Sicherungen

Das vom deutschen ETI Vertreter großzügig angekündigte kostenlose Ansichtsmuster eines Lasttrenngriffs ist diese Woche angekommen. Allerdings hat ETI nicht nur ein Stück sondern gleich einen ganzen Karton als kostenlose Muster geschickt. Wenn also die 1000Amp Mosfet Schalter von @nimbus4 fertig sind, kann ich gerne einen zum Test mit den chinesischen DC Automaten schicken. Da freue ich mich schon auf ein YT Video mit Highspeed Kamera wie die Löschkammern ohne Permanentmagnete abbrennen werden.

Zur Zusammenfassung der bisherigen Sicherungsdiskussion: Eine Sicherung ist an diesem und anderen BMS zusätzlich zu den Mosfets empfehlenswert, solange man nicht genau weis welche Induktivität die Verdrahtung der Anlage zwischen Batterie und Wechselrichter hat. @nimbus4 hat die Mosfets so gut getestet, daß klar ist daß diese die spezifizierten Ströme (momentan 300 Amp) beliebig oft und sicher abschalten können. Höhere Lastinduktivitäten oder auch auf den Batterieanschlüssen versehentlich angelegte AC Netzspannung (von defekten trafolosen WR) zerstören die Mosfets jedoch sicher, weshalb eine ordentliche Schmelzsicherung als doppelter Boden für ausserordentliche Disaster immer empfehlenswert ist.

Wir sind uns aus dem bisherigen Sicherheits Faden hier einig, daß alleine NH Sicherungen, nicht aber irgendwelche SMD Sicherungen das erforderliche Abschaltvermögen bewältigen können. Midi/Mega Sicherungen sind bereits nach dem nach Datenblatt zu klein und die chinesischen DC Automaten ohne weitere verfügbaren Datenblätter momentan noch nicht wirklich getestet.

In den Fotos sieht man einen DC Lasttrenngriff von Jean Müller aus Eltville am Rhein. Im Vergleich dazu ein AC Lasttrenngriff von ETI in Slovenien produziert. Der kann es preislich sowohl vom Einsatz wie auch vom Halter durchaus mit Mega Sicherungen aufnehmen.

Der Jean Müller DC Lasttrenngriff ist etwa doppelt so teuer, was der aufwendig modularen Bauweise geschuldet ist. Mit verschiedenen Befestigungsteilen kann man ihn wahlweise auf Montageplatte oder auf Sammelschienen montieren. Mit Sammelschiene kann man durch Drehen der Gehäuseteile die Abgangsklemme entweder nach unten oder nach oben legen. Das sind aber alles Features die beim Einsatz zwischen BMS und Zelle keine Vorteile bringen. Der DC Lasttrenngriff wird von Jean Mueller hergestellt. Er wird sowohl mit Jean Mueller Aufdruck wie auch mit ETI Aufdruck verkauft.

Dazu im Gegensatz der ETI AC Lasttrenngriff in der deutlich kleineren Bauart. Erstaunlicherweise kann er aber totzdem die DC spezifizierten NH00 Einsätze mit den langen Kontaktmessern aufnehmen. Bei EFEN welche die Lasttrenngriffe sowohl für Rittal wie auch Hager als baugleiches OEM Produkt fertigt, ist das nicht so: Im Efen AC Halter passt kein DC Schmelzeinsatz rein. AC und DC spezifizierte Schmelzeinsätze werden von ETI in Slovenien hergestellt und auch von Jean Müller unter eigenem Label verkauft.

Die Nachteile des kleinen ETI Lasttrenngriffes sind alleine der nur auf slovenisch lesbare Beipackzettel und daß er nur auf Montageplatte aber nicht auf einer Sammelschiene montiert werden kann. Beide Eigenschaften wirken sich im BMS Einsatz aber nicht nachteilig aus. Die lt. Datenblatt zulässige Verlustleistung beträgt bei beiden Haltern 12 Watt. Dadurch daß aber auch die DC Schmelzeinsätze passen, kommt man selbst bei 160 Amp Dauerstrom nur auf 9 Watt. Die versilberten Kontaktstücke sind fast gleich, sind untereinander auch in der Befestigung kompatibel, kommen aber nicht aus dem gleichen Werkzeug. ETI hat eine schwächere Ringfeder, holt aber zusätzliche Anpresskraft aus einem etwas längeren Schlitz am Fuß des Kontaktblechs. Das dürfte sich als Verschleiss auf die zulässige Anzahl der Betätigungszyklen auswirken.

