Forum

Nachdem ich schon zweimal per E-Mail gefragt wurde möchte ich einmal etwas genauer erklären wie mein Akku-Ladegerät funktioniert für das ich einen DA-Wandler suche und warum ich überhaupt noch eine Schaltung dafür entwickle obwohl es schon weiß Gott wieviele andere davon gibt.

Ausgangspunkt für meine Entwicklung war daß ich im Laufe der Jahre mit kommerziellen Ladegeräten schon 3 NiMH-Akkupacks zerstört habe und mehrere weitere nur durch den Zeitschalter vor dem hoffnungslosen Überhitzen gerettet wurden. Das Problem war in allen Fällen daß die -dU/dt - Abschaltung versagt obwohl die Ladegeräte jeweils ausdrücklich auch für NiMH-Akkus mit der gegebenen Zellenzahl und Kapazität ausgelegt waren.

Für meine Schaltung hatte ich mir daher die Aufgabe gestellt daß die Ladung prinzipiell begrenzt ist und die Zellen unter allen Umständen nicht wesentlich überladen werden können.

Diese Forderung kann von -dU NICHT erfüllt werden weil dieses Verfahren aktiv abschaltet wenn es erkennt daß die Zellen Überladen werden, deswegen sind zusätzlich weitere Sicherheitsfunktionen nötig.

Stattdessen habe ich die Funktion umgekehrt, die Ladung findet nur solange statt wie die Schaltung erkennt daß die Zellen die Ladung auch aufnehmen und chemisch speichern können.


Zur Realisierung in Standard-Logik habe ich zwei Zähler '4040; zwei NAND-Sammlungen '4011 und einen Komparator von einem LM393 genommen.

Der eine Zähler - nennen wir ihn der obere - gibt die Zeit vor. Er wird von einem Taktgeber dauernd langsam weiter geschaltet, ist nach wenigen Minuten die Grenze erreicht wird die Ladung beendet.

Der zweite Zähler - nennen wir ihn den unteren - verfolgt die Ladespannung vom Akku. An diesem Zähler ist der DA-Wandler angeschlossen und dessen Ausgangsspannung wird vom Komparator mit der Akkuspannung verglichen. Hat der Zähler noch nicht den Stand erreicht der zur Akkuspannung gehört wird er langsam weiter geschaltet so daß die Spannung vom DA in vielen kleinen Stufen ansteigt. Gleichzeitig setzen diese Impulse den oberen Zähler immer wieder auf Null zurück.

Ist der untere Zählerstand hoch genug kippt der Komparator zurück und stoppt den unteren Zähler. Gleichzeitig kann der obere loszählen.

Steigt die Akkuspannung weiter wird wieder ein Taktimpuls zum unteren Zähler gegeben und der obere zurückgesetzt.

Steigt die Akkuspannung innerhalb von mehreren Minuten nicht mehr weiter so erreicht der obere Zähler seine Grenze und die Ladung wird beendet.

Weitere Möglichkeiten die Ladung zu beenden sind 1. die absolute Akkuspannung erreicht 1,8V/Zelle (Strom zu hoch oder Zelle defekt) oder 2. die Temperatur erreicht ca. 50 Grad und aktiviert den 2. Komparator.


Ein weiterer Vorteil dieser Lademethode, Plateaumethode genannt, ist daß sie unabhängig vom genauen Wert des Ladestromes ist. Die Abschaltung funktioniert selbst bei < 0,1C/h und/oder abweichenden Zellen im Akkupack zuverlässig.

» Ein weiterer Vorteil dieser Lademethode, Plateaumethode genannt, ist daß
» sie unabhängig vom genauen Wert des Ladestromes ist. Die Abschaltung
» funktioniert selbst bei < 0,1C/h und/oder abweichenden Zellen im Akkupack
» zuverlässig.

Du kommst nicht zufällig aus Graz?

