Bidirektionales UPS-Modul, kompatibel mit 2S-Lithium, 9–10 V

Das Modul UPS Bidirectional 2S ist eine unterbrechungsfreie Stromversorgungsplatine für Projekte, die von einem Li-Ion-Akku mit zwei in Reihe geschalteten Zellen (7.4 - 8.4V) gespeist werden. Seine Aufgabe ist es, Energie von einer externen 9 - 10V-Quelle zu übernehmen, das angeschlossene Gerät zu versorgen und gleichzeitig den Akku geladen zu halten, sodass bei einem Spannungsabfall im Netz oder an der Quelle die Versorgung automatisch und ohne Unterbrechung auf den Akku umschaltet.

Es ist nützlich für Projekte, die sich keine Resets bei Stromausfällen leisten können, wie Router, Überwachungskameras, Alarmanlagen, Wetterstationen, Automatisierungskonsolen mit Raspberry Pi oder ESP32, wo einige Sekunden kontinuierlicher Stromversorgung den Unterschied machen, bis eine Notstromquelle startet oder das Netz wiederkehrt.

Funktionsweise:

Das Modul verwendet denselben Anschluss zum Laden und Entladen, ohne dass zwei separate Buchsen nötig sind. Wenn an IN+ und IN- eine externe Spannung anliegt, lädt der integrierte Ladechip den 2S-Akku mit einem Standardstrom von 1.2 - 1.4A auf 8.2 - 8.4V auf, während derselbe Eingangspunkt gleichzeitig die parallel angeschlossene Last versorgt. Fällt die externe Spannung weg, schaltet die Schaltung automatisch den Pfad um, sodass der Akku die Versorgung der Last übernimmt, ohne manuellen Eingriff.

Die Topologie ist isobarisch, das heißt, das Modul erhöht und stabilisiert die Ausgangsspannung im Akkubetrieb nicht, sondern lässt sie gleich der tatsächlichen Akkuspannung. Hat der Akku zu einem bestimmten Zeitpunkt beispielsweise 7.8V, beträgt der Ausgang ebenfalls 7.8V, und dieser Wert sinkt allmählich, während sich der Akku entlädt. Im Entladepfad gibt es einen internen Widerstand von etwa 80 Milliohm, sodass bei einem Strom von 2A der zusätzliche Spannungsabfall nach der Formel I x R berechnet wird, also 2A x 0.08 Ohm, etwa 0.1 - 0.16V.

Die zwei LEDs zeigen den Status in Echtzeit an. Die Entlade-LED leuchtet schwach über 50 - 100mA, wird sichtbar heller über 0.5 - 1A und erreicht ihr Maximum über 2A, was eine visuelle Schätzung des von der Last gezogenen Stroms ermöglicht. Die Lade-LED leuchtet, solange die Eingangsspannung die Akkuspannung um mindestens 0.5V übersteigt, das heißt, der Ladevorgang ist aktiv, sie erlischt, wenn der Akku die Schwelle von 8.2 - 8.4V erreicht hat, und blinkt, wenn eine Ladeanomalie auftritt.

Werden mehrere Module über die Kupferpins parallel verbunden (Stacking), liegt der tatsächliche Wirkungsgrad bei etwa 80 Prozent der theoretischen Summe, bedingt durch die Toleranzen zwischen den Komponenten. Zwei auf diese Weise verbundene Module liefern beispielsweise einen Nennstrom von 4A x 2 x 0.8, also etwa 6.4A, was ungefähr 57W entspricht, nicht dem exakten Doppelten eines einzelnen Moduls.

Was du brauchst:

• 1 x Modul UPS Bidirectional, kompatibel mit Lithium 2S, 9-10V
• 1 x Halterung für 18650-Akkus, 2S
• 1 x Balancing-Platine für 2S-Akkupack
• 1 x 9V-Netzteil für Arduino 5.5x2.1
• 1 x Set Kabel mit Steckern für die Stromversorgung
• 1 x Digitales Multimeter Q1, True-RMS, NVC, Temperatursensor, automatisch
• 1 x Set 120 Elektrolytkondensatoren, 0.22-470uF
• 1 x Spannungswandler-Modul, ZVS, DC-DC, 45-390V, einstellbar

Anschluss:

Das Modul wird nicht programmiert und tauscht keine Daten mit einer Entwicklungsplatine aus, es funktioniert unabhängig als Stromquelle, das versorgte Gerät kann jedoch jedes Projekt mit Arduino, ESP32, Raspberry Pi oder einer anderen Plattform sein, die die variable Spannung des 2S-Akkus akzeptiert.