Es versteht sich an dieser Stelle aber hoffentlich von alleine, dass man möglicherweise mehr oder weniger induktive DC Lasten mit Lasttrenngriffen entgegen ihrem Namen möglichst niemals unter Last auftrennen sollte. Beim Auto entspricht dies dem Abklemmen der Lichtmaschine bei laufendem Motor. Dieser Fall wird als "Load Dump" bezeichnet. Automechaniker wissen, daß dies in der Regel den Totalschaden aller elektronischen Steuergeräte zur Folge hat. Die NH Sicherung dient also alleine dem Kurzschlussschutz. Sie dient nicht dem Überlastschutz welcher von den Mosfets über die Shunts bereits perfekt erledigt wird. Der Nennwert der NH Sicherung muß so bemessen sein, daß er im Betriebsfall nie auslöst (160 Amp).

Für mich persönlich ist der ETI AC Halter mit 2 x M8 Anschlüssen zusammen mit den DC Keramikeinsätzen bislang der absolute Favorit. Ich werde hiervon deshalb ab Werk in Slovenien eine Charge bestellen. Auf dem DC Schmelzeinsatz des ETI AC Halters kann man im Foto das Trennvermögen von 25kA bei 80V DC erkennen. Das ist eine als sicher spezifizierte Trennung einer DC Kurzschlussleistung von 2 Megawatt.



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Wenn die eine ganze Kiste schicken, hast Du wohl Eindruck gemacht.

Eine Highspeedkamera habe ich leider nicht.
Mein Plan ist im Moment, zunächst mit nicht zu hohen Energien zu testen, um mich an den Punkt ranzuarbeiten, an dem der Übergangswiderstand im geschlossenen Zustand merklich ansteigt.
Wie gut das klappt hängt aber davon ab, wie schnell der Trenner reagiert, weil ich mit meinem aktuellen bzw. geplanten Equipment voll-konfigurierbare Strompulse nur mit begrenzter Länge erzeugen kann. Darüber kann ich dann nur noch grob über Kabeldurchmesser, Kabellänge und Induktivität justieren.

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Um das Thema mit den Schmelzeinsätzen noch mal zu beleuchten, habe ich in die VDE 0636-7 reingeschaut. Neben der im AC Bereich üblichen gG Kennlinie haben die 80 Volt DC Einsätze eine etwas flinkere gBat Kennlinie welche in diesem Diagramm zum Vergleich dargestellt ist.

Für Batterien geht die Norm davon aus, daß die Sicherung bei einem Kurzschluss nach spätestens 5 Sekunden ausgelöst werden muß. Auf der Skala des „prospective Current“ wird dazu für eine Zelle mit Betriebsstrom von 100A ein Kurzschlussstrom von 600 Amp angenommen und dazu einen gG Sicherung gegenübergestellt welche nicht ausreichend schnell auslösen würde. Dies zeigt, daß die gesamte Norm für die gBat Sicherungscharakteristik noch aus der Zeit der Bleibatterien OPzV/OPzS stammt.

Für Lithium mit den deutlich geringeren Innenwiderständen hat das keinerlei Bedeutung, weil hier angenommen wird, daß die Batterie über 5 Sekunden einen Peak Strom von 30C aufbringen kann. Das wären für eine 280Ah Zelle Kurzschlussströme von über 8kA. Man könnte also Einsätze mit fast beliebiger Auslösecharakteristik oder Nennströmen wählen solange mit diesen sicher gestellt ist, daß sie durch den beabsichtigten Betriebsstrom im Diagramm Ib nicht versehentlich auslösen. Man wird vermutlich immer bei einer Abschmelzzeit von etwa 100mS landen wo das Diagramm bereits aufhört.

