Notebook accu's zijn poep. Niks werkt, alles gaat stuk. Tijd om het zelf te doen.

Domme Batterijen

Door Infant op vrijdag 14 december 2012 23:09 - Reacties (22)
Categorieën: Gemod / Gefix, Notebook: Accu's bouwen!, Views: 18.050

Dit artikel, waar er nog een paar op gaan volgen, zal gaan over batterijen.

Je kunt de eerste 1:30 van dit nummer luisteren, om goed te laten bezinken waar het over zal gaan.

Ben je het nu al zat? Dan zou ik niet verder lezen want het gaat lang duren!

Ik ga het specifiek over laptop batterijen hebben, en dan nog specifieker over degene waar ik wat aan heb, namelijk voor in een HP Elitebook 2730p, maar het gaat in grote lijnen ook gelden voor andere notebooks.
Inleiding
Vandaag de dag ga je in je notebook en Lithium-Ion of Lythium-Polymeer accu aantreffen. Het verschil tussen de twee is de chemische opbouw en meestal tref je li-ion in ronde cellen aan, en li-po in platte cellen.

Maar, dit is niet interessant. Wat interessant is, is hoe ze zich gedragen.

Beide varianten exploderen graag. Boem!
Meestal als je ze te vol met energie stopt, ze te warm worden, je er een gat erin boort of kort-sluit.

Om te zorgen dat ze niet exploderen, is bijna elke batterij waar li-ion cellen in zitten, voorzien van een stuk elektronica die constant in de gaten houd of ze niet te heet worden en niet te vol of leeg raken.

Elke fabrikant heeft wel eens een hele serie batterijen terug moeten halen, Dell, HP, Apple, Nokia. Allemaal omdat er een vergrote kans op BOEM aanwezig was.

Dat elke fabrikant er last van heeft, is niet heel gek, gezien ze allemaal een soortgelijke opbouw gebruiken voor hun batterijen.

In het kort bestaat een batterij, of accupack in je notebook uit de volgende onderdelen:

- Een aantal lithium cellen.
- Een of meerdere temperatuur sensoren
- Een zekering
- Een circuit die de cellen in de gaten houd, en alles aanstuurt.

Ik merk dat zelfs op de universiteit, het basis begrip stroom en spanning totaal niet ingeburgerd is bij de niet EE-ers, dus hieronder een korte uitleg, zodat de rest van het geblaat een beetje te volgen gaat zijn.
Een klein beetje terminologie:
Goed. Een notebook, laptop of elk ander apparaat, heeft in de volksmond stroom nodig. Dit is deels waar:

Elk apparaat heeft namelijk energie nodig. Energie kan een boel dingen betekenen, maar in elektronica betekent het:

E = P * t

E = Energie [Joules]
P = Vermogen [Watt]
t = tijd [Seconden]

Tijd is, zonder daar verder iets mee te doen, makkelijk te begrijpen. Wat rest is dus vermogen. Wat is dat?

Vermogen is:

P = U * I

P = Vermogen [Watt]
U = Spanning [Volt]
I = Stroom [A]

Dus energie is Tijd * Spanning * Stroom. Simpel, toch?

Als je dus wilt weten hoe lang je laptop het gaat volhouden op de accu (tijd), moet je weten hoeveel energie er in de accu zit, en hoeveel energie de laptop gebruikt.

Hoeveel energie je laptop gebruikt is volledig afhankelijk van wat je aan het doen bent, en is dus ook totaal niet constant. Als het scherm uit staat en hij verveelt zich, gebruikt het ding misschien 6 Watt. Als je aan het gamen bent misschien 25 Watt.

De hoeveelheid energie in een batterij, staat er meestal op geschreven, en staan bijv. zo genoteerd:

44 Wh = 44 Watt * Uur [Joules]
4000 mAh = 4000 milli Ampere * Uur [Coulomb]
4.0 Ah = 4.0 Ampere * Uur [Coulomb]

En betekend grofweg dat het ding een uur lang, continue 44 Watt kan leveren.
Of, een uur lang 4 Ampere kan leveren.

What's the bloody difference?

Het verschil ligt er aan, hoe je er naar kijkt.

Een batterij, heeft afhankelijk van zijn chemie, een spanning tussen de + en - pool staan. Een AA of AAA alkaline batterij 1.5V, en een Ni-Mh 1.2V.

Op een litium cel, bijv. die in je telefoon staat 3.7V geschreven. In een notebook zitten er meestal meerdere, om een hogere spanning te maken van 11.1 of 14.4 Volt.

