Die Auswahl eines Netzteils und DC/DC-Wandlers für ein batteriebetriebenes Gerät erfordert mehr als nur die Abstimmung von Spannung und Leistung. Die Batteriespannung ändert sich beim Laden und Entladen, und das Gerät kann beim Anlauf deutlich mehr Strom ziehen als im Normalbetrieb. Ein Wandler, der auf dem Papier geeignet erscheint, kann bei fast leerer Batterie an seine Grenzen stoßen, und selbst ein Netzteil mit der richtigen Ausgangsspannung ist möglicherweise nicht zum Laden des Akkus geeignet.
Der Auswahlprozess beginnt mit dem tatsächlichen Spannungsbereich der Batterie und dem Leistungsbedarf der Last und arbeitet sich dann durch Ladeanforderungen, Wandlerbewertungen und Systemtests. Ein 12.8-V-LiFePO4-Akkumulator liefert ein praktisches Beispiel dafür, wie diese Faktoren die Komponentenauswahl beeinflussen.
1. Ermitteln Sie die Anforderungen an Batterie und Last.
Gehen Sie vom tatsächlichen Verhalten des Pakets und dem tatsächlichen Lastbedarf aus:
- Spannungsbereich. Nutzen Sie den gesamten Bereich zwischen der BMS-Abschaltspannung und der Vollladespannung, nicht den Nennwert. Ein Spannungseinbruch unter Last verschiebt den unteren Grenzwert noch weiter nach unten.
- Ladegrenzen. Beachten Sie die Abschaltspannung, den maximalen Ladestrom und den zulässigen Ladetemperaturbereich.
- Lastprofil. Kontinuierliche Stromversorgung ist wichtig, aber der kurze Anlaufstrom oder die Spitzenlast sind es in der Regel, die das System belasten.
Stellen Sie sich dann eine Frage, die eine Komponente überflüssig machen kann: Kann das Gerät den gesamten Spannungsbereich des Akkus direkt verarbeiten? Wenn ja, benötigen Sie möglicherweise gar keinen Konverter, wodurch Kosten, Verluste und eine potenzielle Fehlerquelle entfallen.
Falls dies nicht möglich ist, berechnen Sie den Strom, den das Batteriepack liefern muss. Dieser ist am höchsten, wenn die Batteriespannung am niedrigsten ist, und bestimmt die Auswahl des Batteriemanagementsystems (BMS), der Sicherungen und der Verkabelung.
Im Beispiel, Die Packung und Ladung sind:
| Artikel | Mariä Himmelfahrt |
|---|---|
| Pack | 4-Zellen-LiFePO4-Akku, 12.8 V Nennspannung, 20 Ah (ca. 256 Wh) |
| Spannungsbereich | Ungefähr 10 V (BMS-Abschaltung, 2.5 V pro Zelle) bis 14.4 V (volle Ladung, 3.6 V pro Zelle) |
| Aufladen | Bis zu 10 A (0.5 C), Konstantstrom, dann Konstantspannung bei 14.4 V |
| Laden Sie | Geregelte 12 V: 60 W Dauerleistung (5 A), 15 A (180 W) für 200 ms beim Einschalten |
Bei einem angenommenen Wirkungsgrad des Wandlers von 90 % beträgt die Dauerstromaufnahme bei 10 V 60 ÷ (0.9 × 10) = 6.7 A, gegenüber 4.6 A bei 14.4 V. Der Anlaufstrom bei 10 V beträgt 180 ÷ (0.9 × 10) = 20 A. Batterie, Batteriemanagementsystem (BMS), Sicherung, Verkabelung und Wandlereingang müssen diese Belastung bei der niedrigsten Akkuspannung verkraften.
Hinweis zur Kapazität: 256 Wh ist die theoretische Energie bei Nennspannung. Die tatsächliche Laufzeit ist geringer und hängt von der Entladeabschaltung, dem Wirkungsgrad des Wandlers, der Temperatur, der Zellalterung und den BMS-Einstellungen ab.
