Li-Io Akkus Laden: "Einfach nur Strom reinmachen..."

Genau. Ist echt nicht schwer. Über das Laden von Li-Ion Akkus findet man viel im Netz. Auch sehr viel brauchbares. Eigentlich.
Die besten Beiträge sind die, in denen Leute behaupten es sei sogar einfacher ein Ladegerät für Li-Ion-Akkus zu bauen, als für Ni-MH. "Man muss ja nicht umständlich das Maximum über die delta-U oder delta-2-U Methode (zweite Ableitung) ermitteln". In einen Li-Akku macht man einfach Strom rein und wartet bis er voll ist. Eigentlich.
Hab ich mir auch gedacht, bei eBay schnell zwei gebrauchte Laptop Akkus geschossen und rein ins Vergnügen.

Im Allgemeinen jedoch liegen Teufel  im Detail.

Wie bereits geschrieben, gibt es eine Menge Wenn und Aber, die zu beachten sind. Der Zustand des Akkus, bzw. jeder einzelnen Zelle muss erfasst werden, also die Leerlaufspannung, der Ladestrom und sicherheitshalber noch die Temperatur. Weichen während des Ladens die Zellspannungen ab, muss man das ausgleichen - Balancieren. Dafür gibts unterschiedliche Strategien, Schaltungen usw.
Am Anfang ist der Akku mit Strombegrenzung zu laden, bis alle Zellen ihre Zielspannung erreicht haben, danach kommt die Sättigungsphase, in der man die Spannung konstant hält und den Akku voll laufen lässt. Abschalten bei I=0.05C.

Ich will das hier nicht in die Länge ziehen, zusammengefasst heißt das:

1. Spannung genau messen - Auflösung kleiner 0.05V (oder besser: die Genauigkeit)
2. Ein großes Stück Software schreiben, dass für alle Fälle und Situationen eine Lösung parat hat.
3. Hardware bauen, die präzise ist. 

Zunächst die Schaltung, die am Akku angeflanscht wird. Sie ist dafür gedacht immer dran zu bleiben und kontrolliert das Laden und das Entladen. Ein Mikrocontroller übernimmt die Logik dazu.

Im Wesentlichen besteht die Schaltung aus fünf Teilen:

• Spannungsteiler zum Messen der Zellenspannungen
• Balancer-Schaltungen mit Lastwiderständen
• zwei Leistungstransistoren, um Entladen / Laden zu schalten
• ein rudimentärer Verstärker für den Temperatursensor
• und ein Summen-Differenzverstärker mit Shunt, zur Lade-/Entladestrommessung

Die Problematik, die sich mit dem Netzteil ergibt will ich hier noch nicht ansprechen.

Und so sieht der Versuchsaufbau aus:

 Wie funzt das jetzt alles?

 

Spannungsteiler

Nicht schwer. R13 und R6 bzw. R8/R16 bilden einen Spannungsteiler, um die max. 8.4V/4.2V auf 2.56V Pegel für die ADC-Eingänge anzupassen.
Aber hier schon das erste Teufelchen: Die beiden Teiler würden immer Strom ziehen, lägen sie auf GND. Die Elektronik soll aber am Akku bleiben, weshalb die Teiler statt an GND an den Collector von Q3 geführt sind. So ziehen sie nur Strom, wenn der Controller in Betrieb ist.
Übrigens: Im ausgeschalteten Zustand ist der Stromverbrauch der gesamten Schaltung 0 A. Ein bisschen Leckstrom ist immer, konnte ich aber nicht messen.

Aber damit ergibt sich gleich das nächste Teufelchen: Wie hoch ist denn die Spannung am Knoten R13/R6, wenn die Schaltung nicht im Betrieb ist? Richtig 8.4V, bzw. Akku-Spannung. Die ADC-Eingänge des µC schätzen so etwas nicht, weshalb die Messspannungen über U1A / U1B (Spannungsfolger) zum ADC geführt werden.