Stel wij nemen een 100% opgeladen lithium cel van 1 Ah, en laten die een uur lang 1A leveren aan... een ding. Geplot, ziet dat er zo uit... ongeveer:
Spanning bij constante stroom

De spanning begint bij 4.2 Volt, en zakt vrij snel af, blijft een tijdje constant, en zakt dan verder af.

Na een uur is hij leeg.

Omdat de stroom gedurende de 60 minuten constant was, ziet de stroom * spanning er exact hetzelfde uit:
Het vermogen op tijdstip 0 is dus 4.2 Watt, en op tijdstip 60 nog maar 2.7 Watt. De stroom was wel constant.

Omdat de totale energie gelijk is aan vermogen * tijd, kun je een grove benadering doen en zeggen dat de spanning gemiddeld genomen vlak was. Het oppervlak onder de grafiek wordt dan je totale energie:
Energie bij constante stroom

Dat is hier dus het groene vlak. De rode lijn komt ongeveer evenveel boven als beneden de vlakke lijn, dus gemiddeld genomen was het vermogen steeds 3.7 Watt.

De totale energie kan dus prima in Ampere * uur uitgedrukt worden, of in Watt * uur. De laatste is eigenlijk nauwkeuriger en beter.

Als we dus een 40 Wh batterij nemen, en 20 Watt er uit trekken, kunnen we aardig voorspellen hoe lang het ding nog meer gaat.. ongeveeer 2 uur.

Maar... als wij nou in plaats van 1 Ampere, 2 Ampere uit de cel trekken, wat dan? Nou, dan gebeurt er bijvoorbeeld dit:
Energie bij 2x stroom

Nu wordt het al wat lastiger....

De vorm en lengte van de curve is afhankelijk van de hoeveelheid stroom die we vragen. Niet alleen wordt de lijn moeilijker te voorspellen als we een wisselende stroom vragen, de temperatuur heeft ook een gigantische invloed op de prestaties.
De capaciteit en interne weerstand neemt af naarmate de cel ouder wordt, en is afhankelijk van hoe vaak hij gebruikt is.

Wij vinden het als eindgebruiker van een laptop, bijzonder interessant om te weten hoe lang onze batterij nog mee gaat. Ik wel in ieder geval. Daarom moet er een zo nauwkeurig mogelijke voorspelling gedaan worden over hoeveel energie er nog uit een batterij kan komen fietsen.

Vandaar, de ontwikkeling genaamd het batterij icoontje.

Ieder OS heeft er eentje. In Windows 95 t/m 7 zit die rechts onderin verstopt. Ubuntu heeft hem rechts bovenin geprakt, net als OSX.

Wat al deze OS-en doen, is eigenlijk hetzelfde, namelijk: Ze vragen aan de batterij hoeveel energie er in kan, en hoeveel energie er in zit.
Als de batterij zegt dat er 40 Wh in kan, en 20 Wh in zit... weet het OS dat de batterij nog 50% vol is.

Vervolgens vraagt het OS hoeveel energie er op het moment uit loopt, bijv. 20 Watt.

Dan weet je dat het nog een uur duurt voordat de batterij leeg is. En dat zet je er dan bij. Klaar. Iedereen blij. Klaar. Einde blog.

Nee.

Hoe weet zo'n batterij hoeveel energie er in zit? Was dat niet intens ingewikkeld?

Wat de batterij in essentie doet, is het volgende:

Hij meet elke seconde het vermogen, in Watt, wat de batterij uit loopt. Dit doet hij door de spanning te meten, en de stroom.

Al die metingen telt hij bij elkaar op, totdat de cel zijn laagste spanning heeft bereikt. Als de cel onder deze spanning komt, begint er een ander, on-omkeerbaar chemisch proces. Dit wil je niet, want daar gaat de batterij stuk van.
Dus, het moment dat hij in de buurt komt van deze spanning, schakelt de batterij uit en kapt je laptop met werken.

Nu heeft de batterij een hele rits met vermogens, elke seconde anders. Die tel je allemaal bij elkaar op, en tadaa! Zoveel energie zat er in de batterij, en zoveel kan er dus ook weer in.

En daar gaat het mis.

Laten we kijken wat onze volle HP batterij vandaag van zichzelf vind:

Stuk

Vol, en stuk.

Waarom issie stuk? Je zou het aan HP willen vragen. DOE HET NIET!

De website van HP is weer veranderd, ik denk voor de 3e keer in twee jaar. En, het is er niet veel beter op geworden. De site is on-navigeerbaar.

