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.

Auflösung des Rilderbätsels

Hey,Ihr seid echt gut!

Tatsächlich handelt es sich um einen Robter:

Ich hab seinerzeit zwei von den Dingern gebaut, Terence und Philip. Die Namen sind aus der South-Park Serie inspiriert, dort gab es in einer Fernsehserie zwei Figuren, die immer eklige Sachen gemacht haben.

Auf meiner alten Homepage hab ich ein bisschen was zu den Dingern geschrieben. Ist allerdings schon Dekaden her:

http://www.typsiland.de/BuildThatRobot/philip.html

Später hab ich ein Atmega-8 Board geklöppelt und die Sensorik verbessert. Die IR-Detektoren haben ganz gut funktioniert.
Die beiden Robis sollten sich finden und mit dem Ausleger die Feder des anderen Berühren. An der Feder gestupst zu werden gab für den attackierten Robo Minuspunkte.
Ich hatte damals den Ansatz von Rodney Brooks verfolgt, die Subsumption-Architektur. Heute hätte ich dazu ein paar neue Ideen.

Beide Chassis sind tatsächlich aus CDs. Hatte ich im Internet gesehen und für eine Gute Idee gehalten. Allerdings taugt diese Material nichts, ist zu dünn und zu spröde.

Der Stand von 2004 / 2005:

Philip

Terence

 

Rilderbätsel

Na gut, bevor ich hier richtig abkotze, wie es mir mit dem Akku-Lader geht, stelle ich Euch das Rilderbätsel, welches ich noch schuldig bin.
Eigentlich wollte ich ein richtiges "Ihr werdet schon sehen, was Ihr davon habt" machen, hab mich dann aber doch entschlossen ein paar verräterische Details mit auf die Bilder zu nehmen.

 Also, was isses? Ich geb keine Tipps, sonst wirds wirklich zu leicht.

So, und jetzt hol ich mir ein Beissholz und setz mich in die Ecke.

Viel Spass!

Nanu – was macht denn die Lötbrücke da?

Neulich habe ich mir einen Arduino Duemillanove im Ausverkauf besorgt – die wollten wohl die Lager leer machen, weil doch nun alle den Uno haben wollen (den hab ich mir auch gleich mitbestellt). Diesen habe ich als Gehirn im Netzmonitor-Projekt auserkoren und wie Ihr an den letzten Posts sehen konntet funktioniert er auch wunderbar. Gerade habe ich das Board mal genauer studiert und die SMD-Löterei bewundert, als mir auffiel, daß mein Gerät eine fiese Lötbrücke zwischen den Pins 25 und 26 des FT232 Chips hat. Es war ziemlich schwierig, das mit der Kamera einzufangen, ich hoffe, man kann es erkennen (3. und 4. Pin von rechts in der vorderen Reihe):


Nachdem das der USB2RS232 Chip ist, hätte ich eigentlich mit Problemen bei der Datenübertragung gerechnet, aber ich habe das Gerät problemlos über diese Schnittstelle programmiert und auch die Kommunikation im Rahmen des Netzmonitorprojekts ging einwandfrei. Also stellt sich die Frage: Was sind das für Pins?

Mit Googles Hilfe habe ich mir ein Datenblatt besorgt und darin folgendes Pinout gefunden:

Also haben wir es mit den Signalen TEST und AGND zu tun. AGND ist laut Datenblatt die Masse für den clock-multiplier und TEST "puts the device in IC test mode. Must be tied to GND for normal operation...". Aha - deshalb gibt es keine Probleme! Hätte ich aber auch schneller merken können, daß die Brücke unkritisch ist, denn wenn man das Arduino Board genau ansieht, stellt man fest, daß die Leitbahnen der beiden Pins sofort verbunden werden.

Also wieder abregen und mit was produktiverem weitermachen ;-)

Eingepegelt – kommerzieller usb2serial Adapter

Bevor mir klar geworden war, daß mein Handy-Datenkabel ein perfektes USB-seriell Kabel ist, hatte ich mir irgendwann mal einen billigen USB-seriell TTL Adapter aus China bestellt - hatte den schon fast vergessen, aber heute ist er angekommen. So sieht er aus:

Abgesehen davon, daß er ein bisschen handgelötet ausschaut macht er einen guten Eindruck. Wie auch das Handykabel verwendet er einen PL2303; das hat mich etwas überrascht, denn die meisten Adapter die ich auf diversen Bastlerseiten und Zulieferern gesehen hatte bauen auf dem FTDI Chip FT232 auf, warum auch immer. Ansonsten fallen mir drei Dinge auf:

1. Auf der Platine sitzt ein USB Typ-A Stecker. Das ist unpraktisch – eine Buchse vom Typ-B oder Mini Typ-B wäre besser, denn dann könnte man statt einer USB-Verlängerung ein normales USB-Kabel verwenden.
2. Es gibt Pins für 5V und 3.3V
   
3. Das Ding hat einen Jumper
   

Letzteres hat mein Interesse geweckt: Ob man mit dem Jumper zwischen den Signalpegeln für die beiden Spannungen wählen kann? Und wie sehen wohl die Pegel in den beiden Stellungen aus?

