Analyse des 18650 Lithium-Ion Battery Shield V3

Heute soll es um das 18650 Battery Shield V3 gehen, mit den ich ein kleines Problem gehabt habe. Beziehungsweise gedacht habe, zu haben. Aber eins nach dem anderen...



Was ist das 18650 Battery Shield?

Das 18650 Battery Shield V3 ist ein spezielles Modul, das verwendet wird, um einen 18650-Lithium-Ionen-Akku in einen tragbaren Stromversorgungsadapter für Elektronikprojekte umzuwandeln. Es ist besonders nützlich für DIY-Projekte, bei denen eine tragbare Stromversorgung benötigt wird.

Das 18650 Battery Shield V3 ist einfach zu verwenden und erfordert normalerweise keine Lötarbeiten. Es kann verwendet werden, um eigenen tragbare Elektronikprojekte zu entwickeln.

Das 18650 Battery Shield schaltet sich auch nicht automatisch ab, wie es viele Powerbanks tun, wenn nur ein kleiner Strom fließt. Es ist darum gut geeignet, seine Mikrocontroller-Projekte mit Arduino, STM32, ESP8266/ESP32 etc. mit Strom zu versorgen, und das auch ohne Powerbank-Wächter. Das Modul ist mit einem Lade- und Entladeschutz ausgestattet, der den Akku vor Überladung und Überentladung schützt. Es verfügt auch über einen USB-Anschluss, der es ermöglicht, Mikrocontroller mit Spannung zu versorgen oder andere elektronische Geräte aufzuladen. Damit erfüllt es alle Aufgaben einer Powerbank.

Zudem liefert es nicht nur die gewohnten 5 Volt über USB wie eine Powerbank, sondern man kann auch jeweils 3 Header (0.1 Zoll Abstand) auf der Platine einlöten für 5 Volt und 3.3 Volt und dort dann direkt die Spannung abgreifen, die man für die üblichen Mikrocontroller benötigt.

Das vermutete Problem

Das Modul hat oben links einen kleinen Schiebeschalter, der mit ON / OFF bezeichnet ist. Da habe ich natürlich vermutet, dass der komplett den Adapter abschaltet.

Dem ist aber nicht so. Der Schalter schaltet lediglich den USB-Port ab, was man leicht erkennen kann, wenn man auf der Rückseite der Platine der Leiterbahn des Schalters folgt. Diese geht direkt zum Pluspol des USB-Ports.

Das war mir zufällig aufgefallen, als ich die 3.3V und 5V Header durchgemessen habe, als das Shield "ausgeschaltet" war. Dort lagen nämlich trotzdem 5V bzw. 3.3V an. Das heißt, dass das Shield die ganze Zeit die Spannung wandelt, auch wenn es vermeintlich "ausgeschaltet" ist.

Spannungswandlung kann natürlich niemals ohne Verlust geschehen. Wenn trotzdem die ganze Zeit die Spannung gewandelt wird, liegt die Vermutung nahe, dass das den 18650 Akku mit der Zeit leerlutscht, womöglich schneller, als einem lieb ist und der Akku dann leer ist, bevor man für seine eigentlich bestimmte Anwendung Strom entnehmen kann.

Die Problemlösungs-Idee

Ich war also schon drauf und dran, den Schalter irgendwie umzusetzen, um dem Problem abzuhelfen. Oder einen zweiten Schalter einzuschalten, der das Gerät komplett abschaltet.

Dafür wollte ich einen Schalter direkt nach dem Plus oder Minuspol des Li-Ion-Akkus einsetzen; die Leiterbahn an einer Stelle auftrennen und einen Schalter dazwischensetzen.

Dummerweise sind die Lötfahnen der Batteriepole auch gleichzeitig die einzige Befestigung des Batteriehalters. Hier etwas aufzutrennen, würde auch den Batteriehalter destabilisieren. Und die 18650er gehen eh schon schwer aus dem Halter raus und man muss schon etwas Kraft aufwenden, um sie zu entnehmen. Hier eine Schwachstelle in der Befestigung "einzubauen" ist darum keine gute Idee.

Man müsste also erstmal die Stromleitungen näher analysieren und schauen, wohin die Batteriepole weiter verlaufen und welche Leiterbahn man für einen Schalter unterbrechen müsste.

Erst einmal testen

Doch nicht so schnell mit den jungen Pferden. Testen wir doch erst einmal, wie schlimm der Stromverbrauch bei Nichtgebrauch ist - also wenn nichts im USB-Port eingesteckt ist. Dann ist es auch egal, ob der Schalter auf ON oder OFF steht.