Schließe den Li-Ion-2S-Akku, vorzugsweise mit BMS und eigener Balancing-Platine, an die Klemmen B+ und B- des Moduls an und beachte dabei strikt die auf der Platine markierte Polarität.

Schließe die externe 9 - 10V-Quelle, die mindestens 6A liefern kann, an die Klemmen IN+ und IN- an, ohne die Kabel zu vertauschen, der Eingang verfügt über keinen Verpolungsschutz.

Schließe das Gerät, das du versorgen möchtest, ebenfalls an die Klemmen IN+ und IN- an, parallel zur externen Quelle, dies ist der gemeinsame Lade- und Ausgangsanschluss.

Wenn das versorgte Gerät nur bei einer festen Spannung funktioniert, zum Beispiel 5V oder 12V, füge zwischen dem Ausgang des Moduls und dem Gerät einen DC-DC-Buck- oder -Boost-Wandler hinzu, da der Ausgang dieses UPS mit dem Akkuladezustand variiert und nicht stabilisiert ist.

Wenn du Motoren oder andere induktive Lasten versorgen möchtest, montiere einen Kondensator mit einigen hundert Mikrofarad parallel an den IN-Klemmen, um die beim Schalten der Last entstehenden Spannungsspitzen zu reduzieren.

Häufige Probleme:

Beim Anschließen der externen Quelle leuchtet keine LED, die wahrscheinliche Ursache ist ein vollständig entladener Akku unterhalb der Schutzschwelle oder ein falscher Anschluss an B+ und B-, überprüfe Polarität und Spannung des Akkus mit einem Multimeter, bevor du den Test wiederholst.

Die Lade-LED bleibt viel länger als erwartet an, im Allgemeinen bedeutet das, dass der Akku eine hohe Kapazität im Verhältnis zum Ladestrom von 1.2 - 1.4A hat, bei einem Akku mit 10 - 15Ah kann die vollständige Ladung mehrere Stunden dauern, das ist normal.

Die Lade-LED blinkt, anstatt an oder aus zu bleiben, dies signalisiert eine Anomalie, meist eine unausgeglichene Zelle im 2S-Pack oder eine zu hohe Temperatur, lass das Modul abkühlen und überprüfe die Balance der Zellen.

Die Ausgangsspannung sinkt unter Last plötzlich ab, obwohl der Akku geladen erscheint, die Ursache ist in der Regel ein gealterter Akku mit hohem Innenwiderstand oder ein geforderter Strom über 4A im Dauerbetrieb, reduziere die Last oder verwende einen Akku mit höherer Kapazität und höherem Entladestrom.

Beim Anschließen mehrerer Module parallel erwärmt sich eines davon deutlich stärker als die anderen, dies bedeutet üblicherweise, dass die Verbindungskabel zwischen den Modulen nicht die gleiche Länge und den gleichen Querschnitt haben, was zu einer ungleichen Stromverteilung führt, verwende identische und möglichst kurze Kabel.

Die integrierte Sicherung ist durchgebrannt und das Modul startet nicht mehr, die Ursache ist fast immer ein Kurzschluss oder ein Spitzenstrom über 6A für längere Zeit, überprüfe die Verkabelung und die Last, bevor du andere Maßnahmen ergreifst.

Einschränkungen und Tipps:

Der Ausgang dieses Moduls ist nicht stabilisiert und hat keine Boost- oder Buck-Funktion, er folgt genau der Spannung des 2S-Akkus, zwischen etwa 6V bei vollständiger Entladung und 8.4V bei maximaler Ladung, deshalb müssen Geräte, die eine feste Spannung benötigen, über einen zusätzlichen DC-DC-Wandler versorgt werden.

Der empfohlene Dauerstrom liegt unter 4A, mit akzeptierten Spitzen bis zu 6A für kurze Zeiträume, und der Eingang hat keinen Verpolungsschutz, sodass ein Anschlussfehler an IN+ und IN- das Modul oder die Quelle beschädigen kann.

Für Projekte mit höherem Leistungsbedarf oder Redundanz können die Module durch physisches Stacking parallel geschaltet werden, mit maximal 3 empfohlenen Modulen, oder an derselben Versorgungsleitung für Fehlertoleranz, jeweils mit eigenem Akku.