Wie funktioniert das Balancing im Thinkpad-Akku?

[ersechzig]

Kann hier jemand sagen, nach welcher Methode das Balancing der einzelnen Akku-Zellen innerhalb von Thinkpad-Akkus vonstatten geht?

Besonders interessiere ich mich für die Methode bei den Akku-Modellen wie sie z.B. im R60 zum Einsatz kommen.

Und machen die Ersatz-Akkus von Dritt-Herstellen beim Balancing etwas anderes als die Original Akkus?


Hintergrund:
Sollte das Balancing z.B. erst so richtig anfangen wenn der Akku nahezu voll gelanden ist, dann wäre der Tipp mit Akkus zwecks Schonung nur zu 80% laden vermutlich sogar kontraproduktiv.

 

[Lokheizer]

Ich finde jetzt das Datenblatt des in einem T60/T61 verbauten Akkucontrollers nicht mehr, aber wenn ich mich richtig erinnere hing der per I2C an einem Balancer, welcher eine Art "Live-Balancing" konnte. Nachdem die Akkupacks selbst bei einer Volladung nach zwei Monaten pendeln zwischen 30 und 80% nicht wirklich warm werden, scheinen die Zellen nicht auseinandergedriftet zu sein. Aber um genaueres zu sagen, müsste wieder mal jemand einen Akku zerlegen - ich hab meine Reste leider bereits entsorgt.

 

[stefan1952]

Hallo,
ich weiß nicht ob du das meinst ?
Schau mal da - Akku Kalibrieren, Rekalibrieren . http://thinkwiki.de/Akku

 

[Lokheizer]

Hallo,
ich weiß nicht ob du das meinst ?
Schau mal da - Akku Kalibrieren, Rekalibrieren . http://thinkwiki.de/Akku

Leider nein, wir sind tiefer in der Materie drin: http://de.wikipedia.org/wiki/Balancer

 

[jal2]

Ich habe hier noch die Platine eines Lenovo Akkus (T6x oder X6x) gefunden, darauf sind 1x bq29330 und 1x bq8030. Ausserdem noch 2x A2721 (8 Beiner) und 1x CEF G61 (8 Pins).
Siehe auch Battery Firmware Hacking von Charlie Miller. Dort kommt zumindest der bq29330 vor.

 

[cuco]

Nachdem die Akkupacks selbst bei einer Volladung nach zwei Monaten pendeln zwischen 30 und 80% nicht wirklich warm werden, scheinen die Zellen nicht auseinandergedriftet zu sein.

Dann wäre auch was ganz böse falsch, wenn beim normalen Laden/Entladen einzelne Zellen merkbar deutlich wärmer werden als andere. Bei Nickel-Zellen (NiCd/NiMH) wird die überflüssige Energie in Wärme umgewandelt, wenn die Zellen voll sind. Ansonsten werden die Zellen nur warm bei großen Strömen durch die Verluste durch den Innenwiderstand. Bei Lithium-Akkus wird dagegen einfach weiter geladen, wenn die Zelle voll ist. Dabei wird sie dann überladen, bis die Zelle irgendwann platzt (irgendwann muss die Energie doch in Wärme gewandelt werden).
Wenn ein Lithium-Akku also - außer durch die Verluste durch den Innenwiderstand - warm wird, läuft da was gehörig falsch. Einfach so warm werden darf er also nicht. Abgesehen davon müsste der Balancer dann ja irgendwann doch eingreifen, wenn die Zellen die Maximalwerte überschreiben oder Abschalten, wenn die Minimalwerte unterschritten werden.

Die meisten Balancer, die ich kenne, arbeiten aber im Ladebetrieb dauerhaft und gleichen dauerhaft an, nicht erst wenn die Zelle am Maximum ankommt. Das ermöglicht höhere Ladeströme und geringere Balancerströme.
Wenn kein Lader dran ist, wird im Normalfall nicht angeglichen, aber natürlich jede Einzelzelle auf Unterspannung überwacht.

Im Detail kenne ich jetzt die Lenovo Akkucontroller aber nicht.

