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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik NiMH Ladung


Autor: Daniel Lancelle (Gast)
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Hallo alle zusammen!

Ich habe eine Ladeschaltung zum Laden eines NiMH-Akkupacks gebaut. Das
Akkupack wird Konstantstrom geladen. Als Abschaltkriterium sollen
sowohl dU/dt und dT/dt dienen. Um für mein Akkupack diese Werte zu
ermitteln, hab ich meine SChaltung so programmiert, daß ein leeres
Akkupack einmal vollgeladen wird und dabei Klemmspannung und Temperatur
gemessen werden. Aus den Ladekurven will ich dann die genauen Werte für
die Abbruchkriterien entnehmen.

Das Problem ist jetzt, daß die Akkus im teilgeladenen Zustand geliefert
wurden (Mein Akkupack besteht aus 6 Zellen in Reihe mit einer Kapazität
von 9000mAh). Also mußten die Akkus erstmal entladen werden. Da kein
Datenblatt erhältlich ist, habe ich ein Datenblatt von einem ähnlichen
Akku (Gleiche Kapazität, nur andere Bauform) zu Rate gezogen . Darin
stand, daß die Akkus entladen sind, wenn die Klemmspannung auf 1V pro
Zelle abgesunken ist. Der Akku sollte dabei mit einem Strom ab 1,8A
entladen werden. Allerdings ging nicht daraus hervor, ob die 1V als
Leerlaufspannung oder Spannung bei entnommenem Ladestrom gemeint sind.
Hat jemand von euch da Ahnung? Ich habe bei der Entladung die 1V Grenze
unter Belastung gewählt.

Nach dem Laden (4h bei 2400mA, laut Aufdruck auf den Zellen)ließ sich
der dT/dt Effekt in der Ladekurve einigermaßen gut erkennen. Der dU/dt
Effekt trat aber schon bei rund der Hälfte des Ladevorgangs auf. Waren
die Akkus jetzt nicht richtig entladen? Hätte ich die 1V Grenze ohne
Entladestrom messen müssen? Ich habe mal die Meßwerte angehängt,
vielleicht kann mir jemand mal was dazu sagen. Vielen Dank.

Grüße
                      Daniel

Autor: buz11 (Gast)
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Entladeschluss-Spannung kann man wohl nur unter Last messen .
Bei Strömen von ca. 1C würde ich bei 0,9 V pro Zelle abschalten .
Bei grössere Belastung ( so ca. 5C ) erst bei 0,8 V / Zelle .

Zum Thema Hochstromladen ( mehr als 1/10 C !) bei NiMH :
es gibt schön aussehende , relativ teuere , fertige Ladegeräte ,
die nicht in der Lage sind , zuverlässig abzuschalten !
Entweder zu früh , oder zu spät , oder mal auch richtig ...

Das "Zellenrauschen" ( Spannung ) ist bei :
alten , lange nicht benutzten , oder ganz neuen Akkus so gross ,
dass man den delta-peak nur schwer ermitteln kann .

( delta-peak war bei NiCd viel grösser )

Autor: rayelec (Gast)
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Zur ersten Frage: ich würde das Entlade-Abbruchkriterium ebenfalls unter
Belastung bestimmen. In diesem bereich fällt die Spannung bei Belastung
sowieso steil ab.
Die Bestimmung des Ladeendes ist soviel ich in meiner "Karriere" bis
heute mitbekommen habe, eine sehr heikle Sache, wo sich schon einige
Ingenieure die Zähne ausgebissen haben. Erstens ist der Effekt v.A. bei
NiMH sehr klein und zugleich abhängig von Temperatur, Ladestrom und
individuellen unterschieden zwischen verschiedenen Zellen. Ganz zu
schweigen von schlechten Kontakten...
Zu deinem Problem während der Hälfte des Ladevorgangs meinte ich
gelesen zu haben, dass in diesem Bereich die Kurve sehr flach verläuft
und sich deshalb leicht Fehler einschleichen können.
Nicht umsonst haben einige Lade-IC Hersteller ihre Algorithmen
patentieren lassen (Galaxy-Power, CCS, Maxim...)! Ich denke, Du wirst
mit schwerem mathematischem Geschütz auffahren müssen, um in jedem Fall
zuverlässige Resultate zu erhalten!

