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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Laden von 4NiMH unter Last


Autor: Econ (Gast)
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Hallo!

Ich bräuchte mal Hilfe von ein paar Experten.
Es sollen 4 NiMH (3000mAh), die in Serie geschaltet sind, während des 
Betriebs der angeschlossenen Elektronik geladen werden. Und das am 
besten innerhalb kürzester Zeit (max. 2...3h), also mit 
Schnellladetechnik.
Der Beschaltungsaufwand des ICs sollte dabei so gering wie möglich sein.

Welche Lade-IC ist da zu empfehlen?

Vielen Dank schon mal für Eure antworten!

Viele Grüße
Econ

Autor: asdf (Gast)
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Das ist IMHO kaum möglich. Schau dir mal die Erkennung des Ladeendes an.

Autor: Econ (Gast)
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Wieso soll das nicht möglich sein?
Bei Handy's und schnurlosen Telefonen geht das doch auch!?

Autor: SintesiMoe (Gast)
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Klar geht das da, das Handy wird über das Ladegerät gespeist während der 
Akku geladen wird, sofern es ein Ni-Akku ist.
Bei Li-Ion sieht die ganze sache schon wesentlich einfacher aus.

Aber 4 Ni Akkus zu laden während sie parallel entladen werden geht 
nicht.
Wie soll das Ledegerät denn den Spannungsabfall der Akkus am Ledeende 
erkennen?

Autor: ecslowhand (Gast)
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Schau Dir mal die IC`s MAX712/713 an.

LG EC

Autor: jack (Gast)
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>Es sollen 4 NiMH (3000mAh), die in Serie geschaltet sind, während des
>Betriebs der angeschlossenen Elektronik geladen werden. Und das am
>besten innerhalb kürzester Zeit (max. 2...3h), also mit
>Schnellladetechnik.

Alle Ladegeräte (und ICs), die NiMH-Akkus mit hohen Strömen laden, 
erkennen
das Ladeende nach der -deltaV Methode. Gegen Ende der Ladung steigt die
Spannung des Akkus etwas stärker an und fällt dann ab. Nach dem 
Spannungs-
maximum beginnt die Überladung, also muß möglichst früh nach dem Maximum
abgeschaltet werden.
Stell Dir nun vor, wie der µC oder der Chip das erkennen soll, wenn über
4 Zellen die Spannung gemessen wird. Anfangs ist das noch kein Problem,
die Spannungsverläufe der einzelnen Zellen addieren sich sehr schön.

Im Lauf der Zeit werden die Maxima der einzelnen Zellen zeitlich etwas
auseinanderdriften. Es wird also immer häufiger eine oder zwei Zellen
überladen.
Deswegen laden alle Ladegeräte die Akkus einzeln.
Wenn die Zellen selektiert sind, könnte das 20 Zyklen lang gutgehen.
Danach würde ich auf jeden Fall die Zellen wieder einzeln laden.

Als geignetes IC wurde ja schon das Maxim-IC genannt.

Autor: Peter Roth (gelb)
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Wenn du den Strom durch die Akkus konstant hältst, kannst du auch den 
Spannungsrückgang (-5..10mV pro Zelle) zu beginn der Überladung 
feststellen und das Laden beenden.

Falls die angeschlossene Elektronik einen absolut konstanten 
Stromverbrauch hat (unwahrscheinlich), genügt die Mesung des 
Gesamtstroms.

Mit viel mehr als 1C würde ich nicht laden, sonst werden die Akkus am 
Ende zu heiß, bevor die Elektronik merkt, dass das Ladeende erreicht 
ist.

Und unbedingt die Akkutemperatur überwachen, ab 45..50° den Ladestrom 
abschalten.

Grüße,
Peter

Autor: Stefan Helmert (Firma: dm2sh) (stefan_helmert)
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Hallo,

also man kann erstmal NiMH nehmen, die für den 
Bereitschaftsparallelbetrieb ausgelegt sind ("Hocxhtemperaturakku"). 
Dann kann man folgendes machen: Prinzipiell kann man auch NiMH nach der 
konstantspannungsmethode laden und das sogar schnell. Hat bei mir gut 
geklappt. Allerdings geht das nur, wenn die Temperatur bekannt ist, denn 
die Ladeschlussspannung sinkt mit zunehmender Temperatur (ca. 4 
mV/K/Zelle). Also Temperaturfühler am Akku anbringen. Am besten die 4 
Zellen um diesen Fühler herum anordnen.

Autor: Peter Roth (gelb)
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@ Stefan Helmert

Bei welchem Wert würdest du die Strombegrenzung ansetzen?

Findet das Laden auch nur eine Kleinigkeit über der optimalen Spannung 
statt, steigt der Strom wegen des niedrigen Innenwiderstandes der Akkus 
auf ungeahnte Werte.

Kann die Ladeschlussspannung auf die individuellen Eigenschaften der 
Akkus abgeglichen werden?

Angeblich dürfen Akkus auch mit sehr hohen Strömen (mehrfaches C) 
geladen werden, solange sie nicht zu mehr als 70% gefüllt sind. Bei 
nicht leeren Akkus  ist dieser 70%-Punkt aber nicht feststellbar.

Grüße, Peter

Autor: asdf (Gast)
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Der Beitrag von Stefan Helmert ist Blödsinn, bitte nicht nachmachen.
Begründung:
Die Ladeschlusspannung ist nicht nur von der Temperatur abhängig. Und 
selbst wenn, die interne Temperatur kann man nicht meßen.

NiMh sind prinzipiell (!) nicht für den Bereitschaftsbetrieb geeignet.

Autor: Jan (Gast)
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Hi,
müssen es unbedingt NiMh sein? Für diese Anwendung wären Li-Akkus besser 
geeignet. z.B die LiFePO4 Akkus, diese können schnell geladen werden(mit 
4C), sind relativ unempfindlich und setzen bei Überladung die Energie in 
Wärme um,  ohne dadurch schaden zu nehmen.
Könnte man nicht einfach den Strom, der vom Lader zum Akku fließt mit 
dem Strom, der vom Akku zum Verbraucher fließt vergleichen und dadurch 
relativ einfach das Ladeende bestimmen?

Gruß
Jan

Autor: Stefan (Gast)
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Guckst Du hier:
http://focus.ti.com/lit/an/slva166a/slva166a.pdf
"Battery Charger Termination Issues With System
Load Applied Across Battery While Charging"

Autor: Wolfgang-G (Gast)
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Mein Vorschlag ist zwar etwas brutal, aber er funktioniert.
Die Temperatur der Umgebung und die Temperatur der Akkus jeweils mit 
Hilfe einer kleinen Diode messen. Steigt die Temperatur der Akkus 
10-15° über die Umgebungstemperatur, schaltet sich der Ladestrom aus.
MfG
Wolfgang

Autor: Winfried (Gast)
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Eigentlich ist ja die Temperaturerhöhung des Akkus gegenüber der Umwelt 
das sicherste Zeichen dafür, dass die voll sind. Die meisten Schaltungen 
verlassen sich aber nie auf dieses Merkmal, weil es zu störanfällig ist. 
Es wird immer nur als Notabschaltung verwendet. Für den privaten 
Gebrauch hab ich aber schon öfters darüber nachgedacht, den ganzen 
-Delta-U Mist zu vergessen und mir ein Ladegerät mit reiner 
Temperaturabschaltung zu bauen. -Delta-U funktioniert nämlich oft nur 
sehr unzulänglich, gerade wenn die Akkus sich durch altern etwas 
merkwürdig verhalten.

Autor: Marcus W. (blizzi)
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Winfried wrote:
> Eigentlich ist ja die Temperaturerhöhung des Akkus gegenüber der Umwelt
> das sicherste Zeichen dafür, dass die voll sind. Die meisten Schaltungen
> verlassen sich aber nie auf dieses Merkmal, weil es zu störanfällig ist.
> Es wird immer nur als Notabschaltung verwendet. Für den privaten
> Gebrauch hab ich aber schon öfters darüber nachgedacht, den ganzen
> -Delta-U Mist zu vergessen und mir ein Ladegerät mit reiner
> Temperaturabschaltung zu bauen. -Delta-U funktioniert nämlich oft nur
> sehr unzulänglich, gerade wenn die Akkus sich durch altern etwas
> merkwürdig verhalten.