 

[Lokheizer]

Dann wäre auch was ganz böse falsch, wenn beim normalen Laden/Entladen einzelne Zellen merkbar deutlich wärmer werden als andere. Bei Nickel-Zellen (NiCd/NiMH) wird die überflüssige Energie in Wärme umgewandelt, wenn die Zellen voll sind. Ansonsten werden die Zellen nur warm bei großen Strömen durch die Verluste durch den Innenwiderstand. Bei Lithium-Akkus wird dagegen einfach weiter geladen, wenn die Zelle voll ist. Dabei wird sie dann überladen, bis die Zelle irgendwann platzt (irgendwann muss die Energie doch in Wärme gewandelt werden).
Wenn ein Lithium-Akku also - außer durch die Verluste durch den Innenwiderstand - warm wird, läuft da was gehörig falsch. Einfach so warm werden darf er also nicht. Abgesehen davon müsste der Balancer dann ja irgendwann doch eingreifen, wenn die Zellen die Maximalwerte überschreiben oder Abschalten, wenn die Minimalwerte unterschritten werden.

Die meisten Balancer, die ich kenne, arbeiten aber im Ladebetrieb dauerhaft und gleichen dauerhaft an, nicht erst wenn die Zelle am Maximum ankommt. Das ermöglicht höhere Ladeströme und geringere Balancerströme.
Wenn kein Lader dran ist, wird im Normalfall nicht angeglichen, aber natürlich jede Einzelzelle auf Unterspannung überwacht.

Im Detail kenne ich jetzt die Lenovo Akkucontroller aber nicht.

Ich meine damit auch nicht die Erwärmung der Zellen, sondern eine etwaige Erwärmung der einzelnen Balancer welche sich bei hoher Balancertätigkeit durchaus durch ein wärmeres Akkupack bemerkbar machen können. Dies ist aber bei Thinkpads nicht der Fall.

 

[ersechzig]

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq29330.pdf


"Cell balancing of each cell can be performed via a cell bypass path integrated into the bq29330, which can be
enabled via the internal control register accessible via the I 2 C-compatible interface. The maximum bypass current
is set via an external series resistor and internal FET on resistance (typ. 400 Ω)."

Könnte man daraus abschätzen wie viel Kapazität pro Stunde da so "umgeleitet" werden kann?

 

[Lokheizer]

Könnte man daraus abschätzen wie viel Kapazität pro Stunde da so "umgeleitet" werden kann?

Werden wohl nur ein bis zwei Watt während eines Ladevorganges verbraten, schätze ich mal.

 

[ersechzig]

Werden wohl nur ein bis zwei Watt während eines Ladevorganges verbraten, schätze ich mal.

Wenn wir von einem gegebenenfalls durch die Elektronik parallel zur Zelle geschalteten Widerstand mit 400 Ohm ausgehen, dann komme ich - Bitte korrigiert mich ggf. - auf ca 10. mA und somit auf ca. 80 mW pro Stunde.

Das wäre nicht die Welt. Ich frage mich sogar, ob das nicht bei einem vorgeschädigten Akku vielleicht sogar zu wenig pro Ladezyklus ist, um eine zwischen den Ladezyklen auftretende Zunahme des Ungleichgewichts völlig auszugleichen. (=> Teufelskreis)

 

[Mornsgrans]

Vielleicht die Ursache zahlreicher Akkuzell-Defekte, was sich im spontanen Leistungsabfall z.B. von 35% auf 3% äußert.

 

[ersechzig]

Zunächst muss ich mein Posting #10 korrigieren, denn die Akku-Kapazität ist in mAh angegeben.
Macht also bei max 10 mA und sagen wir mal 4 h Ladezeit und 4000 mAh Restkapazität 40 mAh Bypassladung,
also gerade mal 1% die in die Doppel-Zelle mit der höchsten Spannung weniger als in den anderen beiden Doppel-Zellen.

Was mich aber nun noch mehr beunruhigt ist folgende Überlegung:
(Sagt mir Bitte ob das so stimmt, ob da ein Fehler drin ist oder ob Ich da was übersehen habe!)

Die Zelle die als erstes die max. Spannung erreicht und somit gedrosselt wird ist (oft genung) genau die Zelle mit der geringsten Rest-Kapazität. Die anderen Beiden werden also etwas mehr geladen.
Ich habe mir ein vereinfachtes Modell als Tabellenkalkulation gemacht und damit sieht es so aus, dass die schlechteste Zelle früher oder später (x Zyklen) genau die Zelle ist die als erstes Voll wird.
Demnach würde genau die schlechteste Zelle tendenziell eher Überladen, also geschädigt.

