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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Akku Ladeschaltung - Stromregelung


Autor: Marco (Gast)
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N'Abend zusammen,

nach langer Zeit habe ich mir endlich mal wieder ein Elektronikprojekt
aufgenommen. Es soll also ein Ladegerät werden. Erstmal nur für NiMH
Akkus, aber je nach dem wie es klappt lässt sich das noch ausweiten.

Geplant ist erstmal das gleichzeitige Laden von zwei Mignonzellen, da
ich fast nur Geräte habe die zwei Zellen auf einmal brauchen (z.B.
Telefon und GBA g). Ich habe Zellen mit 1200, 1800 und 2200mAh die
ich gerne mit C/2 bis C/4 laden möchte, da NiMH Akkus das so am
liebsten haben :)

Zur Ladeschlusserkennung soll permanent die Spannung überwacht werden
und die "schnelle" Ladung abgebrochen werden sobald die
Zellenspannung nicht mehr steigt (also zurz vor der Überladung).
Die letzten paar Minuten wird mit etwa C/40 weitergeladen.

Soweit so gut. Ich habe nun leider nicht so wirklich Ahnung davon wie
die Schaltung aussehen soll.
Auf dem Gipfel der Ladekurve haben die Zellen eine Spannung von knapp
1,55V. Ich werde zwei Zellen gleichzeit in Reihe laden, macht dann etwa
3,1V. 3V kann ich von einem kleiner Schaltnetzteilplatine abgreifen die
max. 3A liefert (wohl eher 2A).
Aber dann habe ich ja noch keine Strombegrenzung. Diese soll nämlich
per AVR einstellbar sein und muss während des Ladevorgangs überwacht
und evt. korrigiert werden.
Nur wie macht man das? Einfach einen MOSFET zwischen 3V Schaltregler
und Akku löten den man über PWM ansteuert und das resultierende
Rechtecksignal glättet? Oder auch nicht weil der Akku als riesengroßer
Elko herhält... :)

Wichtig ist jedenfalls dass ich sowohl die Spannung als auch den Strom
sehr genau messen und den Strom nach Belieben im Bereich von sagen wir
mal 100-1000mAh einstellen kann.

Die Auflösung der Spannungsmessung sollte idealerweise bei etwa 1mV
liegen. Mit dem internen 10Bit ADC des Mega32 kann ich das aber bei 3V
vergessen. Ist aber auch nicht sooo schlimm. Ich muss nur eine
sinnvolle Referenzspannung finden mit der sich gut rechnen lässt. Die
internen 2,56V sind ja leider zu wenig.

Den Strom könnte ich z.B. über einen 1Ohm Widerstand messen. Dafür
würden auch 8Bit reichen denn das wäre ja immerhin schon eine Auflösung
von ~11mAh pro Schritt und geplant sind Schrittweiten von 100mAh.

Also... kurz zusammengefasst: Wie realisiere ich eine einfache
Stromregelung im Bereich von 100-1000mAh (für den Einsatz in einem
Akkuladegerät)?

Autor: geloescht (Gast)
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Dieser Beitrag wurde auf Wunsch des Autors geloescht.

Autor: wfischer (Gast)
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Mit PWM brauchst du da nicht anfangen. Die Verlustleistung ist maximal
(tiefentladene Akkus) 3V*1A=3Watt. Das lässt sich auch bei einer
Linearregelung problemlos kühlen. PWM mit Glättung wäre da zu viel
Aufwand.

Wie willst du den Strom mit einem 10 Ohm Widerstand messen? Bei einem
Strom von 1A ergibt sich ein Spannungsabfall von 10V, was bei 3V
Versorgungsspannung natürlich nicht geht. Der Shunt muss auf jeden Fall
viel kleiner werden.

Autor: DerMax (Gast)
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Wer lesen kann.... :P
Er hat 1 (in Worten Ein) Ohm geschrieben :)

Deine 3V könnten aber trotzdem etwas knapp bemessen sein, schließlich
brauchst du ja noch etwas Spielraum zum regeln.

Ich hab gerade eine einfache Ladeschaltung gebaut wo ich den Ladestrom
über ein Poti einstelle. Ein Operationsverstärker vergleicht dann den
Spannungsabfall am Shunt (Widerstand zum Strommessen) und den Sollwert
am Poti und steuert einen Transistor an, der dann den gewünschten Strom
durchlässt.
Du müsstest dann nur das Poti ersetzen damit du den Strom mit einem
Mikrocontroller steuern kannst. Z.B. einen PWM Ausgang nehmen, glätten
und mit Spannungsteiler auf den Bereich runterteilen der am Shunt
abfällt.
Damit müsstest du eine Auflösung von ein paar mA schaffen und die DA
Wandlung könntest du dir eigentlich sparen, da du dann ja weißt wieviel
am Shunt abfällt. Nämlich genauso viel, wie aus deinem PWM rauskommt,
dafür sorgt der Operationsverstärker.