Bei Lithium-Ionen Akkus der Bauart 18650 kann man die noch vorhandene Kapazität direkt an der Spannung ablesen, die die Zelle liefert. Diese wird bei Stromentnahme mit der Zeit immer niedriger. Bei ca. 2.7 Volt sollte man die Stromentnahme dann stoppen, um die Zelle nicht tief zu entladen und damit zu schädigen. Geladen wird sie dann mit 4.2 Volt mit am besten um die 500 mA. Das ist am schonensten. Es geht aber auch mehr. Voll geladen liefert der Akku dann auch 4.2 Volt. Dann sinkt die Spannung mit fallender Kapazität langsam wieder.

Also habe ich einfach mal einen 18650er in das Shield eingelegt und eine Stunde gewartet, wie sehr sich die Spannung verringert. Das war dann aber so wenig, dass es nicht weiter messbar war. Also ließ ich den Akku nochmal eine Stunde im Shield. Wieder war die Spannung nicht messbar geringer. Darum ließ ich den Akku gleich mal bis zum nächsten Morgen drin und habe dann erneut gemessen:
Spannung Datum, Zeit Dauer vergangen 4.090 V Mo, 16:23 4.090 V 17:36 1h 13m 4.090 V 18:38 2h 15m 4.086 V Di, 10:00 15h 22m

Nach 15 Stunden und 22 Minuten war die Spannungsverringerung also gerade mal 0.004 Volt. Das sind rund 5 Millivolt pro Tag. Das ist ja nun wirklich nicht so schlimm. Mal angenommen der Spanungsverringerungsverlauf wäre linear, dann wäre die Zelle erst nach etwa 300 Tagen mit dem "Nichtstun" entladen (4.2V minus 2.7V gleich 1.5 V gleich 1500 mV durch 5 mV gleich 300 Tage).

Das ist nun wirklich nicht weiter schlimm. Mal sollte den 18650 vielleicht nicht sofort nach dem Laden ins Shield legen, damit er sich nicht unnötig entlädt (bis auf die Selbstentladung), aber ansonsten ist es wohl kein Beinbruch, wenn die Zelle im Shield bleibt, solange sie hin und wieder benutzt wird. Und Aufladen kann man sie ja dann auch direkt im Shield.

Grob-Analyse der Schaltung

Die Schaltung ansich "verbraucht" also weit weniger Strom beim Idlen (Nichtstun) als befürchtet. Unter diesen Bedingungen müssen wir über einen Schalter gar nicht erst weiter nachdenken, das kann so bleiben, wie es ist.

Nichtsdestotrotz sind wir natürlich neugierig und schauen uns mal an, was da so auf dem Shield verbaut ist. Als wichtigere Komponenten machen ich aus:
Chip-Bezeichnung Platz auf Platine Beschreibung FP 6298 U7 DC-DC Step Up Converter TP 4056 U2 Li-Ion Charger 8205A U9 N-Channel MOSFET 3x662K U4...U6 3.3V Voltage Regulator
Zu allen Komponenten gibt es natürlich DataSheets. Schauen wir uns die Eigenschaften der Chip einmal genauer an und achten wir dabei auf den Stromverbrauch im Idle.

FP6298 DC-DC Step Up Converter von Feeling Technology

Zitat aus dem Datasheet:
The FP6298 is a current mode boost DC-DC converter. It is PWM circuitry with built-in 0.08Ω power MOSFET make this regulator highly power efficient. The internal compensation network also minimizes as much as 6 external component counts. The non-inverting input of error amplifier connects to a 0.6V precision reference voltage and internal soft-start function can reduce the inrush current. The FP6298 is available in the SOP-8L(EP) package and provides space-saving PCB for the application fields.

Features
> Adjustable Output up to 9V
> Internal Fixed PWM frequency: 500KHz
> Precision Feedback Reference Voltage: 0.6V (±2%)
> Internal 0.080, 4.5A, 12V Power MOSFET
> Shutdown Current: 0.1 pA
> Over Temperature Protection
> Over Voltage Protection
> Adjustable Over Current Protection: 0.5A - 4.5A
> Package: SOP-8L(EP)
> Supply Voltage: 2.6...5.5V
> Switching frequency: 500 kHz
Das der Spannungswandler besonders stromeffizient arbeitet, liest man natürlich gerne. Das er nicht nur bis 5V, sondern bis bis 9V Output kann, ist für unseren Anwendungsfall jetzt nicht so interessant, aber vielleicht im Allgemeinen.

