Und nochmal: Laden, entladen, laden...

Ja, zum Thema Bilderrätsel hab ich auch noch was: ein paar Diagramme. Sehen wild aus - was sollen sie uns sagen?

Die Schaltung zwischen Akku und dem Arduino ADCs hab ich etwas erweitert. Ein anderer OP, LM2901, den ich unsymmetrisch betreiben kann und zusätzlich zum nicht invertierenden Verstärker (Strommessung) noch drei Impedanzwandler (oder simpel: Spannungsfolger) um die ADC Eingänge zu schützen.

Beim letzten Experiment hatte ich immer ein bisschen Sorge um den ADC. Einmal hab ich beim Kalibrieren der Spannungseingänge das Netzteil zu weit aufgedreht, ein anderes mal war die Spannung über den Shunt zu hoch. Also hab ich mir gedacht, es wäre vielleicht ganz klug die Referenzspannung für die ADCs auf 2.56V zu schalten und den OP mit 5V zu versorgen. Wenn ich meiner Interpretation der "max Ratings" aus dem Datenblatt trauen darf, vertragen die Eingänge auf jeden Fall 5V, auch wenn U-REF signifikant niedriger ist.
OPs, die mit 5V versorgt werden, schaffen eine maximale Ausgangsspannung von ca. 3.4 - 3.6V. Das hängt ganz von dem verwendeten Typen ab. Beachten muss man, dass die Linearität nahe an der Umax Grenze abnimmt, deshalb sollte man die Schaltung so auslegen, dass man diese Bereiche nicht nutzt.

So hat das Ganze dann fertig ausgesehen. Das Kabelwirrwarr hat natürlich eine gewisse Anziehung für ungezogene Katzen. Kaum aufgebaut, hatte ich also das bekannte Problem: "Wildtiere auf der Leiterbahn".

Der erfahrene Katzenbesitzer weiß nun, dass man Mieze nicht einfach von der Schaltung pflückt. Zu gern beißt sie noch in ein Drähtchen, oder krallt sich ein Bauteilchen, um sicher zu gehen nach der Verbannung mit Spielzeug versorgt zu sein. Einer Schaltung ist das natürlich abträglich, sich der Einsatz eines Laserpointers empfiehlt.
Bedächtig und mit ruhiger Hand bewegt, lockte ich das kleine Kätzchen (5kg) ganz langsam weg, immer nur so weit, das es sich selber aus den Kabeln  befreien konnte.
Nach einer gefühlten viertel Stunde hatte ich den Unhold dann endlich auf dem Kratzbaum! Ich musste ihn ja noch müde spielen, damit er nicht sofort wieder an den Kabeln kaut.

Zunächst wurde der Akku entladen:

Offensichtlich keine neuen Erkenntnisse. Oder doch?

Diesmal habe ich die Spannungen direkt am Akku abgenommen, also hinter der Controller-Elektronik. In dem Ausschnitt ist die Abschaltung gezeigt, mit der anschließenden Erholungsphase. Dabei ist deutlich zu sehen, dass die dritte Zelle (U_23 in Blau) ein anderes Verhalten zeigt, als die anderen zwei. Auch wird deutlich, dass der Zusammenbruch der ersten Zelle (U_01 in rot) anders verläuft, als jener der zweiten.
Alle drei Zellen verhalten sich also unterschiedlich. Daraus lässt sich schließen, dass im Nutz-Einsatz ein Controller auf dem Akku notwendig ist, welcher die einzelnen Zellen monitort und die Entladung sperrt, sobald eine Zelle in den kritischen Spannungsbereich rutscht. Eine einfache Abschaltung, getriggert durch das Abfallen der gesamt-Spannung unter einen Schwellwert, reicht nicht.

Meine Fresse! Mit dem Lithium Zeug, das ist doch nicht so ganz einfach, wie einem das überall glauben gemacht wird! Eine Controller-Schaltung auf dem Akku zieht natürlich Strom und entlädt zwangsläufig. Lange lagern, ohne zusätzliche Maßnahme ist also nicht.

Der Ladevorgang

Erst mal die Diagramme:

In grün die Spannung des gesamten Packs und in rot der Ladestrom. Die Flächen sehen deshalb gefüllt aus, weil die Spannung gepulst ist. In der hinteren Hälfte erfolgt dann die Konstant-Strom-Ladung, deshalb ist die Linie nur noch so breit, wie der Jitter der Messung.

Hier sind die Einelspannungen gezeigt. Wieder ist der dritte Akku auffällig.

Ich hab die Pulse etwas näher untersucht:

• direkt nach dem Start: 2sec Strom / 1sec stromlos
• ab 11.65V, 12min: 700ms Strom / 2.2sec stromlos
• ab 11.45V, 18min: 100ms Strom / 250ms stromlos 
• ab 11,75V, 01h, 44min:  2sec Strom / 1sec stromlos
• ab 12.13V, 02h, 35min: Konstantstrom

Das sieht nach einem ziemlichen Durcheinander aus. Werde deshalb ein Python-Skript bauen, welches Mittelwerte über die Pulse rechnet.

Laut Battery University, "Charging Lithium Ion Batteries", teilt sich der Ladevorgang im Wesentlichen in zwei Teile:

1. Constant Current Stage und
2. Saturation Stage

Im ersten Stage wird der Ladestrom konstant gehalten, während die Akku-Spannung stetig steigt. Hat die Zellen ihre volle Spannung - ca. 4.2V  erreicht ist der Akku etwa 80% - 85% geladen.
Dann wird gesättigt. Der Strom sinkt, während die Spannung konstant gehalten wird.
Das Ladeende ist erreicht, wenn der Strom kleiner 3% des Nenn-Ladestroms ist. Dieser Nenn-Ladestrom kann zwischen 0.5C - 1.0C liegen, also z.B. bei einem 4 Ah Akku 2.0 - 4.0A.

Bestätigt sich diese Theorie? Wir werden sehen.