Li-Zellen Überwachung mit dem CellShield
Lithium-Zellen sind im Modellbau nicht mehr wegzudenken.
Umso ärgerlicher, wenn durch Unterspannung einzelner Zellen
eine Schädigung dieser teuren Energielieferanten droht. Der
Händler http://www.lipoly.de hat nun ein Überwachungssystem
„CellShield", was die wertvollen Lithium-Zellen vor dieser Gefahr
wirksam schützen soll.
Das Problem ...
Lithiumzellen sind empfindlich und zeigen bei „Misshandlungen“
ein unangenehmes Langzeitgedächtnis. Eines der größten
Sünden ist die Unterspannung hervorgerufen durch eine
Tiefentladung oder Überlastung. Der Übergang bis zur
Schädigung ist dabei fließend und beginnt mit Last unterhalb
von 2,6V/Zelle und ohne Last unterhalb von 3,3V/Z einzusetzen.
Das äußert sich mit zunehmendem Kapazitätsverlust oder
niedrigere Spannungslage, kurz der Akku wird „müde“. Einige
Zellen regieren auch heftiger und können erst nach Tagen
allmählich leicht an Volumen zunehmen (aufblähen). Bei so
deutlichen Protesten seitens der Zelle(n) sollte über eine
sofortige Entsorgung nachgedacht werden!
Wie kommt es nun zur Tiefentladung wenn man „geeignete“
oder "nicht" LiPo fähige Controller einsetzt, die rechtzeitig
oder zu spät reagieren?
Das Problem liegt nicht am "Li-Po fähigen Controller, sondern an der Reihenschaltung der Einzellzellen die wir
benötigen um auf unser gewünschtes Spannungsniveau zu
kommen – kurz, die Spannungen der einzelnen Zellen addieren
sich zur Gesamtspannung und nur auf diese reagiert
ausschließlich der Controller. Mathematisch ist es egal, ob
nun 3V/Z1 + 3V/Z2 + 3V/Z3 = 9V (ideale Betrachtung:
Zellentoleranz = 0%) oder 3,1V/Z1 + 2,7V/Z2 + 3,2V/Z3 = 9V
(Realität: Toleranz um die 1% bis 3%) ergeben, aus Sicht des
Li-Po Akkus aber keines falls! Die 2,7V/Z2 droht bei weiterer
Entladung eine Unterspannungsschädigung. Dieser Effekt wird
umso drastischer, je mehr Zellen in Serie verschaltet werden.
Nun gibt es in der Praxis keine 100% gleichen Zellen auch
wenn manche Händler durch den Zusatz „unsere Zellen werden
selektiert“ das suggerieren. Das mag ja zum
Auslieferungszeitpunkt zutreffen und macht auch Sinn aber
kritische Fragen drängen sich dennoch auf: Wie stark wurde
selektiert, nach welchen Kriterien (steht meist nicht da), was
passiert in der Praxis bei starker Erwärmung, ist der
verwendete Balancer/Equalizer immer im Einsatz, bleiben die
Zellen auch nach 50 Zyklen und mehr genauso in der Toleranz
... ? Sie sehen, alles Fragen aber keine Antworten!
Die Lösung ...
Klar könnte man versuchen streng nach Stoppuhr oder Gefühl
zu fliegen um die Restkapazität von 20% bis 30% im LiPo zu
treffen, nur diese Schutzmechanismen sind kaum reproduzierbar
und von zu vielen (Stör) Einflüssen abhängig. Dabei wäre es so
simpel wie genial, wenn nur die vorhandenen Balanceranschlüsse
dazu genutzt werden würden um an die Einzelspannungen der
Zellen zu gelangen. Genau das macht der CellShield (CS). Er
überwacht jede einzelne Zelle (bis zu sechs) auf ihre absolute
Spannungslage und reagiert entsprechend darauf. Dazu ist es
notwendig, den CS zwischen Empfänger und Steller zu schleifen
und an den Balancerstecker des LiPos anzuschließen. Wird im
Betrieb eine Spannungsgrenze einer oder mehrerer Zellen erreicht,
regelt der CS den Steuerimpuls zum Steller zurück und drosselt
somit den Motor. Erstmals kann somit ohne Risiko so lange
geflogen werden bis der Li-Poly Akku tatsächlich leer ist. Grüne
LED's signalisieren die einzelnen Zellen. Ist eine Unterspannung
erkannt worden blinken die LED's und der Controller wird in Stufen
gedrosselt. Zusätzlich lässt sich ein Miniatur- Temperatursensor
am Akku anschließen (signalisiert mit einer roten LED), der bei
drohender Übertemperatur das Gleiche bewirkt.