Andererseits ist eben genau diese schlechteste Zelle als erstes leer, wird also im nächsten Schritt auch noch tendenziell durch zu tiefe Entladung geschädigt.
Und sie ist wohl, weil am Geschädigsten, auch noch in Sachen Spannungseinbrüche am am Anfälligsten. Das ist auch nicht gut.

Fazit: Teufelskreis, die schlechteste Zelle "geht" immer schneller "den Bach runter" ...

 

[cuco]

Grundsätzlich erstmal eine richtige Überlegung - aber zwei Sachen muss man bedenken:
1. Beim Entladen erkennt der Akkucontroller ja rechtzeitig die tiefe Entladung. Daher schaltet er ab bevor es zu schädigenden Tiefentladungen kommt. Das dürfte die Zelle also nicht schädigen - trotzdem hat die schlechte Zelle dann aber bereits einen vollen Zyklus durch, den die anderen noch nicht haben.
2. Beim Laden: Es ist eben nicht eine Zelle als erstes voll und wird dann per Balancer begrenzt, sondern die Spannung aller Zellen wird während des gesamten Ladevorgangs auf gleichem Level gehalten. Alle Zellen werden dann also auch gleichzeitig voll. Nur der Balancer hat mehr Arbeit bei ungleichen Zellen.

 

[ersechzig]

zu 1. Wann (Volt) soll denn der Contoller bei der schlechtesten Zelle die drohende Tiefenentladung erkennen?
Sollte der Controller jedoch lediglich auf die Gesammtspannung aus sein ...

Zu. 2.
Der bq29330 scheint bei Spannungsunterschieden bei der höheren Zelle lediglich einen simplen Current-Bypass zu legen der Schätzungsweise max. 10 mA ausmachen dürfte, wenn die nicht noch mit einem außerhalb des ICs gelegenen Schaltung "gehebelt" haben.
(vgl. 4.4.1 S.16 bzw. 126 in http://www.artechhouse.com/static/sample/Barsukov-491_CH04.pdf)

Ungehebelt ist das jedefalls viel zu wenig bei geschädigten Zellen, selbst wenn der Bypass über die gesammte Ladezeit voll geschaltet ist.

 

[ersechzig]

Hier mal eine kleines Logfile zum Akku laden:

Werte:
Zelle1 V; Zelle2 V; Zelle3 V; Gesamt V; mAh; mW; mA

Interessant, dass genau bei 100mA augehört wird, den von mir vermuteten Wert für den maximalen Bypass-Strom ...

