Ladegerät NiMH

Ein Ladegerät für NiMH Akkus zum Entladen und schonendem Laden von Akkupacks.

Dieses Ladegerät lädt NiMH/NiCd-Akkus mittels einer 14-stündigen Normalladung - ist das im Zeitalter von Schnellladung, Delta Peak, -dU/dt und sonstigen ausgefeilten Methoden noch zeitgemäß oder zumutbar?

Beim Laden von Einzelzellen gibt es sicher bessere und schnellere Methoden als das klassische 14-stündige C/10-Verfahren (C/10 bedeutet einen Ladestrom, der einem Zehntel der Akkukapazität entspricht, ein Akku mit einer Kapaziät von 2200 mAh würde also mit einem Strom von 220 mA geladen). Alle diese Verfahren bereiten jedoch Komplikationen, wenn Akkupacks, also mehrere in Serie geschaltete Einzelzellen geladen werden sollen, und das ist im Modellbau eher der Normalfall.

Schnellladegeräte nutzen zur Abschaltung eine indirekte Temperaturmessung, den leichten Abfall der Spannung, wenn sich eine voll geladene Akkuzelle aufgrund der Überladung erwärmt. Dieses Kriterium funktioniert in Akkupacks aber nicht zuverlässig, weil die Summe der Einzelspannungen den geringen Spannungsabfall einer vollen Zelle überlagern kann und diese Zelle wird auf Grund des hohen Ladestroms dann überladen.

Zudem haben die einzelnen Zellen Fertigungstoleranzen bzgl. ihrer Kapazität, manche Zellen des Akkupacks werden daher stärker beansprucht als ihre Kollegen und altern schneller, was den Unterschied nur noch vergrößert. Ein Akkupack ist immer so stark wie seine schwächste Einzelzelle, die nach vielen Tiefentladungen und Überladungen schließlich ihren Geist aufgibt.

Um alle Zellen wieder auf einen gemeinsamen Ladezustand zu bringen wird daher empfohlen, nach mehreren Schnelllade/Entladezyklen den Akkupack zu formieren, d.h. mehrmals kontrolliert unter Beachtung der Entladeschlussspannung zu entladen und mit einem C/10-Ladestrom 14 Stunden lang zu laden. Dies gilt ebenso für neue Akkupacks, nach längerer Lagerung oder beim Erwerb gebrauchter Zellen. Und genau diese Funktion bietet das hier vorgestellte Ladegerät:

Entladen unter Einhaltung der Entladeschlussspannung, danach
Umschaltung auf 14-stündiges, zeitlich begrenztes Laden mit C/10h

Ich verwende dieses Ladegerät zum Laden meiner Sender- und Empfängerakkus. Der C/10-Ladestrom ist für NiMH-Akkus unschädlich, wenn er zeitlich auf 14 h begrenzt wird, unabhängig vom Ladezustand bei Beginn des Ladevorgangs. Ein Überladen ist somit ausgeschlossen. Der Entladevorgang kann daher auch gefahrlos übersprungen werden: einfach erst den Start-Taster betätigen und erst dann den Akku an das Gerät anschließen.

Schaltungsbeschreibung

Zum Anzeigen des Schaltplans hier klicken.

Kern der Schaltung ist ein Mikrocontroller vom Typ PIC 16F627, der mit einer Taktfrequenz von 32,768 kHz betrieben wird. Eines seiner Komparator-Module wird zur Ermittlung der Entladeschlussspannung verwendet, und das Abzählen von 14 Stunden ist eine leichte Übung. Die Entladung erfolgt über einen Lastwiderstand mit einem N-Kanal MOSFET als Schalter, geladen wird mit einem von einem LM317 erzeugten Konstantstrom, geschaltet von einem P-Kanal MOSFET. Ein 7805 stellt die Versorgungsspannung für den PIC zur Verfügung. Über zwei Präzisionspotis lässt sich sowohl die Entladeschlussspannung als auch der Ladestrom einstellen.

Das Ladegerät kann mit einem Steckernetzteil (Gleichspannung!) mit Energie versorgt werden, ich verwende ein Labor-Netzgerät. Die Spannung sollte dabei ca. 6 V über der des zu ladenden Akkus liegen. Natürlich kann man auch Trafo, Gleichrichter und Siebelko verwenden, aber Netzspannung ist lebensgefährlich! Wer sich auskennt, kommt hier ohne weitere Angaben zurecht, alle anderen verwenden bitte ein fertiges Netzteil!