2. Wählen Sie die passende Ladequelle für den Akku.
Eine Batterie ist keine Last, die jede beliebige Spannung akzeptiert. Lithium-Akkus benötigen ein definiertes Ladeprofil: eine strombegrenzte Phase, gefolgt von einer Konstantspannungsphase mit der vom Hersteller vorgegebenen Abschaltspannung. Der Ladestrom muss dabei innerhalb der von den Zellen und dem Batteriemanagementsystem (BMS) zugelassenen Grenzen gehalten werden. Der Ladevorgang muss innerhalb der vom Zell- oder Akkuhersteller festgelegten Temperaturgrenzen erfolgen. Bei Bedarf ist ein Untertemperaturschutz erforderlich. Dieser Schutz wird nicht automatisch vom BMS bereitgestellt. Die minimalen Ladetemperaturen variieren je nach Zelle, BMS-Design und Akku. Halten Sie sich daher an die Angaben Ihres Batterieherstellers und verwenden Sie keinen allgemeinen Wert.
Deshalb kann ein Netzteil, dessen Ausgangsspannung „richtig aussieht“, dennoch fehlerhaft sein, und deshalb sollten drei Dinge, die oft verwechselt werden, getrennt gehalten werden:
- Wechsel-/Gleichstromversorgung: Liefert Gleichstromausgang, beinhaltet aber nicht notwendigerweise eine Batterieladesteuerung oder eine Abschaltlogik.
- Akkuladegerät: Regelt Ladespannung, Ladestrom und Abschaltung gemäß den Anforderungen der Batterie.
- Netzteil plus ein geeigneter Laderegler: Kann auch ein gültiges Design sein, je nachdem, wie es umgesetzt wird.
Vor der Dimensionierung der Stromversorgung prüfen Sie, welche Komponente das Ladeprofil steuert und den Ladevorgang beendet sowie welche Schutzfunktionen das Batteriemanagementsystem (BMS) bietet. Gehen Sie nicht davon aus, dass das BMS ein Ladegerät ersetzt, das für die erforderlichen Spannungs-, Strom- und Temperaturgrenzen des Akkus ausgelegt ist. Typische Fehlpaarungen sind ein geregeltes Netzteil mit zu niedriger Spannung zum vollständigen Laden des Akkus oder ein Netzteil mit höherer Spannung ohne Strombegrenzung, das Strom in einen entladenen Akku presst und das BMS auslöst oder ihn bei Ausfall des Schutzes überlädt.
Erst dann sollte die Nennleistung berechnet werden: maximale Ladespannung × maximaler Ladestrom, zuzüglich der Last, die das Gerät während des Ladevorgangs aufnimmt.
Bei der angegebenen Ladegrenze entspricht 14.4 V × 10 A einer Leistung von 144 W. Eine Stromquelle mit 150–180 W kann ausreichend Leistungsreserve bieten, jedoch müssen ihre Ausgangskennlinie, Laderegelung und thermische Belastbarkeit ebenfalls den Auslegungsanforderungen entsprechen. Wenn das Gerät während des Ladevorgangs in Betrieb ist, muss sein Leistungsbedarf bei der Dimensionierung berücksichtigt werden.
3. Wählen Sie die passende DC-DC-Topologie und die richtigen Nennwerte.
Die Topologie ergibt sich aus dem Verhältnis der Packspannung zur Ausgangsspannung während der gesamten Entladung:
| Topologie | Funktioniert, wenn | Typische Einschränkung |
|---|---|---|
| Buck (Abwärtsschritt) | Der Eingangswert liegt immer über dem Ausgangswert plus Ausfallrate. | Die Ausgangsleistung gerät aus dem Regelbereich, wenn die Spannung des Akkus nahe oder unter die Ausgangsspannung fällt. |
| Boost (Steigerung) | Der Eingangswert liegt immer unterhalb des Ausgangswerts. | Regelung nicht möglich, wenn die Spannung des Akkus über der Ausgangsspannung liegt |
| Abwärts-/Aufwärtswandler | Der Eingangswert kann über oder unter dem Ausgangswert liegen. | Der Wirkungsgrad variiert je nach Auslegung und Betriebspunkt; überprüfen Sie die Kennlinien im Datenblatt über den gesamten Eingangs- und Lastbereich. |
Bei einem Batteriespannungsbereich von 10–14.4 V und einer geregelten Ausgangsspannung von 12 V schneidet die Eingangsspannung die Ausgangsspannung. Ein Abwärtswandler kann daher gegen Ende der Entladung, bevor das Batteriemanagementsystem (BMS) seine Unterspannungsabschaltung erreicht, seine Regelung verlieren. Ein Aufwärts-/Abwärtswandler deckt den gesamten Spannungsbereich ab und ist daher in diesem Fall die optimale Lösung. Diese Schlussfolgerung gilt für dieses Eingangs-/Ausgangspaar, nicht für jedes System.