Autor: wfischer (Gast)
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Die AD-Wandlung von dem Strom bei dem Shunt kann man sich nicht so
einfach sparen, da die Akkus relativ bald die maximale Spannung von 3V
erreichen und damit der Transistor voll durchgeschaltet wird. Der Strom
ist dann niedriger, als der µC per PWM eingestellt hat. Auch ein Shunt
von 1 Ohm ist bei 3V Eingangsspannung eindeutig zu viel, da bei einem
Strom von 1A eine Spannung von 1V abfällt. Da müsste man entweder 0.1
Ohm verwenden oder gleich eine höhere Betriebsspannung wählen.
Alternativ kann man die beiden Akkus auch getrennt laden. Der
Microcontroller hat genug Anschlüsse, um mehrere unabhängige
Ladeschaltungen zu betreiben. Das ist auch für die Akkus besser, da
jeder Akku genau voll geladen wird.

Autor: Steffen (Gast)
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"Zur Ladeschlusserkennung soll permanent die Spannung überwacht werden
und die "schnelle" Ladung abgebrochen werden sobald die
Zellenspannung nicht mehr steigt (also zurz vor der Überladung).
Die letzten paar Minuten wird mit etwa C/40 weitergeladen."

Meinst Du, dass funktioniert? Wenn ich mir die Ladekurve ansehe, wann
steigt die Zellspannung nicht mehr? Kurz vor dem Delta-Peak, also warum
verwendest Du den nicht? C/40 kannst Du dann als Erhaltungsladung
trotzdem verwenden.

Wenn die Akkus in Reihe geladen werden, sollten diese "formiert"
werden, also vor der ersten Schnelladung (und auch mal zwischendurch)
mit C/10 12..14h laden. Sonst kann es passieren, dass eine Zelle voll
ist, die andere aber noch halblehr.

Autor: Marco (Gast)
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Danke für die guten Tipps!

1 Ohm als Shunt ist wohl doch ein bisschen viel gewesen... ich hatte
nur gerade einen solchen Widerstand herumliegen und mit dem hab ich's
dann mal schnell freiluftverdrahtungsmäßig getestet... ich habe auch
noch 0,01Ohm Shunts aus Netzteilen... das is aber wohl ohne Verstärkung
ein bissel wenig oder? Dann würden ja pro A gerade mal 10mV abfallen.
(Ich kenn mich in der Messtechnik nicht wirklich aus, ihr merkt es
g).
Da fällt mir aber ein... hat der Mega32 nicht auch die Möglichkeit der
Verstärkung des Signals das über die AD Ports reinkommt um den Faktor
10? Das könnte dann ja wieder Sinn machen.

@Steffen: Meinst du damit dU/dt? Also die Ableitung der Spannung nach
der Zeit? Das ist wohl das beste nur muss ich erst noch rausfinden wie
ich das dem AVR unter C schonend beibringe g.
Denn -dU möchte ich vermeiden da dort evt. während der Akku noch
garnicht voll ist kurze negative Peaks als "Akku voll" falsch
interpretiert werden könnten und wenn alles glatt läuft der Akku ja
auch ein ganz kleines bisschen überladen wird (Sauerstoffansammlung an
der Anode und dadurch Druck- und Temeraturanstieg).

@wfischer: Wie funktioniert denn grob eine Stromregelung mit Transistor
oder MOSFET+PWM (letzters wäre mir schon lieber weil ich auf dem Gebiet
auch noch Erfahrung sammeln muss/möchte)?

@wfischer: Einzelzellenladung... ja klar! Wär super! Nur verstehe ich
eins noch nicht so ganz... Wenn ich einen einzigen Akku laden will
brauche ich dann eine Spannungsquelle mit genau 1,55V? Was passiert
wenn ich eine Einzelzelle mit 3V lade? Geht das auch wenn die
Spannungsüberwachung korrekt arbeitet?

Autor: DerMax (Gast)
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@wfischer: Deswegen meinte ich ja auch das eine etwas höhere Spannung
daher trotzdem ganz gut wär.

> Wenn ich einen einzigen Akku laden will
> brauche ich dann eine Spannungsquelle mit genau 1,55V?

Natürlich nicht, dafür is ja der Transistor da: Um die überflüssige
Spannung zu verheizen.

Autor: Steffen (Gast)
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"@Steffen: Meinst du damit dU/dt? Also die Ableitung der Spannung nach
der Zeit? Das ist wohl das beste nur muss ich erst noch rausfinden wie
ich das dem AVR unter C schonend beibringe g.
Denn -dU möchte ich vermeiden da dort evt. während der Akku noch
garnicht voll ist kurze negative Peaks als "Akku voll" falsch
interpretiert werden könnten und wenn alles glatt läuft der Akku ja
auch ein ganz kleines bisschen überladen wird (Sauerstoffansammlung an
der Anode und dadurch Druck- und Temeraturanstieg)."

Ja, genau das meine ich. Kurze negative Peaks müsste die Software
natürlich ausblenden. Wenn Du absolut sicher sein willst, dass die
Zellen nicht überladen werden, dann fällt mir nur CCS ein. Ob das aber
wirklich das Nonplusultra ist, da streiten sich die Experten.

Autor: Marco (Gast)
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Also ich hab mich jetzt mal rangesetzt und die Sache mit der
Stromregelung mal ausprobiert.
Diese einfachsten Schaltungen habe ich in meiner Kindheit irgendwie nie
so ausführlich aufgebaut oder es ist schon zu lange her g jedenfalls
siehts jetzt so aus wie im Anhang.

Ein uralter NiCd Akku muss für die Versuche herhalten. Den Saft bekommt
die Steckbrettschaltung aus einem 7V Netzteil das max. 1,2A liefert
(auch nur zum testen).
Ein Mosfet (BUZ73) verdaut die überschüssig Spannung und über ein Poti
am Gate habe ich einen Strom von 200mA eingestellt (über 1Ohm "Shunt"
gemessen).
Mehr als etwa 600mA bekomme ich aber nicht hin. Warum?

In diesem Moment fallen am Akku 1,479V ab. Ich bin schon auf den
Einbruch gespannt wenn er voll ist...

Ach ja... die Bauteile habe ich nicht sorgfältig ausgewählt sondern das
zusammengesteckt was als oberstes in der Bastelkiste lag g... ist ja
auch alles nur ein Test.

Also: Geht das theoretisch so oder bin ich komplett aufm Holzweg? Wie
gesagt von solchen Dingen habe ich LEIDER nicht so viel Ahnung :(

Autor: Marco (Gast)
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Hab vergessen zu erwähnen dass der Mosfet trotz Kühlkörper spürbar warm
wird. Ich schätze die Temeratur auf 35-40°C

Autor: DerMax (Gast)
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Der von dir verwendetet FET brauch ca. 10V Gate Spannung um komplett
durchzuschalten. wenn deine Schaltung nur 7V liefert, schaltet er nich
richtig durch und es fällt immer nen Teil der Spannung am FET ab, daher
kommst du nicht auf den vollen Strom. Lösung wäre ein Logik Level FET
oder ein bipolarer PNP Transistor.
Ansonsten is deine momentane Schaltung noch keine richtige Regelung da
am Gate des FETs ne feste Spannung liegt und nichts was von der
Akku-Spannung beeinflusst wird.
Der Spannungseinbrauch am Akku, wenn er voll ist sind übrigens nur
einige mV, also so deutliche Unterschiede wird man da nicht sehen denk
ich.

Autor: Marco (Gast)
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Das war doch eh alles nur ein Test :)

Aber ok. Der FET scheint nicht der beste für meinen Zweck zu sein. Dann
besorge ich mir wohl besser einen FET oder Transistor der bei 5V voll
durchschaltet.
Das das natürlich keine Regelung ist weiß ich ja, es kam mir nur darauf
an zu sehen wie man den Strom in meinem Fall regeln kann. Das klingt
trivial aber soooo klar es mir nicht gewesen dass ich mit einem
Transistor und einer variablen Spannung am Gate den Stromfluss
einstellen kann g

Naja und was mir noch aufgefallen ist: Beim Laden habe ich mit dem AVR
wieder mitgemessen (parallel zum Multimeter) und habe festgestellt dass
das Messsignal EXTREM verrauscht ist. Es schwankt im Bereich von etwa
15mV was natürlich für eine Ladeschlusserkennung katastrophal ist.
Liegt wohl an der hügeligen Spannungsquelle???

Autor: Dddddd Dddd (easman)
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Hallo

Ich bin neu hier in diesem Forum.

Ich wollte nur mal fragen ob jemand eine Ladeschaltung weis für einen 
3,6V AKku. Ich habe zwar schon Schaltungen gefunden nur sind diese viel 
zu "groß" und können mehr als ich wirklich benötige.
Ich brauche diese nämlich für mein Projekt das Solarkennlinienmessgerät.
Dieses soll sehr klein gehalten werden und somit sind mir meine derzeit 
bekannten Schaltungen viel zu groß.

2. "Problem"
Es soll über USB geladen werden und somit sehen wir nur 5V für die 
Ladeschaltung zu verfügung.

Vielleicht hat jemand eine Idee von euch die besser sind als die 
Meinigen?

Mfg Easman

Autor: matt (Gast)
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Autor: Blackbird (Gast)
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Im letzten Heft des "Funkamateur" ist eine Schaltung mit ATMega8 drin, 
die fast genau das macht was der Fragesteller will. Mit C-Sourcen und 
Hinweisen zum Anpassen an andere Spannungen und Zellen. Abschaltung über 
Delta-U.
Schönes Projekt, klein und übersichtlich.

Blackbird

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