Bei Betätigung des Start-Tasters beginnt zunächst die Entladung, dies wird durch eine rote LED angezeigt. Erreicht der Akku seine Entladeschlussspannung, so wird auf Laden umgeschaltet, die gelbe LED leuchtet auf. Zum Zeichen, dass der PIC brav die Sekunden zählt, blinkt die grüne LED im Sekundenrhythmus. Nach 14 Stunden schließlich wird der Ladestrom abgeschaltet, die gelbe LED verlöscht und die grüne LED leuchtet dauernd. Eine Erhaltungsladung ist nicht vorgesehen, die Hersteller von NiMH-Zellen raten davon grundsätzlich ab.

Tritt während des Ladevorgangs ein Stromausfall aus, so kann dies daran erkannt werden, dass keine der LEDs leuchtet (Grundzustand nach Einschalten). Da unklar ist, in welchem Ladezustand sich der Akku befindet, sollte durch Druck auf den Start-Taster der ganze Vorgang erneut gestartet werden.

Die Werte der Bauteile sind in der vorliegenden Version auf einen Senderakku mit 9,6V/700mAh abgestimmt - zur Anpassung an andere Akkus genügt die Kenntnis des Ohmschen Gesetzes.

Einstellung des Ladestroms

Der LM 317 regelt den Strom so, dass an R1/P2 (siehe Schaltplan) eine Spannung von 1,25 V abfällt. Mit den gewählten Werten (R1=8,2 Ω, P2=50 Ω) lässt sich der Ladestrom daher zwischen 22 mA und 150 mA einstellen (entweder Amperemeter dazwischenklemmen und entsprechend einstellen, oder den Widerstandswert für den gewünschten Ladestrom ausrechnen und einen entsprechenden Festwiderstand einlöten). Damit lassen sich Akkus mit Kapazitäten zwischen 220 mAh und 1,5 Ah laden. Höhere Ladeströme sind natürlich auch realisierbar (der LM 317 kann maximal 1,5 A liefern), je nach Höhe der Versorgungsspannung ist dann aber zu prüfen, ob der Kühlkörper noch ausreicht.

Einstellung der Entladeschlussspannung

Der PIC wird so initialisiert, dass der nichtinvertierende Eingang des Komparators mit der internen Referenzspannungsquelle verbunden ist. Diese ist auf 1,875 V eingestellt, was dann auch der kleinstmöglichen Entladeschlussspannung entspricht (2 Zellen).

Die Akkuspannung wird über den Spannungsteiler R10/P1 (100kΩ/50kΩ) auf den anderen Eingang des Komparators gelegt, damit kann max. 1/3 der Akkuspannung anliegen (sollte 5 V nie übersteigen). Die Entladeschlussspannung muss durch den Spannungsteiler auf 1,875 V herabgesetzt werden.

Die richtige Einstellung des Potis ergibt sich durch Vergleich der aktuellen Akkuspannung U_Akku mit der aktuell an Pin 17 (Port A0) gemessenen Spannung U_Pin17 durch folgenden Zusammenhang:

$$U_{Pin17} = \frac{U_{Akku}}{U_{Entladeschluss}} \cdot 1,875\, \mathrm{V}$$

Erreicht die Spannung am Akku die Entladeschlussspannung, so ist das Verhältnis beider Spannungen 1 und an Pin 17 liegt gerade die Referenzspannung von 1,875 Volt an.

Beispiel mit 8 Zellen:

Entladeschlussspannung U_{Entladeschluss} = 8 ⋅ 0,85 V = 6,8 V
aktuell gemessene Akkuspannung U_Akku = 9,8 V
$U_{Pin17}= \frac{9,8 \, \mathrm{V}}{6,8 \, \mathrm{V}} \cdot 1,875\, \mathrm{V} = 2,70\, \mathrm{V} $
Poti P1 solange drehen, bis an Pin 17 die Spannung U_Pin17 = 2,70 V anliegt.

Für einen NiCd-Akku kann als Entladeschlussspannung 0,85 V bis 1,0 V/Zelle gewählt werden. Bei NiMH-Typen sollte dieser Wert 1,0 V/Zelle nicht unterschreiten.

Beschleunigte Normalladung für NiCd-Akkus

Wird der Akku vor der Ladung bis auf die Entladeschlussspannung entladen und wird der Ladevorgang zeitlich überwacht und begrenzt, ist auch eine beschleunigte Normalladung mit 0,2 C/h möglich (Quelle: Panasonic Datenblatt). Die Ladezeit verkürzt sich dadurch von 14 h auf 5 h. Dazu muss der Ladestrom verdoppelt werden (Einstellung siehe oben) und das Programm für den PIC braucht eine kleine Änderung. Die entsprechende Firmware ist im Archiv ncbc.zip unter dem Namen ncbc-5h.hex enthalten.