Temperaturabschaltung ist sehr störanfällig, wie du schon sagst, wieso 
willst du es dann einsetzen?
Ich hab hier einen gesteuerten Schnelllader, wenn ich meine 2500mA 
Sanyos mit 1,3A aufpump greift z.B. die -detlaU Abschaltung sehr 
zuverlässig.
Nehme ich jetzt minderwertige Akkus, dann schaltet teilweise schon nach 
20 Minuten der Ladestrom auf 600mA zurück, weil die Akkus auf Grund des 
hohen Innenwiderstandes zu heiß werden. Voll sind sie da aber noch lange 
nicht.
Und je niedriger der Ladestrom ist, desto kühler bleiben die Akkus und 
desto unzuverlässiger wird ja die Wärmeabschaltung. (Leider greift 
-deltaU bei geringem Ladestrom auch nicht mehr zuverlässig.)
Wenn die Akkus sich am Ladeende erhitzen, dann sind sie doch auch schon 
am überladen oder nicht?
Der Innenwiderstand und damit die Hitzeentwicklung müsste doch auch im 
Leben eines Akkus driften. Vielleicht könnte man eine Kombination aus 
beidem sinnvoll verbinden, aber ich glaube fast, dass man ums ganz genau 
zu machen für jeden Akkutyp (Hersteller, Kapazität) die Kriterien 
manuell anpassen müsste.

Gruß

Autor: Der Neue (Gast)
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Bleiakku (Bleigel) und garkeine Probleme mehr.
Die Dinger sind für Bereitschaftsmodus wie gemacht.

Autor: Winfried (Gast)
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Warum Temperaturabschaltung: Zumindest ist ja das Kriterium, dass die 
Temperatur ansteigt, ein sicheres Kriterium für voll. Es sei denn der 
Innenwiderstand der Zellen ist mittlerweile so hoch, dass die schon 
deshalb zu heiß werden. Vermutlich kann man sie dann aber auch gleich 
entsorgen. Der Ladestrom muss natürlich auch hoch genug sein.

Mit Temperatur und störanfällig meinte ich eher, dass in der Praxis 
nicht mit großer Sicherheit der Unteschied zwischen Zellentemperatur und 
Umgebungstemperatur messbar ist. Zumindest ist es schwer, so ein Gerät 
für die breite Käuferschicht kompatibel zu machen. Mitunter kann man die 
Zellen auch nur schwer zur Temperaturerfassung adaptieren.

Mein Delta-U Gerät schaltet übrigens erst ab, nachdem die Akkus schon 
10-15 Minuten gegrillt wurden (45-50 Grad). Das machen wohl die meisten 
Geräte so. Ob das so gesund ist?

Autor: He Ro (Gast)
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> Und je niedriger der Ladestrom ist, desto kühler bleiben die Akkus und
> desto unzuverlässiger wird ja die Wärmeabschaltung. (Leider greift
> -deltaU bei geringem Ladestrom auch nicht mehr zuverlässig.)

Und warum? Weil AFAIK die fallende Spannung genau daher kommt, dass die 
Akkuinnentemperatur (und -druck) steigen...

MfG, Heiko

Autor: asfd (Gast)
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Genau Heiko :)

-Delta U ist übrigens in keinster Weise für NiMh geeignet. Die Akkus 
werden damit überladen. Genauso passiert der Temperaturanstieg erst, 
nachdem die Akkus voll sind. Gerade bei hohen Strömen ist das tödlich.

"Richtig" ist imho allein d²U/d²t==0. Und dann noch mittels trickle 
charge nachladen.


Um nochmal auf das Orginaltopic zurückzukommen:
Selbst wenn man einen Algorithmus hat, der auch unter Einfluß einer Last 
das Ladeende zuverlässig erkennt (dT/dt) - was passiert danach? Der Akku 
wird ja wieder entladen durch die paralelle Last. Wann lädt man nach? 
Wenn die Temperatur gesunken ist? Wenn die Spannung wieder in einem 
bestimmten Bereich ist? Alles hat zur Folge, dass die Akkus mit nahezu 
dem maximalen Ladestrom überladen werden, oder sie werden nicht ganz 
voll geladen sein.


Vielleicht kann man einen normalen Schnellader verwenden und während dem 
Laden die Last abklemmen. Der Akku wird dann vollgeladen, mit welchem 
Algorithmus auch immer. Die Last wird nach der Volladung über einen 
Coloumb-Zähler angeschlossen. Wenn die Zellenspannung unter einem 
bestimmten Niveau ist (z.B. 1.0V) oder die entnommene Ladung ungefähr 
der gemeßenen Akku-"kapazität" entspricht, wird die Last wieder 
abgeklemmt und der AKku geladen.
Nachteil wäre, dass der Akku gerade nicht immer vollgeladen ist. Wie 
schon gesagt, NiMh ist für diesen Einsatzzweck nicht geeignet...