Der 80V DC Einsatz mit gBat Charakter hat im Fall von Lithium Batterien also alleine den Vorteil der etwas kleineren Verlustleistung gegenüber gG was seinen Grund in der kleineren Nennspannung hat. Die gG Sicherungen haben je nach Hersteller ansonsten auch Auslösekurven die verschiedentlich bei 500V oder 690V AC angegeben sind. Sie rücken dabei je nach Testspannung typischerweise auch ziemlich weit nach links mit ähnlichem Verhalten wie gBat.

Das wirkliche Auslösen einer NH Sicherung wird natürlich schwierig und riskiert immer Folgeschäden im BMS. Um das zu probieren müsste man man so tun, als ob das BMS bereits defekt ist, indem man den Mosfet absichtlich ohne Strombegrenzung auf einen harten Kurzschluss aufschaltet. Dabei wird vermutlich die NH Sicherung abschmelzen. Die Mosfets könnten überleben solange sie eingeschaltet sind. Ob die Shunts überleben ist eine andere spannende Frage. Eigentlich sollte ein gutes BMS aber immer korrekt abschalten so daß man die Schmelzsicherung nicht braucht. Dazu ist das Design ja aber auch auf dem besten Weg.

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Tests mit Sicherungen bzw. Sicherungstrennschaltern würde ich immer ohne BMS durchführen ( vorzugsweise sogar an einer Batterie-Emulation aus Kondensatoren).
Mein neuer Kurzschlußtester hat deswegen selber Sicherheitsfunktionen eingebaut:
Ich kann einmal die maximale AN-Pulsedauer beschränken
und noch viel wichtiger: Es erfolgt ein Ausschalten bei Überschreiten eines
konfigurierbaren Stromes innerhalb von ~ 100 ns. Damit kann man sich dann langsam an das Verhalten des Prüflings herantasten.

Bei NH-Sicherungen habe ich im Moment aber auch keine wirklichen Ambitionen, das Kurzschlusstrennvermögen experimental zu bestätigen.

Ein BMS hat typischerweise ein paralles MOSFET-Array mit sehr großer Gatekapazität, aber nur einen relativ schwachen Gate-Treiber.

Ein Anschalten ohne Überstromüberwachung würde ich keinesfalls empfehlen. Dabei besteht eine gute Chance, die FETs durch zu langsames Einschalten und den dadurch zu hohen Energieeintrag zu beschädigen. Nicht ohne Grund nutzt man die FETs nicht für die Precharge-Funktion, sondern hat eine eigene Schaltung dafür.

Ich habe gelesen, dass das BMS selbst nur 4 mA verwendet und der Ausgleich mit 180 mA erfolgt.

Normalerweise sichert man die Leiter. Gilt dies auch für dieses BMS oder wäre es besser, einen niedrigeren Strom zu wählen, um das Gerät besser zu schützen?

Welche (Littelfuse 251) Sicherungsgrößen sollte ich für dieses BMS, die Balancing, und die Temperaturerweiterungsplatine, zumindest/am besten auf Lager haben?

Ich habe bei mir in den 17 Balancing-Leitungen jeweils direkt zwischen Kabelschuh und Litze eine ähnliche Sicherung mit 750 mA verbaut:

Grundsätzlich sollten hier Werte im Bereich 0.5 - 2 A verwendbar sein.

Ich möchte mit diesen Sicherungen die Konsequenzen eines Kurzschlusses der Balancing Leitungen vor dem BMS ( wegen mechanischer Beschädigung ) reduzieren. Um bei einem Defekt im BMS einen Strom über diese Leitungen zu erzielen, der für 0.15 mm2 bedenklich wird, müßte man schon ziemlich konstruieren.

Die Eigenstromaufnahme des BMS läuft nicht über diese Leitungen, sondern direkt vom MOSFET-Schalter an die Steuerleiterkarte. Eine dedizierte Sicherung gibt es hier nicht.

Bei den Temperatursensoren habe ich aktuell (noch) keine Sicherungen vorgesehen, um den Fall, dass eine Leitung eines Temperatursensors elektrischen Kontakt zu den Zellpolen bekommt, abzusichern. Das ist aber ein Punkt, bei dem man meines Erachtens, insbesondere, wenn man sehr viele Sensoren direkt auf den Zellverbindern verbaut, argumentieren könnte, dass dies wünschenswert wäre.

