Akku und Schienenstrom

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Adler Nbg
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Akku und Schienenstrom

Beitrag von Adler Nbg » Sa 31. Mai 2014, 14:55

Hallo Wlan Bahner,

für die Stromversorgung meiner größeren Loks plane ich eine Versorgung via Schiene und/oder Akku.
https://de.wikipedia.org/wiki/Akkumulator

Die eigentliche Schaltungslösung ist noch etwas grob und wird später skizziert.

Für ein paar Akku-Loks zum Testen habe ich einige (Trustfire Li-Ion) Akkus und Zubehör-Teile in der Bucht bestellt.

Geplant sind Akku-Kombinationen mit 7,4 Volt und 14,8 Volt.

Teileliste:
BMS148.jpg
2S Li-ion Lithium 18650 Battery Input Ouput Chip Board PCB PCM 7.2V 7.4V 8.4V 5A
BMS148.jpg (66 KiB) 26641 mal betrachtet
http://www.ebay.de/itm/4S-Li-ion-Lithiu ... 337f4f5a44

Update 22-07-2014: Achtung! Das nachfolgende Chip-Board wird nach ersten Tests fehlerhaft geliefert! Kurzschlussgefahr wg. Produktionsfehler
und falscher Beschriftung! Hat mir einen Li-Ion zerstört! :evil:
BMS74.jpg
4S Li-ion Lithium Battery Input Ouput Protection Board PCB 14.4V 14.8V 16.8V 5A
BMS74.jpg (72.12 KiB) 26641 mal betrachtet
http://www.ebay.de/itm/2S-Li-ion-Lithiu ... 4ac9f92672
BatteryHolder26650.jpg
Battery Spacer 1x 26650 Radiating Shell EV A123 u Battery Spacer 3x 26650 Radiating Shell EV A123
BatteryHolder26650.jpg (46.46 KiB) 26641 mal betrachtet
http://www.ebay.de/itm/10pc-Battery-Spa ... 3382873a96
http://www.ebay.de/itm/10pc-Battery-Spa ... 4ac5113f5c
JST-XH-Connector.jpg
JST 2.5 XH 3-Pin Connector Plug
JST-XH-Connector.jpg (46.17 KiB) 26641 mal betrachtet
http://www.ebay.de/itm/50-sets-JST-2-5- ... 1c3d9455fe
TF26550.jpg
Trustfire 26650 3.7v 5000mAh Protected Rechargeable Li-ion
TF26550.jpg (92.09 KiB) 26641 mal betrachtet
http://www.ebay.de/itm/2x-Trustfire-266 ... 4ad22de526

Angaben laut Hersteller:
Zell-Typ: 26650, Marke: Trustfire
Nennkapazität Cn in Amperestunden (Ah): 5000mAh
Nennspannung in Volt: 3,7 V
Material: Li-Ion
Innenwiderstand des Akkus: 23mOhms
maximal zulässige Ladespannung: 4.20V
maximal zulässiger Ladestrom: 6.5A
Entladeschlussspannung: 2.5v
maximal kontinuierlicher Entladestrom (Entladung pro Zeiteinheit): 10A
Schutz: integriert 10A (Kurzschluss-, Überladungs- und Tiefentladungs-Schutz)
maximale zulässige Entladestromspitze: 20A
Chemie: LiNiCoAlO2 (Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide)
Abmessungen: Höhe 65mm / Durchmesser: 26 mm
Gewicht: 92 Gramm
Testergebnisse
2014-04-04 09.38.57.jpg
TrustFire TR-006 Li-ion Schnell-Ladegerät Universal für 26650
http://www.ebay.de/itm/TrustFire-TR-006 ... 4d13f6c516

Falls die Links oder Auktionen veraltet sind, bitte alternative Auktionen suchen.