 

Balancer

Während des Ladens baut sich die Spannung in den Zellen nicht gleichmäßig auf. Das liegt an den unterschiedlichen Kapazitäten der Zellen, wie bereits diskutiert. Liegt also die Spannung einer Zelle zu hoch, wird der jeweilige Transistor Q1 bzw. Q2 durchgeschalten und der Ladestrom fließt über die Lastwiderstände R3 / R4.
Interessant wird, ob sich im Test die Strategie als richtig bestätigt, früh einzugreifen und mit wenig Strom zu balancieren. Und ob die 2W Widerstände halten...

 

Leistungstransitoren für On/Off/Laden

Zwei Transistoren schalten die Lasten zum Entladen, bzw. zum Laden. Ist Q4A aktiv, kann der Akku entladen werden, unabhängig des Zustandes von Q4B. Dieser steuert die Ladung des Akkus.
Über die Transistoren Q3 / Q6 steuert der Mikrocontroller die beiden Lasttransistoren an. Ein direktes Ansteuern ist leider nicht möglich, da Pull-Up Widerstände nötig waren - R18 / R25, um die Schaltzustände im ausgeschalteten Zustand, bzw. beim ein und ausschalten stabil zu halten.
Der Taster SW1 dient zum Einschalten des Controllers. Ist er gedrückt, zieht er die Basis von Q3 auf VDD und Q4A schaltet. Damit wird der Spannungsregler U2 versorgt, an dem der Controller hängt. Als erste Aktion legt dieser dann den Pin "Battery-On" auf High und hält damit den Zustand des Lasttransistors.
Ist der Transistor Q3 durchgeschalten, liegt auch der Spannungsteiler auf Masse.

 

Temperaturmessung

Ein simpler, nicht invertierender Verstärker um U1D, an dem ich einen KTY81-110 hängen will. Über R21 fließt aus der Referenzspannung nicht ganz 1mA durch den Sensor.
Der Aufbau ist nicht ganz korrekt, da sich der Strom durch den Zweig ACRef - R21 - KTY81 - GND ändert, wenn sich der Widerstand des Temperatursensors ändert. Anstelle des Widerstandes müsste eigentlich eine konstant-Stromquelle sitzen. Das ist jedoch viel zu aufwendig, denn es reicht die ungefähre Temperatur des Akkus zu ermitteln. Wenn's warm wird, geht was schief, da spielt ein Grad hin oder her keine Rolle.

 

Summen-Differenzverstärker

Eigentlich das heißeste Teil auf der Platine - leider hab ich es nicht selber erfunden, sondern hier abgekupfert: u5-operations-verstaerker.pdf
Das Teufelchen an dieser Stelle ist, dass der Spannungsabfall über dem Shunt R10 positiv oder negativ sein kann, je nach dem ob der Akku geladen, oder entladen wird. Wie also messen?
Natürlich gibt es sog. Shunt-Monitore, die sind aber erstens nicht billig (ca. 2,-- EUR) und die Verstärkung ist nicht frei einstellbar (z.B. 100 oder 50). Bei Reichelt hätte ich einen geeigneten gesehen, den AD 8218 B für 1,80 EUR. Hatte ich aber gerade nicht in der Schublade, deshalb ein paar Widerstände und einen OP aus der Ramschkiste und los gings.
Der Summen-Differenzverstärker kann Anliegende Spannungen addieren oder subtrahieren und verstärkt das Resultat um einen beliebigen Faktor. In der oben angegebenen Quelle ist die Berechnung der Widerstände ausführlich mit Beispiel beschrieben. Da die Werte etwas krumm werden, hab ich in der Schaltung jeweils zwei Widerstände vorgesehen (R2 + R5 / R11 + R12). Alle Widerstände sollten entweder eine Toleranz von 1% haben, oder handverlesen sein. 





So, das sollte erst mal reichen. Die Software für das Arduino Board ist schon weit fortgeschritten. Ein wenig Probleme habe ich allerdings noch mit der Spannungsversorgung. Dazu später mehr.