einstellbar sind. Auch hier sollte man darauf achten, dass der Händler eine englischsprachige App anbietet. Der aufmerksame Leser ahnt es schon... Ja, meine App ist in weiten Teilen auf Chinesisch, lediglich die Parameter für Spannungen und Ströme sind ins Englische übersetzt.

---

Bei den ersten Tests des Ladegeräts mit dem zu pflegenden Akku hat sich herausgestellt, dass der Kühlkörper des BMS beim Balancen ziemlich heiß wird. Da das BMS temperaturüberwacht arbeitet und bei 60 Grad der Ladevorgang und das Balancen unterbrochen wird, solange bis die Temperatur wieder unter die 60 Grad Marke abgefallen ist (Hysterese hier nur ca. 1 Grad), habe ich mich entschlossen, dem BMS noch einen Lüfter zu gönnen.

In der Krabbelkiste fand sich ein 24 V Radiallüfter der mit einem 3D-gedruckten Luftleitteil die Kühlluft über und durch das BMS drückt.

Da der Lüfter nicht immer mit voller Drehzahl laufen soll, musste sich noch ein DigiSpark mit AtTiny85 on board dazu verdonnern lassen, den Lüftercontroller zu geben.

---

Zum Betrieb des BMS

Die im Netz vorhandenen Beschreibungen der alle sehr ähnlich bis identisch gearteten BMS-Systeme ist im Übrigen nicht leicht zu verstehen, die Übersetzung ist recht holprig.

Nach eingehender Beschäftigung mit dem laufenden BMS und gleichzeitigem Studium der Unterlagen kann ich jetzt soviel dazu sagen:

Wird der Akku ans BMS angeschlossen und das BMS mittels Tastendruck gestartet, wird der Akku mit dem vom Ladegerät zur Verfügung gestellten Strom geladen bis die Ladeschlussspannung erreicht ist. Danach prüft das BMS, ob alle Zellenspannungen innerhalb eines gegebenen Fensters liegen. Ist das der Fall, wird der Ladevorgang beendet.

Gemeinhin ist das aber nicht der Fall, einige Zellen haben abweichende Spannungslagen. Das BMS schaltet dann automatisch in den Balance Modus, wobei der Balance-Vorgang passiv, also entladend vor sich geht. Alle Zellen werden also wieder auf die Spannung der schwächsten Zelle entladen.

Wird der Akku ans BMS angeschlossen, ohne dass der Ladeteil ebenfalls aktiviert wird, misst das BMS die Zellenspannungen und startet den Balance-Zyklus, falls die Differenz zwischen der niedrigsten und den anderen Zellenspannungen größer als die eingestellte Einschaltschwelle für Balancen ist.

Wenn man die zugehörige Handy-App bekommen hat (Nachfrage war bei mir notwendig), kann man den Balance-Vorgang auch aktiv einschalten. Da der maximale Balance -Strom 280 mA beträgt, sollte der Ladestrom auf eben diesen Wert eingestellt werden. Dann werden alle Zellen nach und nach auf die eingestellte Ladeschlussspannung geladen und der Ladestrom für Zellen, die diese Spannung zuerst erreichen, wird quasi über die Balance-Transistoren verbraten.

Ansonsten bietet die Handy-App noch eine Darstellung aller Zellenspannungen und einiger interessanter Parameter, wobei in der mir zur Verfügung stehenden App leider alle Parameter als ”Voltage” angegeben werden. Zusammen mit im Netz gefundener Darstellungen der App in englischer Version kann man eruieren, was eigentlich gemeint ist.

Dass einige andere Seiten der App ausschließlich chinesische Zeichen darstellen sei am Rande ebenfalls noch angemerkt.

Leider sieht sich mein Verkäufer außerstande, eine englische Version der App zur Verfügung zu stellen :-(

---

Update
Ich habe den Hersteller des BMS ausfindig gemacht, auf dessen Seite die englische Version der App zum Download angeboten wird. Das APK hat einen etwas kryptischen Namen: “5c9dc4f6c5f03.apk”. Bereits mit der chinesischen App getätigte Einstellungen für das BMS werden bei der Installation übernommen.

Auf dieser Seite werden verschiedene Daten zum Download angeboten:

Die oberste Linkadresse führt letztlich zur oben bereits verlinkten Apk-Datei.

Die Adresse darunter bietet über Google drive eine weitere, anders benannte Apk-Datei an, es handelt sich aber um dieselbe App.

Unter der Ãœberschrift “user manual” ist die ZIP-Datei user manual.zip verlinkt. Darin finden sich verschiedene Dokumente zur Inbetriebnahme des BMS und sogar ein Dokument mit aufgeschlüsseltem Protokoll (zwischen BMS und App/Programm).

Hinweis
Die Baudrate ist nicht 9600 Bd, wie dort angegeben, sondern inzwischen 19200 Bd.

Ãœber “Related News” oder - zur Zeit - auch “Latest News” kommt man über den Link “2019 The External Smart BMS instructio” auf eine Seite mit dem Titel “2019 new Android APP down load link”. Darunter ist eine weitere ZIP-Datei verlinkt die unter anderem im Ordner “USB_TO_SERIAL” ein Windows Programm enthält, das die Steuerung des BMS über einen Windows-PC erlaubt. Die Funktionalität ist im Wesentlichen identisch zur Android App, ich habe es aber nicht geschafft, das Programm auf einem Tablet mit eingebautem Bluetooth-Modul mit dem BMS zu verbinden. Dieser Misserfolg dürfte in der Tatsache begründet sein, dass Bluetooth für Senden und Empfang jeweils einen eigenen Port definiert, das BMS aber RxD und TxD auf demselben Port erwartet. Einen Tipp, wie ich das Programm dennoch zur Zusammenarbeit überreden kann, nehme ich gerne dankend an :-)

Zusätzlich zu den bereits online zur Verfügung gestellten Informationen habe ich vom Betreiber der Seite, Shawn Xiao, seines Zeichens Hersteller der BMS, freundlicherweise auch die Binary-Datei der englischen Version des BMS-Display zur Verfügung gestellt bekommen. Damit, ein paar kleinen Lötarbeiten am Display und einem FT232-Converter, habe ich mein ehemals chinesisches Display nun auf Englisch eingeschworen :-)