Hallo,

vor zwei oder drei Jahren habe ich mich auch mit den Ladetechiken von NiMh bzw. NiCd befasst. Dabei sind mir viele Methoden untergekommen, wie erkannt werden kann, dass der Akku "voll" ist.
Die (damals) verbreitetste Form der Erkennung war die genannte -dU Abschaltung. Ich habe mir dann auch ein Ladegerät gekauft, dass so arbeitet.
Allerdings kann ich dir rechgeben, das ist alles Mist! So kann nur bei neuen, guten und regelmäßig verwendetetn Zellen richtig abgeschaltet werden (zumindest ist das meine Erfahrung). Liegen die Zellen länger herum, schaltet mein Ladegerät bereits lange vor dem erreichen der vollen Ladung ab.


Damals habe ich auch gelesen, dass das beste Verfahren zur Abschaltung die Messung der Temperatur der Akkus ist. Es soll die einzige möglichkeit sein, feststellen zu können, ob der Akku noch ladung aufnehmen kann.
Steigt die Temperatur an, so heißt das, es kann keine Ladung mehr aufgenommen werden, und die Energie die in den Akku gepumpt wird, verursacht nurnoch wärme.

Zugegeben, von den chemischen Vorgängen in einem Akku habe ich wenig Ahnung, aber diese Erkärung schien mir doch sinnvoll.

Deinen Ansatz mit der Plateauladung finde ich sehr spannend und klug. Allerdings hört sich das doch komplizierter an als die Abschaltung mittels Temperaturmessung.

Wobei die Messung der Akkutemperatur, unabhängig von der Bauform des Akkus, sich auch als schwierig erweisen könnte.

Wieso suchst du einen DA Wandler, wäre das nicht ein perfektes Einsatzgebiet für einen Mikrcontroller?

lg Stefan

» Hallo,
»
» vor zwei oder drei Jahren habe ich mich auch mit den Ladetechiken von NiMh
» bzw. NiCd befasst. Dabei sind mir viele Methoden untergekommen, wie erkannt
» werden kann, dass der Akku "voll" ist.
» Die (damals) verbreitetste Form der Erkennung war die genannte -dU
» Abschaltung. Ich habe mir dann auch ein Ladegerät gekauft, dass so
» arbeitet.
» Allerdings kann ich dir rechgeben, das ist alles Mist! So kann nur bei
» neuen, guten und regelmäßig verwendetetn Zellen richtig abgeschaltet
» werden (zumindest ist das meine Erfahrung). Liegen die Zellen länger
» herum, schaltet mein Ladegerät bereits lange vor dem erreichen der vollen
» Ladung ab.
»
»
» Damals habe ich auch gelesen, dass das beste Verfahren zur Abschaltung die
» Messung der Temperatur der Akkus ist. Es soll die einzige möglichkeit sein,
» feststellen zu können, ob der Akku noch ladung aufnehmen kann.
» Steigt die Temperatur an, so heißt das, es kann keine Ladung mehr
» aufgenommen werden, und die Energie die in den Akku gepumpt wird,
» verursacht nurnoch wärme.
»
» Zugegeben, von den chemischen Vorgängen in einem Akku habe ich wenig
» Ahnung, aber diese Erkärung schien mir doch sinnvoll.
»
» Deinen Ansatz mit der Plateauladung finde ich sehr spannend und klug.
» Allerdings hört sich das doch komplizierter an als die Abschaltung mittels
» Temperaturmessung.
»
» Wobei die Messung der Akkutemperatur, unabhängig von der Bauform des
» Akkus, sich auch als schwierig erweisen könnte.
»
» Wieso suchst du einen DA Wandler, wäre das nicht ein perfektes
» Einsatzgebiet für einen Mikrcontroller?
»
» lg Stefan

Hallo Stefan,

ich klinke mich mal kurz ein. Vielen Dank für Deinen Hinweis mit der Akkutemperatur. Ich hab im Gegensatz zu Dir das Problem, dass mein Ladegerät (bekannter Hersteller mit A am Anfang) besonders bei nicht ganz vollständig entladenen Akkus Probleme mit der -dU-Abschaltung hat. Solche Akkus habe ich öfters in Geräten, die eigentlich für Normalbatterien ausgelegt sind und dann schon bei ca. 1,1V schlapp machen, wenn also ein Akku noch einiges an Ladung hat. Das Ladegerät brät dann unbeeindruckt weiter Strom in den Akku, so dass der ordentlich heiß wird. Ich denke nicht, dass das für die Lebensdauer besonders positiv ist.

