DIY LiFePo4 Balancer

BMS for Lithium Batteries

Many lithium battery packs never reach their potential lifespan because of the lack of a Battery Management System, or more often a very bad one. A good BMS needs to control every single cell and protect them from being either over-charged or deep discharged (See table on page 32). A good BMS also has also a short circuit protection, and limits the output current to the amount needed for its purpouse.

The most common cause of death with lithium battery packs, and lead acid batteries come to that, is like this: One single cell differs a bit in capacitiy, and during some cycles the distance between it and the other cells gets increasingly bigger. Soon this single cell will be either deep discharged (very typical with lead acid batteries) or overcharged (more common with lithium batteries). Lithium cells cannot stand one single overcharge, they blow up and loose their capacity, so it is essential to protect them from that.

Therefore so-called 'balancers', are fixed to every single cell to take away some of the incomming charging current in order to keep the tension under the limit. When they reach the critical tension they suck a definite ammount of current away, depending on the resistance of the built-in high power resistor. They have to be well adapted to the charger current because if the charger gives much more than the resistors in the balancer can take away the cells will be overcharged.

The big transistor and the high power resistor will get hot, so it's a good idea to include them in the charger unit, where they can be cooled, e.g. with a fan, much more easily than inside the battery pack. Therefore you need to have access to every single cell connection inside the battery. The cables don´t need to be very thick, and so they can be combined in a multi plug for connecting with the charger.

Another regulator inside this external charger controls the tension of all the cells together and switches the charger off when the battery pack has reached its maximum tension. Only the deep discharging regulator always needs to be inside the battery pack, in order to switch off the output when the minimun tension is reached.

It's easy to make a balancer at home with a zener diode. The circuit needs only 0.1mA in stand-by, and takes 600mA with a 2.2Ohm resistor. You can adjust the working point over the poty very precisely, to 0.01V, between 3.4V and 4.2V. A 220Ohm resistor gives a small hysteresis of 0,03V to prevent too much flickering. The LED shows when the maximum tension is reached. A BD535, or any other suitable NPN, and a big 2.2Ohm resistor might need to be cooled with a heat sink.

Here you see a set of 4 balancers connected together in series. The more cells you have in a battery pack, the more balancers you need.

16 Balancers for a 48V battery pack of an E-Bike

You can charge it all up with a solar panel, it works very well with one panel on packs of 3 or 4 lithium cells. For 36V batteries use 3 solarpanels, and for 48V you need 4 solarpanels. See other post for more details.

48V-discharge protection:

A discharge controller is the last link in the lithium monitoring. It prevents that the battery can´t be discharged too far. Reaching the minimum voltage it simply switches off the consumers. Professional BMS are monitoring each individual cell. But with a still good battery is usually sufficient enough to do a simply voltage-controlled shutdown of the entire battery. Because of the lack of space the circuit here works with multiple Mosfet`s in parallel connection, so they should not get too hot even with a very small heatsink.

The capacitor buffers false cutt offs at peaks, if its still doing it, (often with old batteries) set the tension even a bit lower. There will be still no damage on the cells.

LiFePo4 direct charging from solarpanels

How to recharge LiFePo4 batteries

directly with solar power

Be mobile with pure sunpower:

Electric mobility could be much more eficient if we do not have to reload the LiFePo4 batteries from the grid. Of course it is possible to do it with a solar system, too. The usual way to reacharge these new lithium-bike-batteries with a solar system, is like this: First charge a big 12V buffer battery, then transforme it up with an inverter from 12V to 230V, only to be transformed then back down to 36V or 48V by the lithium-battery-charger.
That is very awkward and complicate, and in each step are many unnecessary losses. Why this? During charging a lead-acid battery has an efficiency of max.80%, a good sinewave inverter creates a maximum of 90%, rectangle inverters only about 70%, most recently comes the lithium-charger with about 75% efficiency, which usually has to be cooled by a fan. So we end up losing summarizes the half of the solar energy through all of these procedures. But there is now another completely different way to do it!

And this is how to do it:

It's unbelieveable simple, and basically really easy! We need three solar panels in series (60V) for a 36V battery, and 4 panels (80V) for a 48V battery. Please make sure that all solar panels have about the same power and not only one can be shaded during the charging. The max. current of the panels should be appropriate for the lithium-battery-pack. For small batteries up to 7Ah better use only 50W panels with 2.5 A. Larger batteries with e.g. 20Ah can tolerate more, e.g.: 90W panels, which are charging with 4.5A.

But even this small portable and foldable solar charging system can be very handy.