Sobald die Topologie ausgewählt ist, überprüfen Sie bitte die folgenden Punkte im Datenblatt:
- Eingabebereich mit Rand. Der Bereich sollte die BMS-Abschaltspannung, den Spannungseinbruch unter Last und jegliches Überschwingen beim Laden umfassen. Im Beispiel etwa 9–16 V.
- Kontinuierlicher Stromfluss gemäß Ihren Bedingungen. Verwenden Sie die reduzierte Nennleistung bei Ihrer Umgebungstemperatur und Ihrem Luftstrom, nicht den Wert für 25 °C auf dem Prüfstand. Bei einer Dauerlast von 5 A ist eine thermische Leistungsreduzierung und die Berücksichtigung von Lastspitzen erforderlich. Überprüfen Sie daher die erforderliche Nennleistung anhand der Herstellerangaben und nicht nur anhand des Nennstroms.
- Überlastungsverhalten. Hält die aktuelle Begrenzung den Ausgang konstant, oder schaltet der Wandler ab und versucht es erneut (Hiccup-Modus)?
- Effizienz über die gesamte Produktpalette. Lesen Sie die Kurve bei Ihrer Last und an beiden Spannungsenden ab, nicht den einzelnen Spitzenwert.
- Unterspannungsabschaltung und Hysterese. Diese bestimmen, wann der Konverter aus- und wieder eingeschaltet wird (siehe Abschnitt 5).
Vergleichen Sie diese Angaben mit den Daten Ihrer eigenen Ladung und Verpackung. Der einzig verlässliche Test für einen Kandidaten ist, ob sein Datenblatt Ihre Werte abdeckt.
Bei der Auswahl eines DC/DC-Wandlers ist darauf zu achten, dass dessen Eingangsspannungsbereich den gesamten Betriebsspannungsbereich der Batterie abdeckt und dass seine Dauerausgangsleistung sowie seine Überlastfähigkeit sowohl den Normalbetrieb als auch die Anlaufanforderungen erfüllen. Vergleichen Sie die Spezifikationen der verfügbaren Produkte von [Herstellername einfügen]. Power-Home kann dabei helfen, die Auswahl geeigneter Kandidaten einzugrenzen.
4. Anlauflasten und thermische Grenzwerte berücksichtigen
Ein Umrichter mit ausreichender Dauerstrombelastbarkeit kann beim Anlauf dennoch ausfallen. Motoren, Pumpen und Funksender können kurzzeitig ein Vielfaches ihres Betriebsstroms ziehen. Ein Spitzenstrom am Ausgang lässt sich nicht allein durch Vergleich mit der Dauerstrombelastbarkeit beurteilen. Entscheidend ist, ob der jeweilige Umrichter diesen Spitzenstrom für die angegebene Dauer und bei der gewünschten Temperatur unterstützt und wie er reagiert, wenn die Grenze erreicht ist: Haltet er die Ausgangsleistung, reduziert er sie oder schaltet er in den Kurzschlussmodus? Mögliche Optionen sind ein Umrichter mit angegebener Spitzenstrombelastbarkeit, höherer Dauerstrombelastbarkeit oder Sanftanlauf. Eine zusätzliche Ausgangskapazität kann zwar einen Anlaufstromstoß abfangen, verursacht aber selbst einen zusätzlichen Einschaltstrom.