Kennst Du denn Geräte, die nach dem Temperaturprinzip arbeiten? Ich denke mal, von der Abschaltung ist das noch am zuverlässigsten, sofern man die Temperatur einigermaßen gut abgreifen kann.

Schöne Grüße,
Björn

» Kennst Du denn Geräte, die nach dem Temperaturprinzip arbeiten? Ich denke
» mal, von der Abschaltung ist das noch am zuverlässigsten, sofern man die
» Temperatur einigermaßen gut abgreifen kann.

Also untergekommen ist mir so ein Ladegerät noch nicht. Ich fürchte auch sowas wird nicht leicht aufzutreiben sein, da ja wie gesagt das Problem der Temperaturmessung besteht.

Als Komsument wünscht man sich ja ein Ladegerät, mit dem man möglichst viele verschiedene Akkus laden kann, sprich von AAA bis D genauso wie Akkupacks mit 2 bis 14 Zellen, und dann noch dazu Blei und Lithium Akkus.
Bei so vielen möglichen Bauformen noch eine zuverlässige Temperaturmessung zu realisieren, die dann auch noch für jeden technisch unausgebildeten Anwender durchführbar ist, stellt vermutlich den Knackpunkt in der Entwicklung dar...

lg Stefan

> Du kommst nicht zufällig aus Graz?

Nein, warum?


> Allerdings kann ich dir rechgeben, das ist alles Mist! So kann nur bei neuen, guten und regelmäßig verwendetetn Zellen richtig abgeschaltet werden (zumindest ist das meine Erfahrung). Liegen die Zellen länger herum, schaltet mein Ladegerät bereits lange vor dem erreichen der vollen Ladung ab.

Dann hast du Glück gehabt. Ich hatte mit zwei kommerziellen Geräten das Problem daß die die Akkupacks geladen haben bis die Zellen aufgeplatzt sind. Bei einem Telefonakku hat mich das 5 sehr teure Flachzellen gekostet, die anderen beiden Akkupacks konnte ich mit handelsüblichen Zellen neu bestücken.

Das eine Gerät ist von Ansmann, das andere hatte ich mir von einem Modellbauer geliehen und kann mich an die Marke nicht mehr erinnern, ich glaube ein Conrad-Gewächs war es.

Das Problem tritt vor allem dann auf wenn die Akkus wenig benutzt oder schlecht gepflegt wurde und die einzelnen Zellen immer stärker voneinander abweichen. Dann addieren sich die Höchstwerte nicht mehr sondern erscheinen zeitlich hintereinander und das Ladegerät erkennt keinen eindeutigen Rückgang der Spannung. Entweder schaltet es viel zu früh ab oder lädt bis zum bitteren Ende.

-dU war übrigens ein Ladeverfahren aus der Analogzeit der '70er Jahre. Am Anfang hat man das mit einem Spitzenwertgleichrichter gelöst, mit steigender Zellenspannung einen Kondensator geladen und wenn die Spannung gegenüber dem Kondensator wieder gefallen ist war es Zeit zum Abschalten.

> Damals habe ich auch gelesen, dass das beste Verfahren zur Abschaltung die Messung der Temperatur der Akkus ist.

Unter gewissen Voraussetzungen ja. Man muß aber auch berücksichtigen daß die Akkus vor der Ladung kälter oder wärmer als die Umgebung gewesen sein können und sich das Gerät selbst ebenfalls erwärmt.