Erste subjektive Wertung der eingetrudelten Akkus, nach Wochen des Wartens:
Ich habe mehrere Akkus zu je 2 Einheiten bei verschiedenen Anbietern bestellt, insgesamt 12 Stck.. Alle kamen an.
Alle waren mit Siegel versehen.
Jedoch: 2 Akkus weichen größentechnisch von den übrigen ab. (Fälschung oder Produktionsschwankung?)
Beim Aufladen verweigerte ein Akku sich dem Ladevorgang.
(Nach verschiedenen Tests mußte ich leider feststellen, dass es sich hierbei um einen defekten Akku handelt).
Die übrigen 11 Akkus (auch die 2 "kleineren") erreichen nach erster Voltmessung ziemlich genau 4,2 Volt.

Die Akkus enthalten bereits selbst ein Protection Board mit diversen Schutzmechanismen.
Im nächsten Schritt prüfe ich, wie die externen Protection Boards, mit denen ich 2 bzw. 4 Akkus in Reihe "zusammenschalten" will, mit den internen Boards vertragen.
Mehr dazu demnächst.

Viele Grüße

Michael
Zuletzt geändert von Adler Nbg am Di 22. Jul 2014, 18:14, insgesamt 12-mal geändert.

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Re: Akku und Schienenstrom

Beitrag von Adler Nbg » Sa 31. Mai 2014, 15:00

...Zusammengebaut (noch nicht verdrahtet) sehen die Akku-Kombinationen so aus:
TF26650BMS.jpg
4 x Trustfire 26650 3.7v 5000mAh mit 4S Li-ion Lithium Battery Input Ouput Protection Board PCB 14.4V 14.8V 16.8V 5A
2 x Trustfire 26650 3.7v 5000mAh mit 2S Li-ion Lithium 18650 Battery Input Ouput Chip Board PCB PCM 7.2V 7.4V 8.4V 5A
TF26650BMS.jpg (69 KiB) 26640 mal betrachtet
Nach einigen Versuchen, erwies sich bzgl. der Verbindung des Balancers mit den Akkus die folgende Vorgehensweise als
brauchbar:

Aus Phosphorbronze (Stärke 0.3 mm) mit der Blechschere ausgeschnittene "Plättchen":
Phosphorbronze-Plaettchen1.jpg
Phosphorbronze-Plaettchen
angelötete Schaltlitze (1.5 mm Querschnitt) an Balancer Platine:
phosphobronce plates connected with balancer 4 2 Li ion accus.jpg
Phosphorbronze-Plättchen mit 1.5 mm Litzen am Balancer für 2 Li Ion Akkus
Einpassen der Plättchen in den Battery Halter:
2 phosphobronce plates connections within battery spacer.jpg
2 Phosphorbronze-Plättchen im Batterie Halter
Hier erweist sich das krumme Ausschneiden als Vorteil, weil sich das Plätchen mit den überstehenden
Ecken gut im Batterie Halter verkantet. ;)

Fertig montierte Li-Ion Akkus (hier 2 Zellen, 7.4 Volt):
2 26650 Trustfire connected with balancer in battery spacer.jpg
2 Trustfire 26650 mit Balancer im Batterie Halter
Die Batterie Halter werden mit Kabelbindern festgezurrt. Um die Akkus zwischendurch zur Wartung
herauszunehmen, muß dann nur der Kabelbinder durchtrennt werden.


Viele Grüße

Michael
Zuletzt geändert von Adler Nbg am Mo 21. Jul 2014, 09:16, insgesamt 1-mal geändert.

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Akku und Schienenstrom - einfache Varianten

Beitrag von Adler Nbg » Sa 28. Jun 2014, 11:45

Hallo Gartenbahntechnik Interessierte,

bei dem oben vorgestellten Akku-Typ sind einige Schutzmechanismen mittels Chip im Akku bereits eingebaut.

Im folgenden zeige ich einfache "automatische" Umschaltungsmöglichkeiten zwischen Schienenstrom und Akku.
Diese lassen sich selbstverständlich mit zusätzlichen Schaltungsmöglichkeiten anreichern.