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Da wäre dann wieder eine Sammlerplatine für den ganzen Kram im Vorteil. Am besten 4s modular zusammensteckbar wegen der Baulänge. Die SPI Ankopplung hat vermutlich auch nur Vorteile wenn die Leitungen sonst zu viel werden. Man könnte mit einem STM8 dann dann auch gleich Impuls und Meldung für einen Gassensor machen und die Sicherung als flickbare Engstelle auf der Leiterbahn ausbilden.

@nimbus4 Wie es aussieht, hast du auch die starren Zellverbinder. Die gleichen wurden bei meinen Envision mitgeliefert. Wahrscheinlich mach ich mir zuviel Gedanken über mögliche Probleme damit.

Bei vernünftig ausgelegten Sammlerplatinen würde ich keine wirkliche Rechtfertigung mehr für dedizierte Sicherungen sehen.

Ich habe dazu ja bereits angeboten, dass, wenn ihr mir ein generisches Design, das also nicht nur für einen speziellen Sonderfall, wovon nur 2 Muster gebaut werden, nutzbar ist, vorschlagt, ich ein Layout dazu machen könnte.
Wenn darauf etwas bestückt werden muss, sollte das dann idealerweise bei JLCPCB für jeden individuell bestellbar sein, da ich solche großen leeren Platinen hier wegen des Dampfphasenlötens nicht effizient handeln kann.

Gassensoren könnte man da natürlich optional mit vorsehen. Ich muss aber eingestehen, dass ich da skeptisch bezüglich des praktischen Nutzens bin. In der Regel dürfte die Zelle beim Bersten des Überdruckventils so nahe am TR sein, dass man kaum noch Handlungsoptionen hat und sich im Zweifelfall sogar noch zusätzlich in Gefahr bringt. Ich denke, dass Ressourcen, die dafür verwendet werden, das Risiko, dass es soweit kommt, zu reduzieren, effektiver eingesetzt sind. Beispielsweise erscheint mir deine Idee, die Ausdehnung des Stacks zu überwachen, alleine schon effektiver als ein Gassensor.
Auf Ebene der Zellspannungsmessungen, Temperaturmessungen und der Veränderung der Selbtsentladung kann man auch noch einige Frühwarnkriterien ergänzen.

Diese Verbinder sind mit Sicherheit weit weg von perfekt. Für meine Anforderungen ( Ströme eigentlich nie über 20 A, Betrieb in beheizten, Räumen in denen Korrosion kaum ein Thema ist ) sind sie für mich aber völlig ausreichend. Da die Übergangswiderstände sowieso überwacht werden, sehe ich das völlig entspannt. Für Ströme >> 100A würde ich solche Verbinder aber eher nicht verwenden.

Bestücken und Löten dürfte in Durchlauf-Reflow hier kein Problem sein. Es gibt ja darauf keinerlei schwere Brummer wie etwa die Kupferbleche. Einen STM8 mit den vielen ADs halte ich auch für eine günstige Lösung wenngleich ich mit denen auch noch nie was gemacht habe. Die Begrenzung ist eher die Leiterplattenlänge selbst, wo bei vielen Herstellern die Nutzengröße schon bei gut 600mm aufhört. Mit SPI habe ich bei diesen Längen wegen Reflexion auch regelmässig schlechte Erfahrungen gemacht. Es helfen nur gepufferte und terminierte Leitungen was wieder Geld kostet. Also vielleicht doch wieder seriell oder gar über CAN ankoppeln.

Der TR besteht bei LiFePo ja hauptsächlich als Explosion wozu die Bildung einer zündfähigen Raumatmosphäre erforderlich ist. Da hilft vor allem eine Zwangsbelüftung oder auch ein CO2 Löscher welcher nicht nur kühlt, sondern auch die Zündfähigkeit der Luft schlagartig nach oben verschiebt. Beim Fall in Lauterbach-Wernges hat ja auch ein normaler Rauchmelder im darüberliegenden Stockwerk angesprochen welcher aufgrund seiner Position doch deutlich im zeitlichen Verzug war. Irgendwo hier im alten Forum hat der Betreiber ja auch dazu Stellung genommen, daß er deshalb das Haus verlassen konnte. Er hat sich zwar zuvor noch davon überzeugt, daß er sowieso nix mehr machen kann (und sich dabei eine Rauchgasvergiftung eingehandelt), aber immerhin war er nicht mehr im Haus als es geknallt hat und auch die Feuerwehr war bereits auf dem Weg. Den Gassensor sehe ich daher auch bereits auf dem Übergang vom vorbeugenden zum bekämpfenden Brandschutz.