Die Berichte die ich so gelesen habe empfehlen die absolute Temperatur nur für eine Notabschaltung zu messen und für die eigentliche Ladung zu verfolgen wie die Temperatur relativ zum Beginn steigt. Zeigt die Kurve einen Knick und steigt auf einmal sehr viel stärker ist die normale Ladung vollendet.

> Steigt die Temperatur an, so heißt das, es kann keine Ladung mehr aufgenommen werden, und die Energie die in den Akku gepumpt wird, verursacht nurnoch wärme.

Richtig.

Wenn der Akku voll geladen ist sind keine Materialien mehr vorhanden an denen die erwünschte Elektrolysereaktion stattfinden kann, stattdessen entstehen direkt Wasserstoff und Sauerstoff die wieder zu Wasser reagieren und dabei Wärme freisetzen.

Das Ladeende kann man entweder dadurch erkennen daß die Spannung nicht mehr weiter steigt und/oder daß jetzt stattdessen die Temperatur stark steigt.

Letzteres wird indirekt auch von -dU genutzt. Wenn der Akku kräftig überladen wird steigt die Temperatur schnell und stark. Ist der Akku in gutem Zustand so sinkt irgendwann die Spannung wieder weil die Elektrolysespannung einen negativen Temperaturkoeffizienten hat.

> Wobei die Messung der Akkutemperatur, unabhängig von der Bauform des Akkus, sich auch als schwierig erweisen könnte.

Bei Einzelzellen könnte ich einen NTC mit einer Feder andrücken und bei Selbstbau-Akkupacks mit einkleben, das Hauptproblem sind fertig vorhandene Akkupacks an denen nachträgliche Änderungen kaum möglich sind. Und gerade von letzteren habe ich eine gewisse Sammlung für die ich mein Gerät entwickelt habe.

> Wieso suchst du einen DA Wandler, wäre das nicht ein perfektes Einsatzgebiet für einen Mikrcontroller?

Eigentlich brauche ich einen AD-Wandler, nehme aber einen DA-Wandler; einen Zähler und einen Komparator weil diese Kombination den Zweck auch erfüllt und "pflegeleichter" ist.

Ein µC wäre nicht schlecht und würde noch viel mehr Freiheiten bieten, Display mit Menüführung; variabler Ladestrom; weitere Sicherheits- und Komfortfunktionen. Hättest du Interesse die Programmierung zu übernehmen und als Freeware / Open Source zur Verfügung zu stellen? Mathematik und Ablaufpläne dazu kann ich dir gerne zur Verfügung stellen, ich bin blos kein guter Programmierer und entwickel lieber die Hardware.

Von mir aus können wir gerne ein Multifunktions-Ladegerät zum freien Nachbau entwickeln.


> Kennst Du denn Geräte, die nach dem Temperaturprinzip arbeiten? Ich denke mal, von der Abschaltung ist das noch am zuverlässigsten, sofern man die Temperatur einigermaßen gut abgreifen kann.

> Also untergekommen ist mir so ein Ladegerät noch nicht. Ich fürchte auch sowas wird nicht leicht aufzutreiben sein, da ja wie gesagt das Problem der Temperaturmessung besteht.

So etwas habe ich früher öfter bei billigen Akkuschraubern gesehen, im Extremfall Trafo-Gleichrichter-Bimetallschalter. War der Akku voll geladen ist der Schalter umgesprungen und hat im Fenster ein grünes Feld gezeigt, hat man den Akku in die Maschine gesteckt wurde der Schalter wieder zurückgedrückt.

» > Du kommst nicht zufällig aus Graz?
»
» Nein, warum?

Das ist die europäische Hauptstadt des Akku-Voodoo.

> Das ist die europäische Hauptstadt des Akku-Voodoo.

BTI-CCS?



An der Stelle kann ich euch vollkommen beruhigen, ich bin der Open-Source-Szene treu und veröffentliche gerne meine Tricks und Funktionsbeschreibungen sobald eine Schaltung nachbaureif ist. (Leider bleibt es aus Zeitmangel aber meistens beim Labormuster)