Om hier geen urenlange HP rant van te maken, hoeveel het ook kriebelt, ga ik verklappen dat er een stuk software bestaat genaamd HP Battery Check. Niemand weet wat de laatste versie is, of hoe je het zou moeten vinden, maar suffice it to say, ik heb een werkende versie, en die gaat ons hopelijk vertellen waarom dit exemplaar stuk is.

Dit programma klik je aan, en toont vervolgens onnodig lang een geanimeerd vergrootglas. Om uiteindelijk iets meer informatie te geven dan dat je al wist: Your battery needs calibrating. Wauw.

Dit betekend dat de batterij de kluts kwijt is. Hij weet niet meer hoeveel energie er in zit, en hier moet hij opnieuw achter komen. Wat je idealiter dan doet is:

Je laad hem helemaal op, in dit geval is het een 3-cells pack, dus die is helemaal vol als de cellen 12.6V meten.

En, vervolgens laat je ze helemaal leeg lopen, tot in dit geval iets van 9 Volt.

Stiekem is dit ook wat HP, en eigenlijk alle fabrikanten voor hun batterij voorstellen. Behalve Lenovo.
Lenovo is cool.
Bij Lenovo zit er een "reset" knopje op, zodat je als klant niet een halve dag aan het kloten bent.

Bij het kalibreren, kan de batterij alle Wattsecondes die er uit lopen bij elkaar optellen, en weet hij weer waar hij aan toe is.

In batterycheck, laat de "Advanced View" zo'n beetje alle informatie zien die je uit de batterij gaat kunnen krijgen:
1mAh

Hier staat design capacity genoemd. Dit is hetzelfde als ook op de batterij staat, namelijk 4800 mAh, en is de fabrieksopgave. Zo veel moet er in kunnen.
Full charge capacity is wat de batterij zelf denkt dat er in kan.
En ten slotte remaining capacity is hoeveel energie er nog in zit.

1 mAh is niet erg veel nee. Als ik de stekker er uit haal, om te kijken wat er gebeurt, en een tijdje wacht, wordt het nog veel mooier:

Veel!

65 Ah! Zoveel zit er niet eens in m'n auto! En die weegt 730 kilo!

Wat nu verder opvalt is dat er 4 cel spanningen staan, terwijl er hier maar drie in zitten. Waarom is dat?

Laten we eens een 4 cell accu open slopen, en kijken wat er zoal in zit:
De Binnenkant
Guts 4-Cell
Foto 1 - De ene kant

Guts 4-Cell - Andere kant 2
Foto 2a: De andere kant

Guts 4-Cell - Andere kant 2
Foto 2a: De andere kant, van de andere kant.

Op de eerste afbeelding zie je een klein IC-tje, een dikke weerstand, en een groot IC. Het gele ding gelabeld RT1 is een thermistor. Hiermee wordt de temperatuur van de cellen gemeten.

Op de tweede foto staan twee mosfets, met een zekering ertussen gefrommeld. En op afbeelding 2a staat weer een IC.

De twee ICs zijn gelabeld BQ2084DBT en BQ23912PW. Komen bij TI vandaan, en ze zijn zo vriendelijk geweest om datasheets te leveren.

Mooi.

En uit de datasheet van de BQ23912 blijkt meteen dat ze bij elkaar horen, en geven ze op pagina 1 meteen aan hoe het zaakje er uit moet zien:

Diagram BQ29312

De sense resistor onderin, hebben we gezien. Evenals de twee mosfets. En er zit ook een klein mosfetje op, om de accu langzaam op te laden als hij helemaal zo dood als een pier is.

Het ontwerp lijkt niet af te wijken van de referentie in de datasheet. Dat doet het meestal nooit.

Helemaal onderin de BQ2084 staat een nog verder uitgewerkt schema, met eigenlijk alle componenten en hun waardes er al in. U1 is daar gelabeld BQ29400 en jawel... het kleine ICtje op het PCB is een BQ29400.

Zijn doel in het leven is de cel spanning in de gaten houden. Als die te hoog wordt, vlamt hij de zekering er uit.

Wat de hele schakeling nodig heeft, is een lader. Al deze ICtjes bij elkaar kunnen namelijk niet laden, maar alleen dingen in de gaten houden en uit zetten al het ongelooflijk mis gaat.

Omdat ik geen zin had om m'n notebook open te breken, heb ik na veel zoeken op een duister forum een circuit diagram van de notebook gevonden:

2730p Schema

En die vertelt ons, onder andere, dat de lader in deze notebook een BQ24740 is.