Auch die Akkuseite hat ihre Grenzen. Der Eingangsspannungsstoß muss innerhalb des Überstromauslösestroms des Batteriemanagementsystems (BMS) und – ebenso wichtig – innerhalb dessen Auslöseverzögerung liegen. Der Widerstand spielt ebenfalls eine Rolle: Jeder Widerstand von 10 mΩ in Zelle, BMS, Sicherung und Verkabelung kostet 0.2 V bei 20 A. Ein Akku mit einer Ruhespannung von 11 V kann während des Spannungsstoßes für den Wandler wie 10 V erscheinen, was zu einer vorzeitigen Unterspannungsabschaltung führen kann.
Die Wärmeentwicklung ist der dritte Prüfpunkt. Die Verluste des Umrichters berechnen sich aus der Ausgangsleistung multipliziert mit (1 ÷ Wirkungsgrad − 1). In einem geschlossenen Gehäuse führt dies zu einem realen Temperaturanstieg, der die Dauerleistung verringert. Überprüfen Sie die Leistungsreduzierungskurve und das Verhalten bei Überhitzung, da ein Umrichter, der sich beim Abkühlen abschaltet und wieder einschaltet, zu Betriebsstörungen führen kann.
Der Anlaufstrom von 15 A bei 12 V entspricht 180 W für 200 ms. Bei einem Wirkungsgrad von 90 % würde die Bereitstellung dieser Spitzenleistung aus einer 10-V-Batterie etwa 20 A vom Akku benötigen, vorausgesetzt, der Wandler kann die Ausgangsleistung während des Anlaufstroms aufrechterhalten. Eine Dauerlast von 60 W verbraucht bei 90 % Wirkungsgrad etwa 6.7 W im Wandler, bei 85 % Wirkungsgrad steigt dieser Wert auf 10.6 W. Diese Werte dienen der Festlegung der zu prüfenden Nennwerte; sie garantieren jedoch nicht, dass ein bestimmter Wandler dieser Belastung standhält.
5. Überprüfen Sie das Zusammenspiel von Akku, Ladegerät, Konverter und BMS.
Jede Komponente verfügt über eine eigene Schutzlogik, die in Konflikt geraten kann. Vier Interaktionen erfordern bei der Systemintegration besondere Aufmerksamkeit.
Beim Startvorgang wird das BMS ausgelöst. Überschreitet der Überstrom den Grenzwert des Batteriemanagementsystems (BMS), trennt sich der Akku, der Eingang des Wandlers bricht zusammen und das Gerät wird zurückgesetzt. Einige BMS-Systeme bleiben so lange ausgeschaltet, bis ein Ladegerät angeschlossen oder ein Reset durchgeführt wird. Wählen Sie Auslösestrom und Verzögerung oberhalb des Überstroms und überprüfen Sie das Wiedereinschaltverhalten.
Fehlermeldungen bei niedrigem Batteriestand. Wenn das Batteriemanagementsystem (BMS) unter Last abschaltet, fällt das Gerät mitten im Betrieb aus. Eine Erhöhung der Unterspannungsabschaltung des Umrichters über die BMS-Abschaltspannung hinaus kann ein früheres, geordnetes Abschalten bewirken. Der Schwellenwert muss jedoch unter der zu erwartenden Last und dem erwarteten Spannungseinbruch validiert werden, da ein zu hoher Wert das Gerät vorzeitig abschaltet. Die Hysterese ist wichtig, da die Spannung des Akkus nach dem Wegfall der Last wieder ansteigt. Ist die Hysterese nicht ausreichend, startet der Umrichter neu, die Last senkt die Spannung erneut ab, und das System gerät in eine Endlosschleife.
Laden während des Betriebs. Das Ladegerät misst sowohl den Batteriestrom als auch den Laststrom. Daher erreicht die Ladekurve, die normalerweise einen vollen Akku signalisiert, möglicherweise nie den Abschaltschwellenwert, oder der Ladestrom wird mit der Last geteilt. Entweder versorgen Sie die Last separat vom Ladepfad oder Sie stellen sicher, dass die Abschaltlogik des Ladegeräts für die Lastverteilung ausgelegt ist.