With four small 20W solarpanels in series you can charge up a 48V/10Ah-Battery with 16 LiFePo4-Cells at only one good sunny day.

With 4 change-over switches and an extra regulator you can change the system into a 12V charger for LiFePo4-Batteries with 4 cells.

In a controller box on the back of the modules you find the 12V to 48V switches, two sets of regulators with their heavy-duty resistors. And a set of 4 balancers for 12V-LiFePo4-Batteries.

Without a controller you only would kill your batteries:

We have to have a regulator that is able to do two things. It has to disconnect the solar panels safely from the lithium-battery when it reaches the maximum charging voltage. But that's not enough. In order for the inbuilt balancers to do their job, the charging current should be limited to 500mA about 1V before reaching the maximum tension.
The circuit here has been developed especially for a very simple replica. The components you can get for very little money, even most of them can be recycled from old electronic scrap. The circuit is designed for 48V batteries, but is pretty easy to modify for 36V batteries by the use of a 39V Zener diode instead.

More about the circuit:

The left part of the circuit we need to make two times. One for Relay 1, which controlls the max. tension of 58.4 V. For further safety precaution, we stop the charging at 57.5V. Thats 0.9 V before the maximum.

A high voltage Schottky diode prevents an accidental reverse current at night, just in case you have forgotten to disconnect the battery from the charger.

The second circuit including relay 2 to opens up the charge current at 56.5 V, so that only 0.5 A can flow through the big 40 Ohm power resistor. So the balancer can do their work and balance all the cells in the battery well, without being overwhelmed by a big charging current, which would overload individual cells.

TIP: For old or heavily used battery-packs it is recommended to make this current brake even a little earlier (e.g. at 55.5 V), which takes a little longer then to be fully recharged. With even a suspicion of bad balanced cells (rather sudden loss of capacity to early shutdown while driving, or too short charging times after a empty battery), it is very helpful to put all the cell connections in the battery-pack outside with thin wires and a multi plug. In order to check the individual cell voltages during the charging. And if the BMS inside is optionally overwhelmed or broken, the cells can be charged or discharged manually.

The 0.22 uF capacitors prevent sparking at the relay contacts and increase the life span. The LEDs indicate the switching status and here you can see if the battery is shortly before finished its charging or completely finished.

The 150K ohm resistor generates a hysteresis of about 3V, so once cut off, the charger does not switch back. On the 5K ohm potentiometer the maximum voltage can be adjusted with a range of 53V to 60V. The 220uF and the 22μF prevent a flickering of the circuit. Please only use high voltage capacitors (63V) and transistors (80V e.g.: BC546 and BD139). The 12V relay, here with 290 ohms resistance can also be operated on 48V with a 7W strong 1K ohm resistor. The diode to the relay coil prevents hazardous high voltage surges for the circuit.

Here are these two circuits with a Schottky diode and a big 40 ohm power resistor together with 16 self-made-balancers (see my blog: www.Lithium-Balancer.blogspot.com) housed in a Aluminum box for cooling. A selfmade volt and ampere meter gives information about the sunlight and the charging status.

The circuit operates with ±0.05V super accurate. Its very sensitive to dust and moisture. Temperature fluctuations can alter the switching voltages slightly, but with 1 volt safety to the maximum rated voltage its not dangerous. I wish you much fun and happy driving with the pure energy of the sun!

For further questions please ask me at: solarmichel@hotmail.com

Deutsch

Selbstbau BMS für Lithium Batterien:

Viele dieser modernen Lithium-Batterie-Packs erreichen niemals ihre mögliche Lebenszeit wegen schlechter, schadhafter oder ganz fehlender BMS-Systeme. Ein gutes professionelles BMS ist leider oft zu teuer. Es kontrolliert im Idealfall jede einzelne Zelle und schützt sie vor Überladung und Tiefentladung.

Der übliche Batterietod bei Lithium-Batterie-Packs ist sehr ähnlich wie bei den Blei-Säure-Batterien: Eine einzelne Zelle verliert zuerst etwas an ihrer Kapazität durch den natürlichen Alterungsprozess. Während einiger Lade-Zyklen wird der Abstand zu den anderen Zellen exponentiell immer größer. Schon bald wird diese eine Zelle entweder tiefentladen (typisch für Blei-Säure-Batterien) oder überladen (ganz häufig bei Lithium-Batterien). Lithium Batterien überleben nicht mal eine einzige Überladung. Sie blähen sich auf und verlieren dann fasst ihre gesamte Kapazität.