Trotzdem viel Glück!

Autor: Daniel Lancelle (Gast)
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Danke erstmal. Also, das Akkupack ist immer dasselbe und die Akkus sind
miteinander verlötet. Also müßten Kontaktprobleme eigentlich nicht
vorkommen. Aber ich schau mal weiter...

Autor: Daniel Lancelle (Gast)
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@buz11
Hab auch gelesen, daß der Delta Peak bei NiMH geringer ausfällt und
variieren kann. Daher will ich ja auch noch den dT Peak mit verwerten.
Was mich nur gewundert hat, ist das die Kurve nach der frühen
Abflachung wieder ansteigt.

Gruß

Autor: buz11 (Gast)
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Ich hab mir zwar ein NiMH Schnell-Ladegerät (dU/dt) gebaut ,
traue der Kiste noch nicht so ganz ...


Im Vergleich zu NiMH haben NiCd Akkus
einen Riesenbuckel in der Spannungskurve .
Bei ca. 3000 Ladezyklen (in etwa 6 Jahren RC-Car Racing )
nicht eine Fehlabschaltung !
( Eigenbau mit ICS1700 )


Am sichersten wäre ein Temeraturfühler im Akkupack .
Dann kann ja nix schiefgehen .

Autor: Blackbird (Gast)
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Neue Akkus sollten erst formiert werden, bevor sie mit 1C oder höher
geladen werden. Die Zellen haben noch unterschiedliche Ladezustände,
d.h., Deine Entladeschlußspannung von 6,00 V bei 1,8 A bedeutet NICHT,
das ALLE Zellen die gleiche Entladeschlußspannung von 1,00 V hatten!
Formiert wird üblicherweise 1x bis 3x mit Normalladestrom über 16h (die
Überladereserve wird dabei nicht angegriffen) mit anschließenden
Entladen mit 0,1C! bis 6,00 V. Das garantiert, das keine Zelle umgepolt
wird. Erst danach sollte die erste Schnell-Ladung mit 2,5C bis 3C
erfolgen. Kleinere Ladeströme haben einen zu kleinen Delta Peak und
sind für dieses Ladeverfahren ungeeignet.

Die erste Schnell-Ladung kannst Du temperaturüberwacht durchführen
(max. 45 °C, besser darunter), wenn Deine Ladeendeerkennung noch nicht
"geeicht" ist.
NiMH-Akkus auf keinen Fall umpolen!

Blackbird

Autor: Daniel Lancelle (Gast)
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ok, dann werde ich nochmal eine Formatierung durchführen und die
Ladekurve nochmal neu aufzeichnen. Bin mal gespannt wie die dann
aussieht. Ok, bei 9000mAh ist ein Ladestrom von 2400 mA ja nur eine
Ladung mit 0,26C, aber auf den Akkus stand drauf: "Schnelladung max.
2400mA 4h". eigentlich wollte ich ja mit 3A laden, aber anscheinend
ist das nicht gestattet, was mich allerdings wundert, da ander
NiMH-Zellen ja auch mit mehreren C geladen werden. Vielen Dank für alle
Infos.

Grüße
                       Daniel

Autor: Daniel Lancelle (Gast)
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PS: nochmal zum Vertändnis; ich entlade den Akku nochmal grob und lade
dann mit ca. 570 mA 16 h lang und entlade dann bis zu einer Spannung
von 1V pro Zelle unter Belastung. Temperaturfühler ist im Akkupack
drin.

Gruß

Autor: Marco S (Gast)
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Hier mal einige Ladekurven von mir.

In der Tat ist der "Spannungsbuckel" von NiMH kleiner als bei NiCd.
Allerdings ist bei den NiMH-Kurven zu beachten, dass mit
C=0,64CmAh<1CmAh geladen wurde, und sich trotzdem die
Spannungsüberhöhung gut erkennen lässt.

Gruß
Marco
-

Autor: Daniel Lancelle (Gast)
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Schauen gut aus deine Ladekurven, allerdings ist 0,26C bei mir noch um
einiges geringer. Mehr geht aber nicht, laut Aufschrift der Akkus.