Das Paket wird verbunden. Die Eingangskondensatoren des Wandlers laden sich nahezu sofort auf, was für das BMS wie ein Kurzschluss aussehen oder den Stecker belasten kann. Überprüfen Sie die Einschaltstromtoleranz des BMS und verwenden Sie gegebenenfalls eine Vorladeschaltung oder einen Wandler mit Sanftanlauf.
6. Validieren Sie das Design vor der Bereitstellung.
Berechnungen können mögliche Abweichungen aufzeigen, doch sind Labortests erforderlich, um die Leistung unter realistischen Betriebsbedingungen zu bestätigen. Diese vier Testgruppen stellen einen praktischen Ausgangspunkt dar; anspruchsvolle Umgebungen oder Anwendungen mit Sicherheits- und Konformitätsanforderungen erfordern möglicherweise weitere Tests.
- Elektrischer Anschluss. Vergleichen Sie auf dem Papier die niedrigste und höchste Spannung des Akkus unter Last mit dem Eingangsspannungsbereich des Wandlers, den maximalen Akkustrom mit den Werten des Batteriemanagementsystems (BMS), der Sicherung und der Verkabelung sowie die Einstellungen des Ladegeräts mit den Angaben im Datenblatt der Zelle.
- Spitzenlast und Temperaturanstieg. Messen Sie den tatsächlichen Anlaufstrom mit einer Stromzange und einem Oszilloskop an beiden Enden des Spannungsbereichs, beginnend mit der niedrigsten Akkuspannung, da dort der Strom am höchsten ist. Betreiben Sie das System anschließend unter Volllast bei der höchsten zu erwartenden Umgebungstemperatur, bis sich die Temperaturen stabilisiert haben.
- Verhalten bei niedrigem Batteriestand. Entladen Sie die Batterie bis zum BMS-Abschaltpunkt und achten Sie auf ein ordnungsgemäßes Abschalten, kein Rattern und einen sauberen Neustart nach dem Aufladen.
- Aufladen und Wiederherstellen. Laden Sie den Akku von leer bis voll, sowohl mit als auch ohne angeschlossene Last, und prüfen Sie, ob die Abschaltung wie vorgesehen funktioniert. Schließen Sie den Akku im laufenden Betrieb an und lösen Sie bei maximaler Last eine BMS-Trennung aus. Prüfen Sie anschließend, ob keine Schäden entstanden sind und das System sich erholt hat. Wiederholen Sie die wichtigsten Tests bei der niedrigsten erwarteten Temperatur, einschließlich der Ladegrenze.
Was erneut zu überprüfen ist, wenn sich die Verpackung oder das Gerät ändert
Vier Punkte gelten für jedes Gerät oder jede Verpackung:
- Die tatsächliche minimale und maximale Spannung des Akkus unter Last und ob das Gerät diesen Spannungsbereich ohne Konverter verarbeiten kann.
- Packseitiger Strom bei der niedrigsten Spannung, sowohl für Dauer- als auch für Spitzenlast.
- Wer die Ladespannung, den Ladestrom, die Abschalt- und Temperaturgrenzen kontrolliert, wurde mit dem Batterielieferanten bestätigt.
- Ob die BMS-Auslösung, die Wandlerabschaltung und die Hysterese sowie die Ladeabschaltung miteinander übereinstimmen.
Ein zuverlässiges batteriebetriebenes System erfordert mehr als nur Komponenten mit übereinstimmenden Nennwerten. Batterie, Ladegerät, Wandler und Verbraucher müssen innerhalb kompatibler Spannungs-, Strom- und Temperaturgrenzen arbeiten, insbesondere beim Anlauf und bei niedrigem Batteriestand. Die Überprüfung der Datenblätter schränkt die Auswahl ein; Tests unter realistischen Betriebsbedingungen bestätigen die einwandfreie Funktion des Gesamtsystems.