4135; 4146; 4142; 12423; 250; 7
4146; 4160; 4156; 12462; 660; 17
4149; 4165; 4161; 12475; 990; 25
4151; 4166; 4162; 12479; 1310; 33
4155; 4169; 4163; 12487; 1580; 40
4157; 4171; 4164; 12492; 1860; 47
4159; 4173; 4165; 12497; 2110; 53
4159; 4173; 4164; 12496; 2350; 59
4164; 4178; 4167; 12509; 2600; 65
4161; 4175; 4164; 12500; 2830; 71
4164; 4178; 4166; 12508; 3060; 77
4164; 4179; 4167; 12510; 3270; 82
4164; 4179; 4166; 12509; 3480; 87
4165; 4180; 4166; 12511; 3680; 92
4168; 4183; 4169; 12520; 3880; 97
4167; 4182; 4167; 12516; 3950; 99
4168; 4184; 4168; 12520; 3950; 99
4169; 4184; 4169; 12522; 3950; 99
4171; 4187; 4170; 12528; 3950; 99
4171; 4188; 4171; 12530; 3950; 99 ; 4999 ; 399
4174; 4190; 4173; 12537; 3950; 99 ; 4864 ; 388
4171; 4188; 4171; 12530; 3950; 99 ; 4736 ; 378
4173; 4189; 4172; 12534; 3950; 99 ; 4612 ; 368
4173; 4190; 4173; 12536; 3950; 99 ; 4475 ; 357
4173; 4190; 4174; 12537; 3950; 99 ; 4337 ; 346
4173; 4190; 4174; 12537; 3950; 99 ; 4199 ; 335
4174; 4191; 4175; 12540; 3950; 99 ; 4075 ; 325
4173; 4190; 4175; 12538; 3950; 99 ; 3962 ; 316
4174; 4192; 4176; 12542; 3950; 99 ; 3837 ; 306
4173; 4191; 4176; 12540; 3950; 99 ; 3711 ; 296
4174; 4192; 4177; 12543; 3950; 99 ; 3599 ; 287
4173; 4192; 4177; 12542; 3950; 99 ; 3499 ; 279
4173; 4193; 4177; 12543; 3950; 99 ; 3399 ; 271
4176; 4195; 4180; 12551; 3950; 99 ; 3313 ; 264
4174; 4193; 4179; 12546; 3950; 99 ; 3211 ; 256
4174; 4193; 4179; 12546; 3950; 99 ; 3111 ; 248
4175; 4195; 4180; 12550; 3950; 99 ; 3024 ; 241
4177; 4197; 4182; 12556; 3950; 99 ; 2938 ; 234
4176; 4195; 4181; 12552; 3950; 99 ; 2849 ; 227
4177; 4197; 4183; 12557; 3950; 99 ; 2775 ; 221
4176; 4196; 4182; 12554; 3950; 99 ; 2686 ; 214
4174; 4196; 4182; 12552; 3950; 99 ; 2623 ; 209
4176; 4196; 4183; 12555; 3950; 99 ; 2548 ; 203
4175; 4196; 4183; 12560; 3950; 99 ; 2474 ; 197
4175; 4196; 4183; 12554; 3950; 99 ; 2397 ; 191
4175; 4196; 4184; 12555; 3950; 99 ; 2335 ; 186
4177; 4199; 4186; 12562; 3950; 99 ; 2261 ; 180
4175; 4196; 4184; 12555; 3950; 99 ; 2197 ; 175
4177; 4199; 4186; 12562; 3950; 99 ; 2135 ; 170
4176; 4198; 4186; 12560; 3950; 99 ; 2084 ; 166
4175; 4197; 4185; 12557; 3950; 99 ; 2021 ; 161
4176; 4199; 4186; 12561; 3950; 99 ; 1972 ; 157
4176; 4198; 4186; 12560; 3950; 99 ; 1921 ; 153
4176; 4198; 4187; 12561; 3950; 99 ; 1871 ; 149
4176; 4198; 4187; 12561; 3950; 99 ; 1833 ; 146
4176; 4199; 4187; 12562; 3950; 99 ; 1783 ; 142
4177; 4200; 4188; 12565; 3950; 99 ; 1746 ; 139
4176; 4199; 4187; 12566; 3950; 99 ; 1696 ; 135
4176; 4199; 4188; 12563; 3950; 99 ; 1645 ; 131
4177; 4201; 4189; 12567; 3950; 99 ; 1596 ; 127
4175; 4198; 4187; 12560; 3950; 99 ; 1557 ; 124
4175; 4198; 4187; 12560; 3950; 99 ; 1519 ; 121
4177; 4199; 4189; 12565; 3950; 99 ; 1482 ; 118
4176; 4199; 4189; 12564; 3950; 99 ; 1457 ; 116
4176; 4199; 4189; 12564; 3950; 99 ; 1419 ; 113
4175; 4199; 4188; 12562; 3950; 99 ; 1381 ; 110
4176; 4200; 4189; 12565; 3950; 99 ; 1357 ; 108
4175; 4199; 4188; 12562; 3950; 99 ; 1331 ; 106
4176; 4200; 4189; 12565; 3950; 99 ; 1306 ; 104
4176; 4199; 4189; 12564; 3950; 99 ; 1268 ; 101
4169; 4193; 4183; 12545; 4000; 100 ; 0 ; 0
4169; 4193; 4183; 12545; 4000; 100 ; 0 ; 0

 

[cuco]

noch eine Frage dazu: unten die Werte haben 8 Spalten, deine Legende zeigt aber nur 7. Spalte 6 zeigt laut dir mW, du redest dann aber wiederum von mA. Magst du nochmal drüberschauen?

 

[Sigi]

Interessantes Thema, leider endet es - wie viele andere Themen bzgl. Balancing in Notebookakkus - im Nichts. Zudem ist leider das weiter oben verlinkte PDF nicht mehr erreichbar: http://www.artechhouse.com/static/sample/Barsukov-491_CH04.pdf

Sitze eben vor einem noch funktionsfähigen und geöffnetem T60-Akku mit 1x bq29330 und 1x bq8030. Außerdem noch 2x A2721 (8 Beiner) und 1x CEF G61 (8 Pins), wie in Beitrag #5 gelistet.