Lithium Zellen müssen also immer gut vor Überladung geschützt werden. Dafür werden sogenannte „Balancer“ an jede einzelne Zelle angeschlossen. Wenn die kritische Zellspannung erreicht wird, verbraten sie einen Teil des Ladestroms, um die betreffende Zelle immer unter der kritischen Spannung zu halten. Die Balancer müssen gut an das Ladegerät angepasst werden, denn wenn das Ladegerät mehr Strom liefert wie die Balancer wegschaffen können, werden die Zellen trotzdem überladen.

Der große Transistor im Balancer wird dabei warm und muss gekühlt werden. Dafür macht es Sinn alle Balancer eher im Ladegerät zu integrieren als im Akku-Gehäuse, wo sie leichter gekühlt werden können. Dafür brauchen wir dann aber einen Zugang zu jeder einzelnen Zellverbindung im Akku-Pack. Die Kabel dafür können recht dünn sein, und so können wir sie alle am einfachsten in einem kleinen Multi-Stecker kombinieren.

Diese einfachen Balancer funktionieren mit Zehner Dioden und können recht einfach nachgebaut werden. Die Schaltung benötigt nur 0,1mA im Stand-By Modus und verbrät bei LiFePo4 (3,65V) etwa 800mA mit dem 47Ohm Widerstand vor der LED. Mit diesen Widerstand können wir den Entnahmestrom leicht anpassen. Der Arbeitspunkt lässt sich mit dem 10K Poti sehr exakt zwischen 3,4V und 4,2V einstellen. Zehner Dioden sind nicht wirklich Temperatur-Konstant, darum lieber immer etwa 0,1V unter der Maximalspannung bleiben. Der 220Ohm Widerstand gibt eine kleine Hysterese von 0,02V um ein zu starkes Flackern der Schaltung zu bremsen. Die LED blinkt zuerst und leuchtet voll wenn die Maximalspannung erreicht wird. Nicht vergessen, der BD535 (NPN-Transistor) muss gut gekühlt werden.

Hier seht ihr 4 Balancer zusammen in Reihenschaltung. Je mehr Zellen der Akku-Pack hat, desto mehr Balancer brauchen wir.

In diesem separaten und ansteckbaren BMS sind 16 einzelne selbstbau Balancer untergebracht. Über einen selber eingebauten Multistecker wird das BMS mit einem LiFePo4 E-Bike-Akku mit 48V verbunden. Die Balancer überwachen beim Laden über das normale Ladegerät jede einzelne Zelle und nehmen beim erreichen der Ladeendspannung von 3,65V etwa 750mA aus der jeweiligen Zelle heraus. Das reicht aus um den schwachen Zellen noch ein paar Minuten Zeit zu geben bis auch sie richtig voll geworden sind. Nach einigen Ladungen gleichen sich die Zellen aber immer mehr untereinander an, was die Lebensdauer des Akkus entscheidend verbessert. Die Balancer müssen also nicht beim Fahren mitgenommen werden, was Platz und Gewicht spart. Je nach Akku-Zustand reicht es oft auch so eine Ausbalanzierung immer nur nach ein paar normal aufgeladenen Ladenzyklen auszuführen.

Ein Überlade-Regler im Ladegerät überwacht normalerweise die Gesamtspannung des Akku-Packs und schaltet das Ladegerät ab wenn die maximale Ladespannung erreicht ist. Nur ein Tiefentladeschutz muss noch im Akku-Pack eingebaut werden. Das Spart Platz und Gewicht.
 

48V- Tiefentladeschutz:

Ein Tiefentladeschutz ist das letzte Glied in der Lithium-Überwachung. Er verhindert dass der Akku zu weit entladen werden kann. Er schaltet die Verbraucher bei Erreichen der Minimalspannung einfach ab. Professionelle BMS überwachen dabei auch jede einzelne Zelle. Doch bei noch guten Akkus genügt in der Regel einfach eine spannungsgeführte Abschaltung des gesamten Akkus. 

Die Schaltung hier arbeitet mit mehreren Mosfets in Paralellschaltung, damit diese wegen des (aus Platzgründen) sehr kleinen Kühlkörpers nicht zu warm werden. Um versehentliche Abschaltungen bei Stromspitzen zu verhindern puffert ein großer Kondensator die Spannung an der ersten Basis. Wenn das nicht ausreicht kann die Abschaltspannung noch weiter runter gesetzt werden, denn die wirklich kritische Spannung, die zur Zerstörung der LiFePo4-Akkus führt liegt sehr tief.

