Ladegerät für NiMH Akkus

Das hier vorgestellte Ladegerät bietet folgende Funktionen:

• Laden/Entladen von Akkupacks mit 4 ... 10 Zellen
• Entlademöglichkeit unter Einhaltung der Entladeschlussspannung von 1 V/Zelle
• Umschaltung auf 14-stündiges, zeitlich begrenztes Laden mit C/10
• intermittierende, zeitgesteuerte Erhaltungsladung, wenn die Akkuspannung unter 1,3 V/Zelle sinkt
• Anzeige des Status über LED
• Senderprogramm für Sender mit integrierter Schutzdiode

Ich verwende dieses Ladegerät zum Laden meiner Sender- und Empfängerakkus.

Entladen

Nicht immer werden die Zellen bis zur vollständigen Entladung in der Applikation belassen, in vielen Fällen ist dies aus Sicherheitsgründen auch nicht empfehlenswert. Um einen definierten Zustand für die folgende Ladung festzulegen und um die volle Leistungsfähigkeit der Zellen zu erhalten, sollten die Zellen bis zur Entladeschlussspannung kontrolliert entladen werden. Die Kontrolle der Entladeschlussspannung von 1,0 V/Zelle verhindert eine Tiefentladung der Zellen.

Ist der Jumper JMP1 auf der Platine gesteckt, so wird die Entladephase übersprungen und direkt mit dem Ladevorgang begonnen.

Normalladung

Das Gerät lädt NiMH-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.

Die Zellenspannung ist - im Gegensatz zu anderen Akku-Technologien - bei NiMH kein Kriterium, um einen vollen Akku zu erkennen. Schnellladegeräte nutzen daher zur Abschaltung eine indirekte Temperaturmessung, den leichten Abfall der Spannung, wenn sich eine voll geladene Akkuzelle aufgrund der einsetzenden Überladung erwärmt. Die einzelnen Zellen eines Akkupacks haben Fertigungstoleranzen bzgl. ihrer Kapazität, die schwächste Einzelzelle wird als erste vollständig geladen. Da nur die Gesamtspannung aller Zellen gemessen wird kann der geringe Spannungsabfall einer einzigen vollständig geladenen Zelle von der steigenden Spannung der anderen Zellen überlagert werden. Die schwächste Zelle wird daher bei jedem Ladevorgang überladen und mit der Zeit dauerhaft geschädigt. Das Kriterium der indirekten Temperaturmessung funktioniert in Akkupacks daher nicht zuverlässig.

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.

Intermittierende Erhaltungsladung

NiMH-Zellen haben eine relativ hohe Selbstentladung, schon wenige Tage nach Ende des Ladevorgangs steht nicht mehr die volle Kapaziät zur Verfügung. Diesem Effekt kann man mit einer Erhaltungsladung begegnen, wenn die Zellen jederzeit einsatzbereit sein sollen.

Nun raten aber alle Hersteller von NiMH-Zellen von einer Dauerladung ab, selbst wenn diese nur mit sehr kleinen Strömen durchgeführt wird. Im Panasonic "NI-MH Handbook Industrial Batteries" findet sich aber ein interessanter Vorschlag: die intermittierende, zeitgesteuerte Erhaltungsladung. Hier wird eine auf 4 Stunden zeitlich begrenzte Normallladung durchgeführt, wenn die Zellenspannung 1,3 V pro Zelle unterschreitet, was ca. 7 Tage nach Ende des Ladevorgangs der Fall ist. Nach Angaben des Herstellers wird die Effektivität der Ladung erhöht, die Lebensdauer der Zellen wird verlängert (verglichen mit einem dauerhaften Erhaltungsladungstrom) und der Stromverbrauch des Ladegeräts wird gesenkt. Diese Form der Erhaltungsladung ist in der Vollversion der Firmware implementiert.

Jede Erhaltungsladung wirkt sich wahrscheinlich negativ auf die Lebensdauer der Zellen aus. Man muss aber bedenken, dass dies ebenso für jeden Lade- und Entladevorgang gilt, ja selbst für das Lagern der Zellen. Ist die Erhaltungsladung nicht erwünscht, ist der Akku innerhalb weniger Tage nach Ladeende (grüne LED leuchtet dauerhaft) vom Gerät zu trennen.

Schaltungsbeschreibung

Kern der Schaltung ist der kleine Mikrocontroller vom Typ PIC 12F629, mit dem sich ein 14-Stunden Timer sehr leicht realisieren läßt. Der Controller verfügt außerdem über ein Komparator-Modul, mit dem die Klemmenspannung des Akkupacks in den verschiedenen Zuständen (laden, entladen, stand by) mit festen Werten verglichen werden kann.

Die Entladung erfolgt über einen ohmschen Lastwiderstand und wird vom Controller mit einem N-Kanal MOSFET als Schalter gesteuert.  Geladen wird mit einem von einem LM317 erzeugten Konstantstrom, hier mit einem P-Kanal MOSFET vom Controller geschaltet. Ein Standard-Spannungsregler vom Typ 7805 stellt die Versorgungsspannung für den PIC zur Verfügung. Über zwei Präzisionspotis mit 25 Gängen lässt sich sowohl die Entladeschlussspannung als auch der Ladestrom präzise einstellen.

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

Bei Anschluss eines Akkus wird die Klemmenspannung gemessen, liegt diese über 1 V/Zelle, beginnt der Entladevorgang. Erreicht der Akku seine Entladeschlussspannung, so wird auf Laden umgeschaltet. Nach 14 Stunden schließlich wird der Ladestrom abgeschaltet.