Obwohl der Akku täglich in Gebrauch war und immer auf 100% geladen wurde, sind die Zellen stark debalanciert (3.95/4.03/4.18V). Ich frage mich also, wie (und ob überhaupt?) balanciert wird. Die theoretischen Möglichkeiten für ein Balancing wären:

1. Ständig während des Ladens
2. Nur wenn die erste Zelle 4.2V erreicht hat
3. Immer, also auch, wenn der Akku ausgebaut in der Schublade liegt

Habe mal die Leiterbahnen verfolgt, die zu den beiden Mittelabgriffen führen: Hier sitzt je ein winzigster SMD-Widerstand mit 1kOhm in Serie, zusammen mit dem RDS(ON) der im bq29330 verbauten FETs von typ. 400 Ohm können bei 4,2V max. 2,8 mA fließen, so dass ich mich frage, ob in den Akkupacks überhaupt ein Balancing durchgeführt wird. Schließlich müssen die Akkus nur 6 Monate halten (Garantie). Es finden sich zudem einige Berichte im Netz, dass bei Notebook Akkus GRUNDSÄTZLICH kein Balancing durchgeführt wird. Das würde bedeuten, dass Akkuverschleiß in Wirklichkeit nur debalancierte Zellen sind. Sind die Zellen irgendwann weit genug auseinander gedriftet, wird die interne Schmelzsicherung ausgelöst und der Verbraucher ist seinem Namen mal wieder gerecht geworden.

Würde gerne etwas tiefer in die Materie einsteigen, hierzu würde mich u.a. die Funktion des CEF G61 (8 Pins) interessieren, der ebenfalls über einen winzigen 1kOhm Widerstand an den Mittelabgriffen hängt. Im Netz finden sich zu dem IC Null Informationen. Wer hat sich schon mal näher mit der Thematik beschäftigt, oder hat mal die Verschaltung der Platine raus geklingelt? Relevant für das Balancing sind die Pins 8-12 des bq29330.

 

[Megalodon]

Hmm, interessantes Thema.

Ich nutze seit einiger Zeit Linux in Verbindung mit TLP. Als Notebook habe ich unter anderem ein X220 im Einsatz, wo ich den Akku sehr gut im Blick habe.
Unter anderem habe ich die Ausgabe von TLP so geändert, dass sie mir auch immer die Spannung der einzelnen Zellen angibt.
Aufgrund der Beobachtung beim Laden, habe ich persönlich sehr stark den Eindruck gewonnen, dass die Akkus eben nicht balanciert werden.
Dieses nicht balancieren führt über einen längeren Zeitraum dazu, das die Zellen immer mehr driften und auf diese Weise die maximale Kapazität des Akkus von den gedrifteten Zellen beschränkt werden.

Ich kenne mich diesbezüglich zwar nicht mit der Elektronik aus, aber aufgrund des Verhaltens beim laden, kann ich ein Balancing beim laden mit sehr hoher Sicherheit ausschließen.

 

[Sigi]

Unter anderem habe ich die Ausgabe von TLP so geändert, dass sie mir auch immer die Spannung der einzelnen Zellen angibt.

Sehr interessant! Dann liest TLP offensichtlich den Controller im Akku aus, denn bei meinem Akku sind die beiden Zwischenspannungen nicht an den Kontakten herausgeführt.

> Aufgrund der Beobachtung beim Laden, habe ich persönlich sehr stark den Eindruck gewonnen,
> dass die Akkus eben nicht balanciert werden.
Also noch jemand, der diesen Eindruck hat. Auch mein Eindruck geht mittlerweile sehr stark in diese Richtung, nachdem ich meine Zellen messtechnisch überprüft habe.

Da der bq29330 in meinem T60-Akku aber ein Balancing ausführen könnte, kann bedingt durch den Aufbau der Hardware (Serienwiderstand von 1 KOhm + 400 Ohm RDS(ON) der FETs) nur ein max. Ausgleichsstrom von knapp 3 mA fließen. Bei wirklich guten und selektierten Zellen könnte theoretisch ein Balancing auch mit knapp 3 mA funktionieren. Problematisch wird es, wenn minderwertige Zellen verbaut sind, oder wenn gute Zellen durch Alterung ihre Eigenschaften (z.B. Selbstendladung) verändern und deshalb auseinander laufen. Dann wird es mit knapp 3 mA schnell eng werden.

Wie alt ist der Akku (+Zyklenanzahl), den du aktuell mit TLP überwachst?