Variante 1: Umschaltung zwischen Schiene und Akku mittels Dioden:
Akku gestützte Spannungsversorgung mit Dioden 4.3 -  8.4 V 5 A en.jpg
Anmerkung: Die Dioden sind relativ groß wegen der Akku-Leistung gewählt. Über den Widerstand werden
die Akkus "nur" minimal geladen. Je nach Widerstandstyp kann dies natürlich verändert werden.

Variante 2: Umschaltung zwischen Schiene und Akku mittels Relais:
Akku gestützte Spannungsversorgung mit Bypass Relay 5 - 8.4 V 5 A en.jpg
Anmerkung: Das Relais muß den jeweiligen Stromflüssen angepasst sein.

Variante 3: Umschaltung zwischen Schiene und Akku mittels P-Kanal MosFet:
Akku gestützte Spannungsversorgung mit P-Kanal MOSFET.jpg

Allgemeine Erläuterungen:
Fritzing-Skizzen:
Grundsätzlich sollen vorrangig die Schaltungsprinzipien veranschaulicht werden.
Die gezeigten Bauteile sind wegen der teilweise eingeschränkten Fritzing-Bauteil-Datenbank nicht immer korrekt dargestellt.
Dann wird ein jeweiliger Ersatz genommen und ggf. auf die grafische Abweichung hingewiesen.

LTspice-Skizze (P-Kanal MosFet):
Die Werte in der Skizze sind noch nicht final aufeinander geprüft.
Es wird vorrangig das Schaltungsprinzip gezeigt.
Im Prinzip ersetzt der MosFet das Relais aus der Relaisschaltung. Auch hier wird dann die Diode umgangen.
Der MosFet schaltet schneller als ein Relais. Evtl. kommen Größen- und Leistungsvorteile hinzu.
Der "Verdrahtungsaufwand" ist höher und die Bauteile um den MosFet müssen sorgfältig gewählt werden,
damit der MosFet sauber schaltet.
(Fritzing-Skizze folgt).

Fehler: Irren ist menschlich! Also bitte, falls jemand Fehler entdeckt oder Verbesserungen anregen will, freue ich mich über entsprechende Hinweise!
;)




Viele Grüße

Michael
Zuletzt geändert von Adler Nbg am Do 17. Jul 2014, 18:18, insgesamt 4-mal geändert.

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Re: Akku und Schienenstrom

Beitrag von gatzi » Sa 28. Jun 2014, 13:52

Hallo Michael,

ich persönlich tendiere bei dauerauften Einbauten immer zu der einfachsten Lösung, was hier die Variante mit Dioden wäre. Ist man erst im Betrieb bei 5 V (nach Dioden, also ca. 2,9 V am Akku) angelangt, ist es ohnehin Zeit, den Betrieb einzustellen, da die Li-Akkus ja lange die Spannung halten und erst zum Ende stärker abfallen: Ein klares Zeichen für "Akku leer".

Welchen Vorteil hätte denn die Mosfet-Schaltung, außer dass es aufwändiger und (vielleicht) fehlerträchtiger wäre? ;)

Eine elektronische Variante könnte ich mir vorstellen, wenn gleichzeitig eine Warnung wegen fast leerer Akkus herausginge, damit die Lok zurückgeholt werden kann.

Viele Grüße
Holger
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Re: Akku und Schienenstrom

Beitrag von ateshci » Sa 28. Jun 2014, 20:23

Hier mal, wie ich es ohne Schwebeladung für den LiPo gemacht habe. Wenn natürlich der Akku eine Schutzschaltung drinhat, könnte man vielleicht wie bei den NiMhs arbeiten - nur, wie könnte die Schaltung aussehen?
Dateianhänge
KÖFRC.gif
KÖFRC.gif (9.12 KiB) 26525 mal betrachtet
Gruß vom Heizer

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Re: Akku und Schienenstrom

Beitrag von Adler Nbg » So 29. Jun 2014, 00:50

Hallo Heizer, hallo Holger,

Eure Fragestellungen haben mich auch schon umgetrieben.