Von Druseit habe ich jetzt auch ein Angebot für pressgeschweisste flexible Verbinder bekommen. Die wollen für ein Stück 16 Eur wofür ich dem Vertreter dann aber gesagt habe, daß er sich auch das kostenlose Muster sparen kann. Eine gelaserte Z-Form aus Reinalu ist zwar nicht wirklich flexibel, könnte die Kräfte auf die Pole aber trotzdem wirksam begrenzen und liegt bei etwa 30 Cent/Stück.

  1. Ob Reinalu flexibel ist, hängt maßgeblich von der Wandstärke ab. Bei 0,6 mm halte ich Alu als flexibel, bei 1,5 mm nicht.
  2. Darüber hinaus ist die Kraft auf die Pole stark von der Länge des Arms abhängig (der Teil, der vertikal über den Zellpolen verläuft). Ein Muster aus 2 x 35 mm AW-1050A (Zustand: Weich) mit Armlänge > 8 cm, übt immer noch erhebliche Kräfte auf die Pole aus: Ich würde sagen: zu starr.
  3. Für 30 Cent kann ich am Laserschneider nicht einmal eine 34 × 34 × 4 mm¹ große Druckplatte aus Stahl für die Oberseite des Zellpol anfertigen lassen: , sogar nicht bei 100 Stück. Für 30 Stück 6 × 59 × 0,1 cm¹ in AW-1050A zahle ich 1,50 € pro Stück.

Wie seht Ihre 30 Cent Z-Form flexible Verbinder aus, und welcher Quadratur hat dies?

Ich würde hier eher einen STM32G0*, STM32L0*, STM32U0* oder einen kleinen RiscV verwenden.

Da wir hier von extrem niedrigen Datenraten ( << 10kBit/s ) reden und mit entsprecht langsamen Flanken arbeiten können, sehe ich da eigenlich keine Problem. Meine erste Arbeitshypothese wäre I2C.

Wir scheinen mit Thermal Runaway da Unterschiedliches zu meinen. Für mich bedeuetet TR schlicht, dass die Zersetzungsprozesse in der Zelle ohne (nennenswerte ) weitere externe Energiezufuhr ablaufen, also praktisch extern nicht mehr zu stoppen sind ( Wenn man Dinge wie Abkühlen mit flüssigem Stickstoff mal außen vor läßt ). Die Frage, ob es durch die ausgestoßenen Gase außerhalb der Zellen zu einer Explosion kommt, hat für mich keine Relevanz für die Definition von TR.

Ich meine Du hättest zuletzt mal irgendwo geschrieben, dass Du bei vernickeltem Kupfer Probleme sehen würdest und deswegen Alu verwenden möchtest. Könntest Du das noch einmal erläutern? Meiner Einschätzung nach hat das nahezu die ideale Kombination aus elektrischen ( hohe Leitfähigkeit ), mechanischen ( weich ) und chemischen ( Korossionsbeständigkeit ) Eigenschaften. Für die Bleche auf dem BMS möchte ich zukünftig eigentlich auch genau das verwenden. Eine 3D-Formung zur Aufnahme von Kräften durch die Ausdehnung der Zellen, sollte bei Kupfer doch mindestens so einfach möglich sein, wie bei Alu und wenn man es mit dem Querschnitt nicht übertreibt, sollte der höhere Materialpreis für Kupfer auch kein No-Go sein.