Sinkt die Klemmenspannung, bedingt durch die Selbstentladung des Akkus, auf Werte unterhalb von 1,3 V pro Zelle ab, so startet eine auf 4 h begrenzte Erhaltungsladung.

Wird der Akku während des Ladevorgangs vom Gerät getrennt, so verlischt die gelbe LED (Ladeanzeige) und die grüne LED blinkt. Wird der Akku wieder mit dem Gerät verbunden, erfolgt ein Neustart des Programmablaufs, d.h. der Akku wird ggf. wieder entladen und die Ladezeit beginnt wieder bei Null.

Bedeutung der LED

Vor Inbetriebnahme ist der Ladestrom und der Spannungsteiler zum Ermitteln der Akkuspannung unbedingt richtig einzustellen, der Akku könnte sonst beschädigt werden!

Zur Einstellung des Ladestroms ist die Kapazität der Zellen maßgeblich, zur Einstellung des Spannungsteilers die Anzahl der Zellen des Akkupacks. Dazu wird ein Vielfachmessgerät benötigt.

Einstellung des Ladestroms

Der Ladestrom wird auf 1/10 der Kapazität der Zellen eingestellt (C/10 Ladestrom). Für ein Akkupack mit einer Kapazität von 1800 mAh wird also ein Ladestrom von 180 mA eingestellt.

Der LM 317 regelt den Strom so, dass an R1/P1 (siehe Schaltplan) eine Spannung von 1,25 V abfällt. Mit den gewählten Werten (R1=4,7 Ω, P1=20 Ω) lässt sich der Ladestrom daher zwischen 50 mA und 260 mA einstellen. Damit lassen sich Akkus mit Kapazitäten zwischen 500 mAh und 2600 mAh laden. Zur Messung des Ladestroms wird ein Amperemeter zwischen Akku und Ladegerät geklemmt und der Strom entsprechend mit P1 eingestellt.

Höhere Ladeströme für Zellen größerer Kapazität sind durch Verkleinerung von R1 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 des Spannungsteilers

Die Akkuspannung wird über den Spannungsteiler R10/P2 (16kΩ/10kΩ) auf den invertierenden Eingang des Komparators gelegt, damit kann max. etwa 1/3 der Akkuspannung anliegen. Eine 5,1 V Zenerdiode schützt den PIC vor zu großen Spannungen. Der PIC wird so initialisiert, dass der nichtinvertierende Eingang des Komparators mit der internen Referenzspannungsquelle verbunden ist. Diese ist intern fest auf 1,458 V eingestellt. Die Entladeschlussspannung muss durch den Spannungsteiler auf diesen Wert (1,458 V) herabgesetzt werden.

Die richtige Einstellung des Potis ergibt sich durch Vergleich der gemessenen Akkuspannung U_Akku mit der an Pin 6 (Port GP0) gemessenen Spannung U_Pin6 durch folgenden Zusammenhang:

$$U_{Pin6} = \frac{U_{Akku}}{U_{Entladeschluss}} \cdot 1,458\, \mathrm{V}$$

Erreicht die Spannung am Akku die Entladeschlussspannung, so ist das Verhältnis beider Spannungen gleich Eins und an Pin 6 liegt gerade die Referenzspannung von 1,458 Volt an.

Beispiel mit 8 Zellen:

• Entladeschlussspannung U_{Entladeschluss} = 8 ⋅ 1,0 V = 8 V
• aktuell gemessene Akkuspannung U_Akku = 9,8 V
• \(U_{Pin6}= \frac{9,8 \, \mathrm{V}}{8 \, \mathrm{V}} \cdot 1,458\, \mathrm{V} = 1,79\, \mathrm{V} \)
• mit Poti P2 an Pin 6 die Spannung U_Pin6 = 1,79 V einstellen

Für einen NiMH-Akku sollte die Entladeschlussspannung 1,0 V/Zelle nicht unterschreiten.

Sender-Ladeprogramm

Viele Sender haben eine Schutzdiode integriert, die Kurzschlüsse oder Falschpolungen verhindern soll. Leider verhindert diese Diode auch die Möglichkeit, einen angeschlossenen Akku zu erkennen und so mit dem Laden bzw. Entladen zu beginnen.

Um die Akkus dieser Sender dennoch laden zu können, wird der Jumper JMP2 auf der Leiterplatte gesteckt.  Das Gerät startet direkt mit dem 14-stündigen Ladevorgang, selbst wenn kein Akku angeschlossen ist. Es kann weder eine Entladung noch eine Erhaltungsladung durchgeführt werden.

Ist das Sender-Ladeprogramm aktiviert, blinkt die grüne LED.

Download

Alle Unterlagen zum Nachbau stehen zum Download zur Verfügung. Die Leiterplatte ist einlagig und mit Hobbymitteln leicht herzustellen. Es werden keine SMD-Bauteile verwendet, auch das Löten sollte daher leicht gelingen.

Die Firmware für den Mikrocontroller ist einer Public-Version verfügbar, die sich von der Vollversion in folgenden Punkten unterscheidet:

• keine Erkennung nicht angeschlossener Akkus
• die beiden Jumper haben keine Funktion
• keine Erhaltungsladung
• soll eine Entladung durchgeführt werden, muss zunächst der Akku mit dem Gerät verbunden werden, erst dann wird das Gerät eingeschaltet. Wird der Akku angeschlossen, wenn das Gerät schon eingeschaltet ist, wird der Entladevorgang übersprungen.

Dateien:

Ladegerät für NiMH Akkus

• Public-Version der Firmware
• Belichtungsvorlage für die Leiterplatte
• Schaltplan
• Bestückungsplan

 private Nutzung

 10.02.2019

 50.81 KB

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