Gruß

Autor: Marco S (Gast)
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0,26C erscheinen mir recht wenig. Wenn man die Spannungsüberhöhung als
Abschaltkriterium heranzieht, sollte man mindestens mit 1CmAh laden.
Dies gilt allerdings nur für eine Schnellladung.
Wenn ich dass richtig verstanden habe, dann sagt das CCS-Verfahren, daß
man jeden Akku mit sehr hohen Strömen laden kann, solange man
rechtzeitig abschaltet.

Gruß
Marco
-

Autor: Peter (Gast)
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Also bei meinem Robbe Ladegerät (Power Peak Ultimate Li) läuft das so ab
(mit Delta-Peak):

Jede Minute macht er eine Pause bei Laden und mißt die Spannung (ohne
Ladestrom). Ist die Spannungsdifferenz größer als 0,1 V zur letzten
Messung (bei NiMH), bricht er ab und Akku voll (naja, zu 99%). Manchmal
macht er auch Mist und bricht schon mal bei einem 2000Ah Akku bei 200mAh
einfach ab.

So macht er sein Delta Peak Verfahren zumindest. Funktioniert bis jetzt
eigentlich ganz gut.

Autor: Daniel Lancelle (Gast)
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Ich werde erstmal noch Versuche mit geringeren Strömen machen, wenn ich
dann immer noch keine sinnvollen Ergebnisse erziele, dann werde ich den
Strom erhöhen. Vielmehr als 3,5 A wird meine Ladeschaltung aber nicht
mitmachen. Aber ich mach ja auch noch ne Temperaturmessung, der dT/dt
Effekt sah ja eigentlich schonmal ganz gut aus.

Grüße

Autor: Blackbird (Gast)
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CCS-Laden und Delta-Peak-Laden sind doch zwei verschiedene
Ladeverfahren. Beim CCS-Laden wird jede Sekunde nach der
(Beruhigungs-)Pause eine Entladung (ca. 3x Ladestrom) durchgeführt und
die (Entlade-)Spannung gemessen. Über viele solcher Messungen wird dann
eine Spannung-VERÄNDERUNG (durch eine mathematische Differenzierung)
detektiert und abgeschaltet, wenn sie einem Abfall (der Spannung)
entspricht.
Beim Delta-Peak-Laden wird das auch gemacht, nur OHNE die Pause und das
Messen der Spannung unter 3facher Belastung. Der Peak ist hier beim
Ladestrom aber auch da. Nur eben geringer.

Meine Angaben beziehen sich auf das Schnell-Laden (kein CCS) mit ca. 3C
(entspricht 27A bei einem 9000 mAh-Akku). Der Strom zum Formieren ist
0,1C zum Laden und Entladen, also hier 900 mA. 2- bis 3-maliges
Formieren bringt alle Zellen eines Akkus auf das gleiche Niveau und den
gleichen Lade-/Entladezustand. (Wenn die Zellen vom gleichen Hersteller,
gleiche Charge, gleiche Behandlung ... sind/hatten.)


Blackbird

Autor: Blackbird (Gast)
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Wenn die 9000mAh-Akkus nur 2,4A verkraften, so sind sie für das
Delta-Peak-Ladeverfahren nicht geeignet. Der Peak ist einfach zu
gering, um ihn zu detektieren. Hier hilft nur das
Temperatur-Ladeverfahren.
Richtig schnell-lade-fähige Akkus gibt es hier: www.batt-mann.de

Blackbird

Autor: Marco S (Gast)
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@ Blackbird:

Sorry, aber hier verwechselt du was. Schaust du dir den Schaltplan zum
CCS9310B2 an (den mit LM393 und TIP123), so erkennst du, das ein
CCS-Lader gar nicht Entladen kann. Entladeimpulse werden auch als
Reflexladen bezeichnet. Ein geeigneter Reflexladecontroller ist z.B.
der ICS1702. Auch schaltet ein ICS1702 nicht beim Delta-V ab, sondern
er wertet d²U/dt² aus, schaltet also verfrüht ab und lädt den Rest über
2h mit C/10 voll (ob das so richtig ist?).

Gruß
Marco
-

Autor: Blackbird (Gast)
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@Marco S, hast recht, das habe ich jetzt durcheinandergebracht 8(

Mit beiden ICs habe ich je ein Ladegerät gebaut, beide Datenblätter und
Schaltpläne (waren von Conrad) habe ich auch noch irgendwo. Ist aber
schon lange her, so daß ich jetzt das voll durcheinander gehauen habe.