Cu oder Cu-Ni auf Al ist bei der Verdrahtung verpönt, weil wegen der elektrogalvanischen Reihe immer einer Spannung am übergang der Metalle entsteht. Diese führt in Verbindung mit der Luftfeuchte als Elektrolyt zur Korrosion des unedleren Alu. Bei Alu auf Alu passiert das nicht. Trotzdem hat auch Alu immer eine oxidierte Oberfläche. Deshalb gibt es die Kontaktpasten mit Korund. Das Schleifmittel reist die Oxydation vor oder bei der Montage auf und schützt es gleichzeitig vor Sauerstoff zur erneuten Oxidation. Die Verfechter von Cu Verbinder argumentieren dann, daß die Korrosion ja nicht stattfinden kann, weil der Übergang von Sauerstoff durch die Kontaktpaste geschützt ist. Das ist zwar bei der Montage, aber nicht langfristig. Die Paste trocknet aus und dann korrodiert es doch. Deshalb gibt es luftdicht verschweisste Verbindungen von sauteuren Kabelschuhen oder eben die patentierten Cupal Scheiben welche das richten sollen.

Die Blitzableiter Monteuere arbeiten ja auch häufig mit d=8mm Alu-Draht. Eine "normale" Klemme aus Ms darf man da nicht nehmen. Die Verbinder sind auch immer aus Alu und die Schrauben aus V4A. Im trockenen Bereich sieht man auch Edelstahl auf Alu. Das ist besser als Kupfer auf Alu aber auch nicht ideal.

Ich würde hier eher einen STM32G0*, STM32L0*, STM32U0* oder einen kleinen RiscV verwenden.

Da hatten wir festgestellt, daß die kleinen STM32 bzw. Cortex M0 nicht genug AD Eingänge haben. Bei Texas sieht das natürlich wieder anders als bei ST aus. Die haben die MSPM0L13 explizit als AD Subsystem mit 10 Analogeingängen.

Die Übertragungsraten der SPI/I2C sind zwar gering, die Flanken aber trotzdem steil weil die gleichen Bausteine je nach Initialsiiserung auch schnell können.

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Mit einem STM32G030 binde ich auf meinem IO-Extender fürs BMS 12 zusätzliche Temperatursensoren an.

Bei I2C kann man die rising-edge über die PUs einstellen. Die Treiberstärke der GPIOs kann man bei modernen MCUs zudem in der Regel konfigurieren. Notfalls muss man einen Serienwiderstand ergänzen. Daran wird es nicht scheitern.

Mit I2C habe ich schon über mehrere Meter gearbeitet. Die ~10 ns Signallaufzeit pro Meter sind bei 100 kBit/s überhaupt kein Drama

Hast du da schon was gemacht? Das Teil ist mit 16 AD ok, hatte ich nicht auf dem Schirm. Braucht man eben das große 32 oder 48pin Gehäuse.

Meine Pleite mit SPI war ein älterer ATMega. Die SPI konnte man zwischen 1Mhz und 10Mhz umstellen, die Flankensteilheit gar nicht. Waren 25 Teilnehmer mit wired or Dioden auf einem halben Meter verteilt. Widerstände haben die Sache wegen dem Fan-Out verschlechtert. Wurde erst mit 74LVC32 als Treiber so zuverlässig daß die Geräte 24/7 ohne Ausfall liefen.

Die HW gibt es schon seit vielen Monaten:

@cj0 ist der erste, der daran hier Interesse gezeigt hat. Deswegen werde ich das in den nächsten Wochen mal in Betrieb nehmen. Da ich den STM32G030 schon in verschiedenen Projekten als "programmierbaren ADC" verwende, erwarte ich da keine größeren Schwierigkeiten.

Ich hatte übrigens eher an 2 MCUs, je einen für den rechten und linken 8ter-Block gedacht.

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Super, man könnte auch gleich 4 nehmen damit die Leiterplattenlänge auf 4s begrenzt bleibt. Dafür reicht dann auch die kleine Gehäusebauform.

Große Schwierigkeiten bei der FW bleiben natürlich aus. Die AD programiere ich immer per DMA. Wenn es nicht auf die letzte uSec ankommt, braucht man den Wert dann nur wie in einer Variable abholen. Kein Ärger mit Interrupts, auch sonst nix zu tun weil allles per HW im Hintergrund abläuft.

Diesen Aufteilung in links 8 und rechts 8 passt auch gut für mein 4×4 Zellanordnung.

Hoffe das ein Relais dabei bleibt (zur Aktivierung eines externen Neey 4A Balancers bei SoC < 30% und > 3,42V).