Also schauen wir uns das mal an. Zunächst habe ich die Versorgungsspannung an den Pins 5V und 3.3V nachgemessen und wie schon in anderen Posts bemerkt sind die 5V des USB-Ports bei mir nur 4.6V, während die 3.3V exakt stimmen. Ich habe, wie beim letzten mal, einfach einen Haufen Nullen auf das Interface geschickt und mich mit dem Oszi auf TX geklemmt. Hier zunächst mit Jumper "unten" (Vermutung: 5V Stellung):



Und nun "oben" (Vermutung: 3.3V):



Ich habe es auch bei ungesetztem Jumper probiert und glaubt mir, es sieht wieder exakt genauso aus. Scheinbar verlässt sich auch dieser Adapter darauf, daß 3.3V µCs 5V tolerante Eingänge haben. Aber wofür in aller Welt ist der Jumper dann gut? Hatte ich schon erwähnt, daß der Adapter ohne jede Dokumentation kam? Also diesmal kann mir niemand vorwerfen, ich sei nur zu faul zum Lesen gewesen ;-)

Also hab ich das Multimeter rausgeholt und die Verbindungen der drei Pins verfolgt - hier das Ergebnis:

  1  GND
  2  RX
  3  ??

Das verstehe ich nun wirklich nicht. In der oberen Stellung lege ich RX also auf Masse - wozu soll das gut sein? Jumper-Stellung für Leute die sich gerne selbst reden hören??? Und wenn Pin 3 eh nicht verbunden ist, warum dann ein Header mit 3 Pins? Normalerweise würde man sagen, damit der Jumperstecker ein Zuhause hat, aber chinesische Hersteller sind nicht gerade für Verschwendungssucht bekannt und da hätte man bestimmt 0.01 ¢ pro Modul sparen können!

Also weiterforschen. Einiges Herumprobieren ergab dann doch noch etwas Interessantes: offenbar sind die 3 Pins nicht einfach nur ein Jumper, sondern ein zweiter Header mir der Belegung

    1  GND
    2  RX
    3  TX

Und zwar für 3.3V Volt Schaltkreise. Hänge ich mich auf diesen TX-Pin bekomme ich dies:


Der high Pegel ist zwar nicht wirklich unter 3.3V, aber immerhin niedriger, als zuvor. Und wozu ist dann aber der komische Jumper? Nach einigem Denken und Rumlesen im Web bin ich zum Ergebnis gekommen, daß der evtl. zu Testzwecken dient: verbinde ich RX und TX mit dem Jumper kann ich natürlich jedes Zeichen, das ich im Terminalprogramm tippe sofort wieder empfangen (habe das mit den 5V und den 3.3V Pins getestet). Wieder was gelernt.

Noch ein Batterieentladeprojekt

Mit Interesse habe ich Haralds Batterieentlade-Projekt verfolgt und bin schon gespannt auf die nächste Folge. Und wie es der Zufall so will bin ich im WWW über eine anderes Projekt gestolpert, das ebenfalls Entladekurven zur Grundlage hat: Denis Hennessy beschreibt auf seiner Seite einen ziemlich umfangreichen Vergleich verschiedener Batteriemarken. Ich finde das hoch interessant und fände es toll, die Entladekurven verschiedener, bei uns in Deutschland angebotener, Batterien zu sehen. Harald – wäre das nicht was für Dich?

Ikeaschreibtischlampenphotobloggingstativ

Viele meiner Blog-Posts enthalten Fotos. Und die mache ich gewöhnlich mit meiner Kompaktknipse. Wie es der Zufall (und die in Mitteleuropa übliche Arbeitszeit) so will, finden die meisten meiner Projekte am Abend statt, d.h. das Licht ist mäßig. Und so musste ich viele der Bilder aus meinen Beiträgen mehrfach aufnehmen, bis endlich eins dabei war, das ich nicht verwackelt hatte. Nun hätte ich ja auch mein Fotostativ holen können sagt Ihr? Klar, aber viele der Bilder zeigen Dinge, die auf meinem Schreibtisch liegen – von oben aufgenommen. Und dafür ist zumindest mein Stativ wenig geeignet. Was also tun?

Es gibt natürlich alles mögliche Stativ-Zubehör und auch (sündteure) Spezialkonstruktionen zu kaufen, aber das wäre kostspielig und langweilig. Also habe ich mal kurz überlegt, was man zu einem guten Blogging-Stativ umbauen könnte. Ich präsentiere – das Ikeaschreibtischlampenphotobloggingstativ!

Die Basis

Grundlage für das Stativ ist eine Ikea Schreibtischlampe:



Kabel und Lampenschirm waren schnell entfernt. Nun fehlt nur noch eine Halterung für die Kamera. Irgendwo lag noch ein Hama-Ministativ rum, das ich irgendwann unbedingt haben musste, das sich aber als wackelig und praxisuntauglich erwiesen hatte. Aber der Mini-Kugelkopf, den es besitzt ist für eine Kompaktkamera völlig OK:


Freundlicherweise ist der Kopf einfach über eine stinknormale M4 Schraube mit dem Rest verbunden und war schnell abmontiert:

Mit Hilfe einer etwas längeren Schraube und einer passenden Unterlegscheibe war der Kopf schnell montiert und die Kamera draufgepfanzt:


Und so sieht das Ganze dann aus, wenn es sich harmonisch in mein Chaos integriert


Natürlich ist das Ganze nicht so stabil wie ein echtes Photostativ, deshalb ist es am besten, wenn man die Finger nicht an der Kamera hat, wenn das Bild gemacht wird. Meine Knipse hat leider keinen Fernauslöser, deshalb verwende ich den auf 2 Sekunden eingestellten Selbstauslöser. Klappt super. Hier das erste Bild das ich mit dem neuen Setup geschossen habe:


Der Ausschnitt ist in Originalgröße und zeigt ein Detail der Siemens-Handy Platine von neulich. Die Schärfe passt perfekt, nur hat die Kamera leider etwas Sensorrauschen, aber das werde ich wohl nicht durch Basteln wegbekommen...