Den CCS-Lader benutze ich kaum noch (schaltete immer mal zu früh ab,
wenn die Akkus nicht topfit waren), den Reflex-Lader öfter (aber nur
für NiCd). Den "Rest" meiner ca. 40 Modellbau-Akkus (NiCd, NiMH,
LiPo, Pb) lade ich mit einem Orbit Microlader RACE. Meist mit Reflex-
oder Automatik-Modus (der bestimmt noch zusätzlich den Ri und regelt
den Ladestrom dann entsprchend hoch oder runter).

"Müde" Akkus (lange unbenutzt, zu hoher Ri) kann man mit der
Reflexlade-Methode wieder schnell zum Leben erwecken.

Blackbird

Autor: Daniel Lancelle (Gast)
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Danke erstmal für die interessanten Antworten. Ich werde erstmal die
Formierung vornehmen; mit 900mA. Dann mache ich erstmal einige weitere
Messungen. Ich werde wahrscheinlich auch einige Messungen mit höheren
Strömen als 2,4A machen (max. werd ich 3.5A nehmen). Kann mir nicht
vorstellen, daß diese dicken Dinger nicht mit höheren Strömen fertig
werden. Leider gibts kein Datenblatt, aber bei ähnlichen Akkus hab ich
im Datenblatt gesehen, daß sie auch höhere Ströme abkönnen. Die Akkus
sind übrigens Industriezellen mit Lötfahne von Reichelt. Viel höher als
3.5A kann ich den Ladestrom aber nicht wählen. Die Ladeschaltung soll in
ein mobiles Gerät eingebaut werden, da kann ich nicht so
verschwenderisch mit Verlustleistung umgehen. Ich hab zwar schon einen
Buck-Converter eingebaut, aber der Mosfet Grillt noch ganz gut...

Grüße

Autor: Daniel Lancelle (Gast)
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So, ich hab jetzt mal die Formierung durchgeführt und werde bald eine
richtige Messung machen. Die Daten, die ich bei der Formierung
aufgezeichnet habe sind allerdings auch sehr interessant. Beide Effekte
(Spannungs-Peak; Temperaturanstieg) sind deutlich zu erkennen und das
bei einem Ladestrom von nur 800mA. Bin mal gespannt, was die Messung
mit dem höheren Ladestrom ergibt. Ich hab mal die Daten von dieser
Messung angehängt, ihr könnt ja mal was dazu sagen, wenn ihr möchtet.

Grüße

Autor: Daniel Lancelle (Gast)
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Jetzt hab ich mal eine Messung mit formiertem Akkupack gemacht. Man kann
den Spannungspeak und den Temperaturanstieg gut sehen. allerdings treten
die Effekte erst im Bereich der Überladung auf. Sollen diese Effekte
nicht bei ca. 100% Ladung erfolgen und nicht darüber? Bei der Ladung
ist der Akku allerdings auf kurzeitig auf 52°C erwärmt worden. Ich
hoffe das nimmt er mir nicht übel...

Gruß
                     Daniel

Autor: Marco S (Gast)
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Hallo Daniel.

Leider kann ich unter Linux deine *xls-Dateien nicht öffnen. Da mich
deine Ladekurven interessieren, würde ich mich freuen, wenn du sie in
Form von *.gif, *.jpg, *.png, *.pdf oder *.ps (halt eins davon) noch
einmal veröffentlichen könntes.

Gruß
Marco
-

Autor: Sascha (Gast)
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NiMH's mögen es wärmer lieber. Steht in einem guten Buch über Akku's.
NiMH sind empfindlicher gegebüber kälte, da dort der Innenwiderstand
extrem größer wird. Es wird empfohlen, bei normaler
Umgebungstemperatur, die Abschalttemperatur bei 45-50°C einzustellen.
Deine 52°C sind noch human :) Der Spannungspeak ist leider immer mit
einer "leichten Überladung verbunden. Daher sollte man den
Spannungsgradienten (dU/dt)ermitteln. Diese schaltet zwar etwas früher
ab, bei ca. 95%. Durch kurzzeitiges nachladen mit kleineren Strömen,
wird der Akku dann vollends gefüllt.