Ideal wäre das Erfüllen einer Schaltung folgender Anforderungen:

1) Stromversorgung von Schiene und gleichzeitige Schwebeladung des Akkus oder
2) Stromversorgung von Schiene und Akku als Standby mit Akku-Monitoring.
3) Stromversorgung von Schiene und Akkuladung (bis maximaler Aufladung mit optimierter Ladeleistung).
3) Bei Stromausfall unterbrechungsfreie Umschaltung oder reines Akku-Fahren, beides mit Akku-Monitoring.
4) Reines Laden des Akkus der abgestellten Lok, ohne Akkuentnahme mit Akkumonitoring.
5) Akkumonitoring: Sicherheitskriterien (Schutz vor Überladung, Schutz vor Tiefenentladung, Schutz vor Überhitzung, Schutz durch Schwebeladung) und Management (Leistungskontrolle mit daraus ableitbaren Funktionen (Bspw. "Restlaufzeit", verbleibende mgl. Wegstrecke bei aktueller Last, die am Akku anliegt, usw.).
6) Berücksichtigung der jeweiligen Akkuchemie (LiPo, Li-Ion, Blei, etc.) und deren jeweiligen Ladeanforderungen.
7) Berücksichtigung von 2 oder mehr Akku (zellen) von Punkt 5.

Nimmt man als Basis der Überlegung einen Akku mit einer vergleichsweisen robusten Akkuchemie wie dem Bleiakku, kann in gewissen Grenzen die Schaltung sehr einfach gehalten werden, wie die Diodenschaltung.
Bleibt man bei einem Akku und wählt aus Leistungs-, Gewichts- oder Größengründen eine anspruchsvollere Akkuchemie (Punkt 5 Sicherheitskriterien), sind wir schon genau bei den Fragestellungen.

Die MosFet Schaltung in Kombination mit einer Logikschaltung kann die Punkte 1 bis 6 abdecken.
Die Logikschaltung übernimmt das Akku-Monitoring, bietet Ansätze für daraus ableitbare Funktionen und ermöglicht das gleichzeitige Laden beim Fahrbetrieb über Schienenstrom.

Ein kleiner Chip und eine Schaltung für 1 Li Po (Li Ion) Zelle findet sich hier:
http://www.microchip.com/Developmenttoo ... 383XRD-PPM
Im Dokument "Reference Design" findet sich genau eine Schaltung mit MosFet.
Das Dokument kann über folgenden Link geladen werden:
http://ww1.microchip.com/downloads/en/D ... 51746a.pdf
Tipp: Auf der Referenz Design Platine sind 2 Schaltungen für 2 Chipvarianten gezeigt. Es reicht eine davon.

Es gibt 3 bis 4 Chiphersteller, welche sich auf integrierte Schaltungen für die Punkte 1 bis 7 spezialisiert haben.
Im Grunde finden wir die Anwendungen vielfach in Handies und Notebooks.
Allerdings ist für unseren Bereich neben Suchen einer Lösung der doch sehr verschiedenen Anforderungen ggf. jedesmal individueller Anpassungsaufwand notwendig.

Ich schreibe dazu später mehr und freue mich über den entstandenen Gedankenaustausch.

Viele Grüße

Michael
Zuletzt geändert von Adler Nbg am Do 17. Jul 2014, 18:20, insgesamt 1-mal geändert.