Het leuke aan al deze ICs is dat ze een ingangs spanning vanaf rond de 7 volt accepteren, en helemaal tot 28 Volt gaan.
De adapter die bij de notebook hoort is 19 Volt, en de twee accu's die er aan kunnen zijn beide maar 11.1 Volt.
Alle DC/DC converters in de notebook moeten uiteraard ook in iedergeval met 19V overweg kunnen, en dus ook met spanningen net boven de 9 Volt.

Het kan dus in ieder geval electrisch gezien geen kwaad om er een 4-cells accu aan te hangen, van 14.4 Volt, en te kijken wat er gebeurt.

Toevallig had ik een 14.4V batterij uit een andere HP liggen, met een verdacht dezelfde aansluiting.

Nameten leverde in ieder geval dat de plus en min op dezelfde pinnen zaten, dus er kan weinig fout gaan. Iets wat Thinkpad ook al eens gedaan heeft, doe ik ook: Een verloop kabeltje gemaakt van UTP, zodat de batterij niet in de notebook hoeft te passen.

Laad Bende

UTP

En jawel, niet alleen wordt de batterij door dit stugge stuk software herkend, hij laad ook vrolijk op! Ondanks het feit dat deze machine helemaal geen 14.4V batterij kan hebben, laad hij ze toch op.

14V!

Dat zou betekenen, dat ik een willekeurige HP accu aan m'n notebook kan hangen, en dat dan alles goed gaat.

En dat is zo, was het niet dat willekeurige HP accu's ook op willekeurige tijdstippen dood gaan. Deze komt uit een HP Compaq 8710w, en die worden op de TU massaal weg gegooid. Niet omdat de cellen stuk zijn. Die zijn namelijk nog prima. Dit specifieke exemplaar heeft nog maar 49 ontlaad cycli mee gemaakt. Dat is nagenoeg nieuw!

Zoals je kunt zien, kappen ze er mee omdat het IC-tje gewoon niet werkt zoals het zou moeten. Ik zou bijna zeggen dat er een fout in zit, want het gedrag wat ik eerder waarnam, waar de capaciteit ineens van 1 mAh naar 65000mAh versprong.... dat lijkt verdacht veel op een overflow.

Gelukkig levert HP maar één jaar garantie op zijn accu's, vanaf productie datum! Dus niet alleen kun je ervan verzekerd zijn dat je accu er op een willekeurig tijdstip mee ophoud, hij valt dan hoogst waarschijnlijk ook nog eens buiten de garantie.

Dit, tezamen met het feit dat elk model een aparte accu heeft, terwijl er elektrisch gezien niks mis mee is om ze uit te wisselen, is uiteraard een prachtig business model. Ik denk dat er heel wat mannen in nette pakjes aan een grote tafel met de marketing en engineering afdeling zitten te bulderen van het lachen terwijl ze naar de kwartaal cijfers kijken.
Mhoehaahhaha PROFIT!!

Wij als niks wetende consument drukken braaf op het toevallig aanwezige linkje "Buy your new battery by clicking this link." Die ons naar de HP webstore door dirigeert, waar je je vervolgens een uur kunt ergeren aan de on-navigeerbaarheid en het feit dat alle accu's gigantisch overpriced zijn.

Damn it, mijn excuses. Er is toch een rant gekomen.
Tot Slot
Mijn doel is nu om een batterij te maken die makkelijk aan mijn notebook kan, herkent wordt en in Windows netjes de voorspelling doet hoe lang hij mee gaat. Gezien geen enkele HP accu eigenlijk out of the box aan deze voorwaarde voldoet, vallen ze allemaal af.

Het probleem bij de paar accu's die ik getest heb, is dat ze niet willen kalibreren. De datasheet van de BQ2084 zegt bij FullChargeCapacity:

"FCC cannot be reduced by more than 256 mAh or increased by more than 512 mAh during any single update cycle."

Wat betekend dat als zo'n ding eenmaal de kluts kwijt is, hij niet zomaar meer tot 4000 mAh gekalibreerd kan worden. Je kunt dus bij oude accu's de cellen wel vervangen, maar daar alleen schiet je niet zo veel mee op.

Ik ben dus bezig om deze dingen iets minder stupid te maken. Mocht iemand een accu voor een 27xxp hebben liggen die van mening is dat ie dood is. Mij help je er mee, want ik heb meer vergelijkings materiaal nodig. Ik heb op V&A al een advertentie staan, en daar heb ik twee exemplaren van andere HP notebooks aan overgehouden, die beide herkend worden, maar ook volledig de kluts kwijt zijn.

Het volgende blog zal gaan over hoe de batterij met de pc praat en zal waarschijnlijk nog wat meer rants over HP brakheid bevatten.