Selbstbau Lithium Lader:

Wenn wir einen einfachen Spannungsverdoppler (z.B. mit einem TDA2003) mit den Balancern und einem Laderegler verbinden, haben wir einen guten Lithium Lader für Akku-Packs von 3 bis 4 Zellen.

In diesem Schaltbild sind alle 3 Komponenten auf einer einzigen Platine untergebracht. Ganz ober der Spannungs-Verdoppler von 12 auf 24V, der einen Ladestrom von etwa 1,5A schafft. Darunter der Überlade-Regler.

Abhängig von der Anzahl der Zellen des Akku-Packs weren 3 oder 4 Balancer unten in Reihenschaltung hinzugefügt. Dabei sind Minus und Plus der Balancer miteinander verbunden, genau wie auch die Lithium Zellen im Akku-Pack. Mit einem Multi-Stecker werden dann alle Zell-Verbindungen mit den Balancern verbunden. Die gepunkteten Linien sind die Verbindungen auf der Rückseite der Platine. Doppel- Linien sind Kabelbrücken.

Ja nach Lithium-Zell-Typ muss die Maximalspannung der Balancer exakt eingestellt werden. Bei LiFePo4 auf 3,65V, bei LiMnO2 auf 4,1V, bei Li-Ion auf 4,2V. Die LED der Balacer wird bei Erreichen der Maximalspannung zuerst anfangen zu blinken und nach einer Weile durchgehend leuchten.

Im Idealfall sollte der Überlade-Regler des Ladegerätes den Ladestrom vom Spannungsverdoppler spätestens abschalten, wenn alle Balancer aufleuchten. Doch das klappt eigentlich nur, wenn die Zellen schon gut ausbalanciert sind. Sind sie es nicht, leuchten beim Ende des Ladevorgangs nur einer oder ein paar Balancer auf. 
In solchen Fällen bitte immer nachmessen damit die betreffende Zelle dann doch nicht überladen wird. Zur Not kann man eine Zelle manuell mit einem 2,4Ohm Hochlastwiderstand während des Ladevorgangs zusätzlich entladen, damit die anderen Zellen Zeit haben nachzukommen.

Meistens gleichen die Balancer aber mit nur ein paar wenigen Ladezyklen alle Zellen schön aneinander an und verlängern die Lebensdauer der Akku-Packs ganz enorm.

Alle Transistoren müssen, gut voneinander isoliert, mit einem Kühlkörper gekühlt werden. Am besten eignet sich hier das Gehäuse eines kaputten Spannungswandlers.

Sehr praktisch ist eine Lüsterklemmen-Leiste mit allen Anschlüssen der Zell-Verbindungen für die Feineinstellung und zum einfachen nachmessen mit einem Multimeter.

Der Spannungsverdoppler, Überlade-Regler und 4 Balancer auf einer Platine.

Lithium-Batterie-Pack mit verpolungssicherem Schweizer-Stecker und kleinem 3-Pol Dioden-Stecker (alte Audio-oder MIDI-Stecker-System) für die Zellverbindungen. Ladegerät in einem alten Spannungswandler-Gehäuse mit außenliegender Lüsterklemm-Leiste und LEDs zum einfachen Nachmessen mit einem Multimeter.

Das Schaltgehäuse eines Solar-Direkt Ladesystems für 48V-LiFePo4´s, darin befinden sich 4 fette Umschalter, die auch eine Verwendung der Solarpaneele im 12V-Betrieb ermöglichen. Ein 2-Stufen Regler der nahe der Ladeendsspannung mit Hochlaswiderständen den Modulstrom auf 600mA begrenzt, damit die eingebauten Balancer vernünftig arbeiten können. Die zweite Stufe schaltet das Modul dann komplett ab. Eine Schottky Diode verhindert Rückströme bei Nacht.

Ein LiFePo4 Batterie-Pack mit 4 Zellen (min. 12,0V, normal 12.8V, max.14,6V) kann also faßt genauso wie eine 12V Blei-Säure-Batterie geladen und entladen werden. Sie sind deswegen für die Verwendung in Solar-Anlagen besonders interessant.

Hier ein selbstgemachter Lithium-Batterie-Pack mit 8Ah für einen Akkuschrauber. Damit kann man einen ganzen Tag lang arbeiten ohne nachzuladen. Aber der Akkuschrauber wird dadurch natürlich etwas schwerer.

Der Akkupack hat einen Tiefentladeschutz mit im Gehäuse integriert und kann so auch für alle anderen 12V-Verbraucher als Mobile Batterie eingesetzt werden.