Wäre nett, wenn jemand meinen Gedankengang bestätigen oder kritisieren 
könnte.




PS: Noch etwas zu den Beiträgen in diesem Thread hier: Ich brauche bei 
meinem Auto auch keine Kupplung. Man kann auch die Drehzahl anpassen und 
den Gang reinhauen. "Hat bisher immer hervorragend funktioniert! Wozu 
der Aufwand?". Der nächste bestätigt dieses Verfahren und ergänzt, dass 
er bei seinem Traktor auch keine Bremsen braucht und stattdessen die 
Gänge benutzt. Stimmt ja alles, aber...
Ist nicht böss gemeint, ich meckere nur weil dieser Thread 
wahrscheinlich in den nächsten 5 Jahren von google gefunden wird und 
jeder es glaubt, weil "es stand ja im Internet!".

Autor: Econ (Gast)
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Hallo!

Also da ich vom Laden von Akkus bisher Null Ahnung hab, hät man mir auch 
verzählen können das man am besten bei Tempo 80 voll in den 
"R-ally"-Gang schaltet.

Da nun asdf das so bildlich dargestellt hast weiß ich allerdings nicht, 
was richtig ist.

Aber selbs deine Darstellung von d²U/d²t==0 ist für mich nicht 
nachvollziehbar.
Nach meinen Mathekenntnissen ist die zweite Ableitung für die WPs.
Damit würdest du abschalten, bevor die Akkus ganz voll sind, da der WP 
vor der Extremstelle kommt. das delta U -Verfahren schaltet allerdings 
nach der Extremstelle ab. Wäre dann nicht dU/dt==0 sinnvoll?
(Ich orientiere mich hier an der Standardkennlinie U(t) eines Akkus beim 
Laden)

Gruß
Econ

Autor: Stefan (Gast)
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>Aber selbs deine Darstellung von d²U/d²t==0 ist für mich nicht
>nachvollziehbar.
>Nach meinen Mathekenntnissen ist die zweite Ableitung für die WPs.
>Damit würdest du abschalten, bevor die Akkus ganz voll sind,
Man nimmt d²U/d²t nicht als Abschaltkriterium, sondern zum Beenden des 
Schnelladevorganges mit hohem Ladestrom. Danach lädt man mit geringerem 
Strom weiter. Entweder zeitbasiert oder mit -dU Kriterium (Top-Off 
Charge)

Autor: Fasti (Gast)
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Hallo!

@Econ.

Nach asfd's Methode wird der Akku nicht durch die Schnelladung randvoll 
sondern durch das Trickle-Charging. Die Methode ist für NiMH-Akkus 
sicher die Beste, da eine Überladung fast sicher ausgeschlossen werden 
kann, allerdings dauert sie eine Spur länger wenn man den Akku wirklich 
zu 100% aufladen will.
In deinem Fall würde das aber bedeuten, dass das nur Sinn macht, wenn du 
die Akkus EINZELN laden kannst, asonsten wird die Akkulaufzeit deines 
Gerätes schon nach wenigen Zyklen zu wünschen übrig lassen. Ein Li-Ion 
Akku hätte hier sicher Vorteile, vor allem weil es zB von Linear einige 
nette synchrone Step Up-/Down Schaltregler gibt, welche zB 3,3V aus 
3-4,2V machen und das mit bis zu 96% Effizienz. Hier würde halt eine 
Akkuzelle ausreichen. Ansonsten wird der Schaltaufwand doch erheblich 
und sicher nicht billiger (4 Lade-ICs, MosFets für die Umschaltung 
etc.).

@asdf:

Deine Methode ist mit Sicherheit die geeignetste allerdings auch die 
aufwändigste. Wenn man bei der Zyklenzahl Abstriche machen kann, dann 
funktionieren -deltaU bzw Temperaturabschaltung bei Ladeströmen unter 1 
C auch gut. Wie du richtig meinst, alles eine Frage der Anwendung. Das 
mit dem Bremsvergleich ist passend, allerdings gibt es natürlich 
"Anwendungsfälle" in denen sie tatsächlich nicht gebraucht wird :-)

Grüße

Fasti

Autor: Econ (Gast)
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Achso ja! - Sorry, hab das irgendwie "überlesen", dass das nur die 
Abbruchbedingung für das schnellladen ist.

Autor: Marcus W. (blizzi)
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Wenn man das -deltaU klein genug wählt wird es kaum messbare Nachteile 
zum dU/dt=0 Verfahren haben oder? Denn dann sind die beiden Methoden 
beinahe identisch.

Autor: Winfried (Gast)
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Um störsicher zu sein, darf -deltaU nicht zu klein sein, ist meist 
größer 10mV. Das -deltaU, was eine einzelne Zelle produziert, ist aber 
oft kaum höher als 20-40 mV. Man hat da also nicht viel Spielraum. Kommt 
noch hinzu, dass Zellen manchmal eine Welligkeit in der Ladekurve haben, 
wo als die Spannung mal kurzzeitig geringer wird, dann wieder höher. 
Solche Strecken sollen wiederum nicht als -DeltaU und Abschaltkriterium 
erkannt werden. So einfach, wie in der Theorie ist es in der Praxis 
nicht. Es gibt sozusagen kein klar definiertes Abschaltkriterium, was 
unter allen Umständen funktioniert und dazu noch den Akku ideal schont.

Autor: asfd (Gast)
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Vielleicht sollte ich noch etwas ergänzen :)

Man KANN NiMh Akkus überladen, ohne dass sie Schaden nehmen. Aber das 
geht nur bei begrenzten Strömen, ~C/10. Bei höheren Strömen fangen sie 
an zu gasen, was die Kapazität verringert und den Akku zerstört. 
Deswegen kann man bei niedrigen Ladeströmen nicht das -DeltaU Verfahren 
verwenden, weil gerade keine starke Überladung auftritt und der Druck 
nicht stark genug steigt.

Der Sinn des Wendepunkt-Verfahrens ist gerade, dass man mit nahezu 
unbegrenzten Strom laden kann (>2C). Das ist natürlich eine super Sache, 
man spart Zeit und die Akkus können beim Entladen höhere Ströme liefern. 
Die Top-off charge dient dazu, noch die letzten ~10% in den Akku hinein 
zu quetschen. Das macht man aber mit einem verhältnismäßig niedrigen 
Ladestrom, so dass ein Überladen nicht schadet. Ein Überladen auch nur 
für kurze Zeit mit 4C zerstört jeden Akku mit Sicherheit.

Auf diese Weise schaffen die Akkus einfach mehr Zyklen mit mehr Druck, 
d.h. die Spannung bleibt auch bei hohen Strömen über längere Zeit 
konstant. Und das wollen wir doch alle, oder? Deswegen habe ich für 
diese Lösung plädiert.

Gleichzeitig wird damit ein weiteres Problem gelöst: Das driften der 
Zellen. Bei -DeltaU o.ä. kann es sein, dass eine Zelle überladen wird 
bevor die anderen voll sind. Beim Wendepunkt ist das nicht so ausgeprägt 
der Fall und auch nicht schlimm. Schließlich ist diese Zelle dann nur 
näher an der Volladung dran, als die anderen. Es werden aber eh alle 
Zellen minimal überladen, so dass am Ende jede Zelle mit Sicherheit 
voll ist, ohne dabei Schaden zu nehmen. Die Zellen werden dadurch 
angeglichen und das aus einander driften der Zellen verhindert.
Am besten wäre ein Balancer für NiMh. Ob das geht, konnte mir bis jetzt 
keiner beantworten.


Meine Informationen beziehe ich übrigens zum größten Teil von dieser 
Seite:
http://www.batteryuniversity.com/partone-11.htm
Dort kann man sich auch schön die Ladekurven ansehen und den Wendepunkt 
suchen :)

Zum Thema d²U/d²t habe ich folgendes gefunden:
http://www.meinews.net/delta-t119676.html
http://www.elektromodellflug.de/Projekte/reflex_feld.htm

Autor: Stefan Helmert (Firma: dm2sh) (stefan_helmert)
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@Peter Roth

>Bei welchem Wert würdest du die Strombegrenzung ansetzen?
bei 1 C, wenn die Akkus schnellladefähig sind
Dann würde ich 1,45 V pro Zelle ansetzen, bei 20 °C.
Jedenfalls habe ich mal gelesen, dass so etwas auch in der Praxis 
gemacht wird (Konstantspannungsladung bei NiCd/NiMH-Akkus).

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