Die Praxis ...
Der CS ist klein und leicht (7g) gebaut. Zum Schutz dient ein
Schrumpfschlauch. Die Stiftleisten sind beschriftet. Die
Unterspannungswarnung lässt sich am Potentiometer variabel von
2,5V/Z bis 3,5V/Z mit einem kleinen Schraubendreher einstellen.
Durch die Variabilität ist der CellShield für alle Li-Xx Typen
uneingeschränkt geeignet! Die Skalengenauigkeit der
Spannungswerte ist dazu ausreichend genau. Ein Novum sind aber
die Balanceranschlüsse. Es spielt dabei keine Rolle welches
Stecksystem oder Polung man verwendet - es passt immer sofern
die Buchsen im 2,5mm Raster vorliegen - GENIAL! [#1]
Erfolgt die Warnschwelle (im Beispiel waren 3V/Z nach Skala
eingestellt) regelt der CS in Stufen die Motorleistung zurück. [#2]
Es bleibt also danach noch genügend Zeit um zu reagieren. Neue
Gasstöße sind möglich, der Motor geht dabei kurzzeitig für ein bis
zwei Sekunden auf Vollgas. Auch beim Debalancierten Li-Po
(Z1 hatte 200mAh weniger geladen) wurde ab 2,95V/Z korrekt in
Stufen abgeregelt obwohl die anderen beiden Zellen noch über
3,3V/Z hatten.
Erfolgt eine zu hohe Temperatur (im Beispiel waren es ca. 55°C)
regelt der CS den Motor auch in Stufen zurück. [#3] Die Reaktion
auf Übertemperatur hat dabei den Vorrang.
Eine zweiseitige deutsche Anleitung liegt bei und ist
unmissverständlich, da ausführlich bebildert.
Tipp... Zum sorglosen Ausnutzen der Li-Xx empfehle ich die
Spannungsgrenze des CS auf 3,2V/Z (Li-Poly) oder 2,5V/Z (Li-Fe)
und falls möglich, die Controllerüberwachung auf aus bzw.
niedrigste Spannungsgrenze, einzustellen.
Eine kleine Einschränkung bleibt: CS arbeitet uneingeschränkt mit allen
BEC-Controllern und nur teilw. mit einigen Controllern ohne BEC
zusammen. Bei diesen muss dann die Masse (Minus) zum Empfänger
durchgeschliffen werden.
Resümee ...
In der Praxis hat sich der CellShield als sehr zuverlässig präsentiert.
Eine Unterspannungsüberwachung der Controller ist damit
überflüssig. Beim „Akku-Alarm“ erfährt der Motor je nach
Programmierung immer eine spürbar gestufte Drosselung. Das
Beste, jetzt bestimmt wirklich nur die schwächste Zelle (oder
mehrere) im Pack wie weit der Akku genutzt werden kann – so soll
es sein! Nur dieses Prinzip gibt einem die Gewissheit nie was falsch
zu machen bzw. keine Tiefentladung oder Unterspannung zu
riskieren und die Li-Pos damit zu schädigen! Dieser Vorteil wiegt
umso gravierender, je mehr Zellen im Pack zur Serie verschaltet
werden. In Anbetracht des enormen Schutzes und Sicherheit
ist der CellShield mehr als nur sein Kaufpreis von 29,-€ wert!
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Der optional erhältliche Temperatursensor
[#1] Polsicher und kontaktfreudig
präsentiert sich der CellShield
(Danke an Milan Lulic für das Photo)
Zur größeren Darstellung einfach
auf die Diagramme klicken und
anschließend "zurück" am Browser. (auf das Bild klicken)
[#2] Abreglung bei Unterspannung (auf das Bild klicken)
[#3] Abreglung bei Übertemperatur Technische Daten: Eingangsspannung: 2s bis 6s LiPoly
Abschaltspannung: einstellbar von 2,5V bis 3,5V/Zellen
Anschlussfolge und Polung beliebig!
Abmessungen (ohne Stecker und Kabel): 33x25x9mm
Gewicht (inkl. Stecker und Kabel): 7g
Kosten Cellshield: 29,-€
Kosten Temperaturfühler: 5,-€
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