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Re: Akku und Schienenstrom

Beitrag von ateshci » So 29. Jun 2014, 13:18

Ein Ansatz ist hier zu finden: https://learn.adafruit.com/multi-cell-l ... ce-charger , um mehr als eine Zelle zu laden.
Man könnte entweder Relais mit entsprechenden Umschaltkontakten oder aber MOSFETs als Umschalter vorsehen.
Gruß vom Heizer

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Akku und Schienenstrom - Diodenschaltung + StepUps-StepDowns

Beitrag von Adler Nbg » So 29. Jun 2014, 17:36

Hallo Zusammen,

in meinem Taurus-Umbau setze ich folgende Schaltungskombination ein:
Diodenschaltung mit vor- und nachgeschaltetem StepUp-StepDown-Regler.
Batteriegestützte Spannungsversorgung mit Dioden und 2 stepup stepdown reglern 24 V auf 12 V 5 A.jpg
2-fache Diodenschaltung mit 2 nachgeschalteten StepDown/StepUps auf /.0 bzw. 12.0 Volt
Die Motivation ist, dass ich wenig Löten muß und gleichzeitig flexibel die Schaltung evtl. noch ändern kann (modularer Aufbau).
Außerdem kann ich variabel die Spannungen und Stromstärken regeln.
Daher habe ich dieses Schaltungsprinzip gleich zweimal pro Lok verwendet (7 V und 12 V Ausgang)

Hier ein paar Detailbilder vom Einbau in die Lok:
Diodenschaltung_Akku_Schiene_Basis.jpg
Diodenschaltung in 2-facher Ausführung zum Anschluß an 2 Akku-Pakete sowie Ein- und Ausgänge für StepDown/StepUps
Stellprobe_Diodenschaltung_StepDowns_Ebene1.jpg
Stromversorgung - Ebene 1: Gleichspannung 24V mit 2 StepDowns/StepUps auf ca. 9.1 V bzw. 15.7 V zur Versorgung der Akku-Pakete (7.4V bzw. 14.8V) über Diodenschaltung
setting power management level 1 and 2.jpg
Stromversorgung - Ebene 2: Ein-/Aus Schalter mit Sicherung zum Gleichrichter 24V mit 2 StepDowns/StepUps auf 12V bzw. 7 Volt. Rechte Seite Current Sensor ACS712-20 von Allegro MicroSystems.
Auf der Ebene 2 wird hier zusätzlich die von den Rädern und Schleifkontakten (evtl. später ohne Schleifkontakte) kommende Wechselspannung
in Gleichspannung mit 24 V, 10 A gewandelt.

Die Sicherung und der Schalter sind dem Gleichrichter vorgeschaltet.
Die Schaltung dazu zeige ich später im Bautagebuch bzw. hier unter Grundlagen...

Details zum Strom-Sensor ACS712-20 findet Ihr hier:
http://www.gartenbahntechnik.de/forum/v ... f=72&t=194


Viele Grüße

Michael
Zuletzt geändert von Adler Nbg am Mo 21. Jul 2014, 09:47, insgesamt 6-mal geändert.

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Akku und Schienenstrom - Anbindung H-Brücke

Beitrag von Adler Nbg » Di 15. Jul 2014, 13:37

Hallo Zusammen,

hier eine Anregung, wie mittels Diodenschaltung bspw. eine H-Brücke zusätzlich mit höherer Spannung versorgt werden kann:
Batteriegestützte Spannungsversorgung mit Dioden und 2 stepup stepdown reglern 24 V auf 17.5 V 5 A extra an  H-Brücke1.jpg
Hinweis:
Die Schaltung ist noch nicht final getestet.
Anregungen und Verbesserungen bitte gerne mitteilen.

Viele Grüße

Michael

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Re: Akku und Schienenstrom

Beitrag von papabaer465 » Sa 23. Jan 2016, 13:06

hallo Michael,

hast Du die letzte Schaltung jetzt eigentlich schon getestet?

könnte man die Akku-Spannung durch das hinzufügen eines weiteren Akkus noch etwas erhöhen? oder wäre das aus deiner Sicht nicht zu empfehlen?

lg
Thomas

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