Mfg Sascha

Autor: Daniel Lancelle (Gast)
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So, hier sind die Daten nochmal im jpg-Format.

Hier der Temperaturverlauf der Formierung.

Autor: Daniel Lancelle (Gast)
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Der Spannungsverlauf der Formierung.

Autor: Daniel Lancelle (Gast)
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Der Temperaturverlauf der Ladung mit normalem Ladestrom.

Autor: Daniel Lancelle (Gast)
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Und der Spannungsverlauf der Ladung mit normalem Ladestrom.

Autor: Sascha (Gast)
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Sieht doch ganz gut aus. Das die Spannung unter Strom(Laden) größer ist,
ist normal. Es fällt zu der Akkuspannung, noch der durch den
Innenwiderstand bedingte Spannungsabfall hinzu.

Mfg Sascha

Autor: Daniel Lancelle (Gast)
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So, ich hab jetzt noch mal eine Messung gemacht; sieht praktisch genausu
aus, wie die vorhergegangene. Danach hab ich etwas anderes versucht. Ich
hab das Akkupack halb entladen und dann wieder vollgeladen. Nach dem
Auswerten der Daten stellte ich fest, daß die Effekte (dT/dt und dU/dt)
nicht auftraten. Woran liegt das? Treten die Effekte nur auf, wenn der
Akku zu Ladebeginn ganz entladen war?

Gruß

Autor: Kupfer Michi (Gast)
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Ich hab mal die Ladekurven von älteren NiCd Akkus (AA) aufgezeichnet.
Wenn man z.B. 4 Zellen in Serie mit Konstantstrom aufläd, so sieht mann
alles andere als einen dU/dt Peak.

Durch die Alterung (Kapazitätsverluste) sowie unterschiedliche
Anfangsladungszustände überlangern sich die einzelnen Zellen Ladekurven
zu einem undefinierbaren Ganzen. Während eine Zelle schon längst im
dU/dt Abfall ist marschiert eine bessere/leerere Zelle immer noch mit
seiner Zellspannung weiter nach oben und überdeckt dadurch das
Abschaltkriterium für die schwächste Zelle. Worauf diese Zelle im Lauf
der Zeit immer mehr geschädigt wird.

Für mich hab ich den Schluss gezogen dass man Zellen, wenn immer
möglich, einzeln laden sollte oder eben peinlich genau auf
Zellengleichheit und rechtzeitiges (d.h. frühzeitiges) Abschalten
achten muss.

Autor: Daniel Lancelle (Gast)
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Mit der Zellengleichheit gibt es keine Probleme. Das Akkupack ist gut
formiert. Wenn ich das Akkupack entlade und dann voll lade, dann treten
der Spannungspeak und der steigende Temperaturgradient ja auch auf. Das
Problem entsteht erst, wenn das Akkupack teilentlade und dann wieder
vollade. Dann treten die Effekte nicht auf. Aber die müssen doch
eigentlich immer auftretem wenn der Akku voll ist, sonst macht ein
Ladegerät mit dem man teilentladene Akkus laden kann ja wenig Sinn.

Gruß

Autor: Daniel Lancelle (Gast)
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So, ich hab jetzt den Versuch nochmal wiederholt; also halb entladen und
dann wieder aufgeladen. Ich hab diesmal etwas länger geladen und der
dT/dt- bzw. dU/dt-Effekt traten wunderbar auf. Jetz habe ich insgesamt
natürlich länger geladen, als bei einer Ladung des leeren Akkus. Ist
das normal? Kann ich 100%ig davon ausgehen, daß der Akku richtig
geladen wurde, wenn die Effekte auftreten? Oder gibt es auch da
Abweichungen, je nach dem, von welchem Ladezustand des Akkus man zu
laden beginnt?
Noch eine Frage: mein Ladegerät soll beim anstecken des Akkus erkennen,
ob der Akku geladen werden muß. Wie mache ich das am besten? Die
Klemmspannung ist ja eher ein schlechtes Kriterium... Vielleicht die
Klemmspannung bei einem Ladestrompuls? oder unter Belastung? Hoffe,
jemand hat einen Tip für mich.

Gruß

Autor: (geloescht) (Gast)
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