Außerdem erfahren wir noch, wie man die Ausgangsspannung mittels Spannungsteiler-Schaltung einstellt:



Auf dem Shield entsprechend R1 und R2 den SMD-Widerständen R7 und R6, die mit 103 und 84C beschriftet sind. 103 ist klar: "10" mit 3 zusätzlichen Nullen, also 10'000 Ohm. Nur, was soll 84C bedeuten? Hier hilft uns die Tabelle unter kiloohm.info weiter, die die Beschriftungen nach EIA-96 Standard kennt. "84C" steht demnach für 73'200 Ohm.

In die Gleichung eingesetzt ergibt das 0.6V * (1 + 10000/73200), also 4.992 Volt. Was so ziemlich genau den anvisierten 5 Volt für den USB-Port entspricht.

Auf beiden meinen 18650 Shields sind die beiden selben Widerstände und der selbe FP6298 verbaut. Trotzdem liefert das eine 4.95V und das andere Board nur 4.75V. Da sind die Toleranzen der Widerstände wohl nicht so toll. Wenn es zu störend werden sollte, müssten die Widerstände ausgelötet, nachgemessen und einer oder auch beide ersetzt werden, um eher an die 5 Volt zu kommen.

TP4056 Li-Ion Charger von NanJing Top Power ASIC Corp.

Zitat aus dem Datasheet:
The TP4056 is a complete constant-current/constant-voltage linear charger for single cell lithium-ion batteries. Its SOP package and low external component count make the TP4056 ideally suited for portable applications. Furthermore, the TP4056 can work within USB and wall adapter.
No blocking diode is required due to the internal PMOSFET architecture and have prevent to negative Charge Current Circuit. Thermal feedback regulates the charge current to limit the die temperature during high power operation or high ambient temperature. The charge voltage is fixed at 4.2V, and the charge current can be programmed externally with a single resistor. The TP4056 automatically terminates the charge cycle when the charge current drops to 1/10th the programmed value after the final float voltage is reached.
TP4056 Other features include current monitor, under voltage lockout, automatic recharge and two status pin to indicate charge termination and the presence of an input voltage.

FEATURES
· Programmable Charge Current Up to 1000mA
·No MOSFET, Sense Resistor or Blocking Diode Required
· Complete Linear Charger in SOP-8 Package for Single Cell Lithium-Ion Batteries
·Constant-Current/Constant-Voltage
·Charges Single Cell Li-Ion Batteries Directly from USB Port
·Preset 4.2V Charge Voltage with 1.5% Accuracy
·Automatic Recharge
·two Charge Status Output Pins
·C/10 Charge Termination
·2.9V Trickle Charge Threshold (TP4056)
·Soft-Start Limits Inrush Current
·Available Radiator in 8-Lead SOP Package, the Radiator need connect GND or impending

Input Supply Voltage(VCC): 4.0...8.0V
Okay, dies ist also der TP4056 Chip, der unseren 18650 Akku lädt, wenn wir das Micro-USB-Kabel einstecken. Der Ladestrom ist einstellbar bis 1000 mA. Außerdem kann man an zwei Pins LEDs anschließen, um den Ladestatus anzuzeigen.

Aber wir wollten uns ja auf den Stromverbrauch konzentrieren. Hier finden dazu folgenden Eintrag im Datenblatt:



Wenn wir nicht laden, also keine Spannung am Micro-USB-Port anliegt, dann ist VCC natürlich kleiner VBAT und der Chip braucht um die 55 µA. Das ist wohl vernachlässigbar.

Im Datenblatt wird dann auch das Geheimnis, was die LED anzeigen sollen, gelöst:



Das bedeutet übersetzt: Es ist darauf zu achten, erst die 18650 Zelle (natürlich richtig herum) einzulegen und dann das Ladekabel anzuschließen. Auf das + auf der Platine achten. Falsche Polarität kann das Shield zerstören.

Die Zelle wird dann mit max. 580 mA geladen, was durch den 2 kΩ-Widerstand auf R2 eingestellt wurde.

Hier die Tabelle aus dem Datenblatt für diejenigen, die den Widerstand vielleicht austauschen und das Laden dadurch schneller machen wollen:



Wie aber bereits erwähnt, ist ein Ladestrom um die 500 mA besonders akkuschonend. 1 Ampere mit R2=1.2 kΩ ist sicher auch noch okay, aber evtl. hält der Akku dann nicht ganz so viele Ladezyklen durch.

8205A N-Channel MOSFET

Der auf dem Board verbaute TP4056 Li-Ion Charger sorgt schon dafür, dass die Zelle mit der richtigen Spannung und dem richtigen Strom geladen wird und nicht überladen wird (Grenze 4.2V). Allerdings fehlt noch ein Schutz gegen das Tiefentladen des Akkus. Man sollte Li-Ion-Akkus nämlich nicht komplett leersaugen, weil sie sonst kaputt gehen können bzw. nicht mehr so lange halten. Bei ca. 2.7 Volt sollte man dem Akku keinen weiteren Strom mehr entnehmen, damit er lange lebt.

Dazu dient der 8205A MOSFET. Hier ein Auszug aus dem Datenblatt:
The 8205A uses advanced trench technology to provide excellent RDS(ON), low gate charge and operation with gate voltages as low as 2.5V. This device is suitable for use as a Battery protection or in other Switching application.

General Features
- V DS = 19.5V,I D = 6A
R DS(ON) < 37m? @ V GS =2.5V
R DS(ON) < 27m? @ V GS =4.5V
- High Power and current handing capability
- Lead free product is acquired
- Surface Mount Package
Der 8205A-MOSFET trennt die elektrische Verbindung zwischen Zelle und Output (USB-Port), falls sich die Werte der Schaltung aus einem vorgegebenen Rahmen heraus bewegen. Ist die Spannung des Akkus zu niedrig, wird der MOSFET komplett abgeschaltet und so der Akku gegen weitere Entladung geschützt.

3x662K 3.3V Voltage Regulator

Als letzte interessante Teile bleiben noch die drei kleinen dreipoligen Chip mit der Aufschrift 662K auf den Plätzen U4 bis U6.

Die günstigen und häufig anzutreffenden Gesellen liefern kostante 3.3V und dienen der Versorgung der entsprechenden 3 Header-Plätze mit der richtigen Spannung.

Den genauen Hersteller auszumachen ist nicht ganz einfach, aber normalerweise haben diese kleinen Chip einen geringen Verbrauch von nur einem Mikroampere und können deshalb in unseren Stromverbrauchs-Überlegungen außen vor gelassen werden.

Bewertung des Shields

Das 18650 Battery Shield V3 ist vielleicht nicht perfekt, trotzdem wurde bei der Auswahl der Komponenten darauf geachtet, dass diese stromsparend sind. Das Preis/Leistungsverhältnis der normalerweise günstig zu bekommenden Shields ist also in Ordnung.

Das Shield ist multifunktionell und dabei kompakt. Es liefert 3.3V und 5V und hat einen USB-A-Port als Ausgang. Außerdem einen Micro-USB-Eingang zum Laden der Akku-Zelle.

Der ON/OFF-Schalter ist irritierend, da er nur den USB-Port abschaltet, aber die sonstigen Spannungsabgriffe an lässt. Der daraus resultierende, überflüssige Stromverbrauch ist aber gering. Trotzdem empfiehlt es sich, den Akku zu entnehmen, braucht man das Shield längere Zeit nicht.

Das die Lade-Status-LEDs auf der Rückseite sind, ist nicht ganz so glücklich. Die kleinen Genossen hätten man sicher auch noch irgendwo auf der Vorderseite unterbringen können.

Wie gesagt: nicht perfekt, aber durchaus brauchbar.

3D gedruckter Bumper


Wer über einen eigenen 3D-Drucker verfügt, der ist vielleicht an dem Bumper interessiert, den ich designt habe.

Ausgedruckt hat man ein flaches Gehäuse, in das man das 18650 Battery Shield V3 einfach nur hineindrücken muss, damit es hält. Sollte es nicht gut genug halten, hilft wie so oft ein bisschen Klebeknete aus, damit es drin bleibt.

Der Bumper schützt die Schreibtischoberfläche vor Kratzern durchs Shield und gleichzeitg das Shield vor einem Kurzschluss von etwaig herumliegenden Kabeln und dergleichen.

Auf der Unterseite gibt es an der richtigen Stelle ein Guckloch für die Lade-LEDs, um mitzubekommen, wie weit die Ladung gediegen ist.

Hier kann man die .STL-Datei herunterladen.

Video

Es gibt auch noch eine kleines zusätzliches Video, in denen die Tests dokumentiert sind, falls ihr das schauen möchtet: