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Thema: Ganz einfacher NiMH-Lader

  1. #1
    Moderator Roboter Genie
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    Ganz einfacher NiMH-Lader

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    Hi!
    Nachdem ich heute endlich meinen Asuro fertiggestellt habe, will ich mein 5€ Akku Ladegerät mit Zeitsteuerung ersetzten.
    Kann ich meine NiMH-Akkus einfach an eine Konstante Spannung mit 1,2V und einem Widerstand als Strom Begrenzer anschließen?
    Der Schaltplan im Anhang zeigt das von mir gedachte Funktionsprinzip.

    MfG
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  2. #2
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    NiMHs werden mit Konstantstrom geladen. Du müsstest also eine (evtl einstellbare) Konstantstromquelle aufbauen.

  3. #3
    Erfahrener Benutzer Roboter Experte
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    Hallo Bastiuniversal,
    ich beschäftige mich im Moment auch mit dem Laden von NiMH-Akkus.
    Leider ist das eine Wissenschaft für sich. Es gibt verschiedene Ladeverfahren, jedes hat seine Vor- und Nachteile.

    Die einfachste und älteste Möglichkeit ist mit Sicherheit eine Dauerladung mit C/10 oder C/20. Der Akku wird mit einem konstanten Strom versorgt, der einem Zehntel/Zwanzigstel seine Kapazität entspricht. Diese Ladung wird für mindestens 14h ausgeführt. Bei einem Mignon Akku mit 1,2V (eigentlich 1,32V) und eine Kapazität von 2400mAh entspricht das eine Dauerladung mit 240mA über 14h+.
    Das Ladeverfahren ist dabei unabhängig vom Ladezustand. Der Akku wird jedoch überladen. Das ist aber bei den niedrigen Strömen kein Problem, die Akkumulatoren haben eine Überladereserve in der die beim Überladen entstehenden Reaktionsprodukte durch einen Katalysator wieder umgewandelt werden. Dabei wird lediglich etwas Wärmeenergie frei. Der Strom sollte nich zu hoch sein, weil dieser Katalysator vom Hersteller so klein wie möglich ausgelegt wird.
    In deinem Fall ist lediglich eine Konstantstromquelle nötig, die etwas über der Ladeschlußspannung von ~1,5V pro Zelle liegt. Der Konstantstrom lässt sich (theoretisch) mittels zweier Transistoren oder LM317 realisieren (google). Dein in Reihe geschalteter Widerstand ist keine Konstantstromquelle!

    Das Verfahren hat viele Nachteile, es dauert z.B. 14h bis der Akku mit Sicherheit geladen ist. Ein Akku sollte immer so geladen werden, wie er auch entladen wird. Bei dieser Niedrigstromladung steigt der Innenwiderstand der Akkus stark an, so dass die Spannung bei hohen Strömen schnell zusammenbricht. Ich weiß nicht, inwiefern das für dich wichtig ist.
    Weiter ist das Ladeverfahren nicht "gesund" für den Akku. Er geht zwar nicht kapput, aber geschädigte Akkus erholen sich durch diese Ladung nicht und auch gesunde Akkus liefern damit nicht die volle Leistung.

    So ich habe genug geschrieben
    Google spuckt dir extrem viele gute seiten zu "delta nimh" und "ladeverfahren nimh" aus, schau es dir einfach an.
    Ich werde einen µC gesteuerten Lader bauen, der meine 12V/12Ah NiMH Akku mit 12A lädt, der Ladeschluss wird durch den Extremwert der Ableitung der Spannungswerte erkannt.

  4. #4
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    Zitat Zitat von avion23
    Ich werde einen µC gesteuerten Lader bauen, der meine 12V/12Ah NiMH Akku mit 12A lädt, der Ladeschluss wird durch den Extremwert der Ableitung der Spannungswerte erkannt.
    Hast Du da schon einen Ansatz, wie Du das mit dem Extremwert der Ableitung in C realisieren willst ?

    Ich projektiere gerade einen Lader für Mignon- und Mirco-Einzelzellen, der laden und entladen soll, der neben (per uC einstellbarem) Konstantstrom auch eine Reflex-Ladung können soll, und habe da im Leistungsteil mit den FETs noch das eine oder andere Denkproblem - bzgl. Ansteuerung und Kontrolle des fließenden Stromes.

    Gruß, Andreas

  5. #5
    Erfahrener Benutzer Roboter Experte
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    Hallo ACDC,
    das Projekt ist in Planung. Nächste Woche sind erstmal Prüfungen, davor mache ich garnichts.
    Ansätze habe ich viele Ich stelle später ein paar Links in den Beitrag.

    Im Prinzip ist es so: Die Spannungen am Akku werden überwacht. Bei einer Ladeendspannung von > 1,5V pro Zellenstufe komme ich auf einen Überwachungsbereich zwischen 11V (Minimalspannung, ab dann gilt das Pack als leer) und 20V (mehr wird's wohl hoffentlich nicht werden ) D.h. es werden 11V mittels Zenerdiode von der Akkuspannung abgezogen und der Rest dann mittels Spannungsteiler auf einen Eingang des atmega8 gegeben.
    Weiter wird ein Shunt in die Ladeleitung eingeschleift. Die an dem Shunt abfallende Spannung wird mittels OPV oder dem 20x Gain vom atmega8 verstärkt und auf den ADC vom atmega8 gegeben.
    Jetzt das Problem: Ich habe hier shunts mit 0.2 und 0.13Ohm. Die Verlustleistung wäre bei 12V aber über 15W und das ist einfach zuviel. Wenn ich an dem Shunt einen maximalen Leistungsabfall von 5W (Schmerzgrenze) haben möchte:
    P = I² * R
    R = P / I²
    R = 5W / 144A²
    R ~ 0.034R
    Die dabei zu verstärkende Spannung ist:
    U = R * I
    U = 0.034R * 12A
    U = 0.41V
    Diese Spannung kann wieder vom µC gemessen werden, entweder per OPV oder diff gain.

    Allerdings ist mir die Sache etwas unheimlich geworden. 12A ist ein verdammt hoher Strom und schon bei einem Widerstand von von <50mR fallen 0.5V ab. In diesem Bereich liegen allerdings schon die Übergangswiderstände an den Steckern etc...
    Im Moment tendiere ich dazu, Widerstandsdraht bei Conrad zu kaufen. Der Shunt besteht dann aus mehreren Drähten paralell die die Abwärme verkraften und wird an einer Seite der Platine aufgespannt.

    Die PWM Steuerung, über die eigentlich alles geregelt wird, ist mir noch unklar. Ich habe ungefähr 8 verschiedene N-/P-Mosfets gekauft die Laut Datenblatt alle im Bereich >60A liegen, einer sogar bei 120A. Vom R_DS_on habe ich also keine Bedenken. Allerdings darf die PWM Frequenz nicht zu niedrig sein. Der Atmega verkraftet an dem Ausgang maximal 20mA, was entschieden zu wenig ist. Ich habe hier diverse Beiträge gelesen, das nonplusultra scheint ein Treiber zu sein. Das ist mir allerdings zu teuer. Ich möchte diesen Treiber diskret aufbauen, allein schon um etwas zu lernen und im Fehlerfall nicht auf einen bestimmten Baustein angewiesen zu sein. Mir schwebt also eine mittels Transistoren aufgebaute Push-Pull Stufe vor, d.h. BC548 als pnp und npn die das Gate auf V+ und GND ziehen. Das Problem ist, dass diese Kleinleistungstransistoren maximal 500mA verkraften. Hier im Forum wird von 1-2A zum Ansteuern gesprochen, was natürlich viel mehr ist. Stärkere Transistoren brauchen wieder einen höheren Basisstrom und haben eine kleinere Verstärkung...
    So werde ich es erstmal probieren.

    Programmtechnisch stelle ich mir die Angelegenheit sehr einfach vor. Der µC kontrolliert laufend Strom & Spannung. Der Strom wird dabei konstant gehalten, für erste Tests werde ich mit 2A arbeiten (soll ja nicht direkt brennen). Die Spannung wird gemeßen. Wenn die Spannung beim Start einen bestimmten Wert überschreitet, z.B. 13V, dann wird der Ladevorgang nicht gestartet weil der Akku wahrscheinlich voll ist. Ansonsten wird geladen...
    Dabei wird die Spannung laufend gemeßen. Es wird der Mittelwert von 4 Meßungen gebildet. Wenn aufeinanderfolgende Spannungswerte über einen bestimmten Zeitraum nicht wesentlich ansteigen, wird die Ladung beendet.

    Wozu ich noch keine Idee habe:
    - Eine Verbindung zum Rechner zum Debuggen und optimieren der Werte.
    - Einen Balancer für die Zellen. Die Zellen driften jetzt schon trotz C/10 Ladung auseinander, Werte von 1,0V - 1,32V. Werde einen li-ion balancer anpassen.
    - Spannungsquelle. Aktuell liefert diese nur 27V/10A.
    - Eventuell Step-down statt hartes durchschalten mittels FET. Habe aber schlechte Erfahrungen gemacht, die Spulen brennen immer.

    Übrigens: Die Reflexladung scheint nicht soviel zu bringen, wie immer behauptet wird.

    EDIT
    hier die versprochenen links:
    - http://www.student.uni-kl.de/~dittri...ger/index.html reflex lader für nimh. Etwa das was Basteluniversal machen möchte
    - http://freenet-homepage.de/thhe01/mo...ader/lader.htm Lader mit atmel, sehr komplex
    - http://europe.elecdesign.com/Article...532/12532.html englischer Artikel
    - http://www.wiesolator.de/abrams/Ladeeinheit.htm Roboter mit NiMH Akkus. So etwas möchte ich bauen.
    - https://www.roboternetz.de/phpBB2/vi...23308&start=22 Thread zum messen von hohen Strömen.

    Von atmel gibt es eine appnote, doc1659.pdf genannt. In dieser wird ein Ladegerät beschrieben. Leider ist es zu groß zum Anhängen.
    Angehängte Dateien Angehängte Dateien

  6. #6
    Erfahrener Benutzer Fleißiges Mitglied
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    Hallo, unten ein Vorschlag für einen Super-Treiber, schaltet schnell und verursacht keine Querströme. (Schaltung ist aus dem Mikrocontroller.net)

    Balancer funktioniert nicht bei NiMh-Zellen, es gibt keine eindeutige, und vor allen Dingen keine völlig gleiche Ladeschlussspannung bei den Zellen, so werden die Zellen nie richtig voll. Ich schwöre auf regelmässige Einzelzellenentladung, da könnte ein angepasster Balancer allerdings gut helfen.

    Warum brennen die Spulen bei dir, ich hab ein Netzteil, ca. 25A step-down mittels eines fetten EI-Ferritkernes gebaut, 5*1,5mm² parallel, da wird nicht mal was warm. Den Kern hab ich von ebay für vielleicht 1EUR. (übrigens mit unten angefügter Treiber-Schaltung)

    Hier gibts interessantes zur Abschaltungs-Auswertung:
    http://www.sprut.de/electronic/pic/p.../akku/akku.htm

    viele Grüße, Rene
    Miniaturansichten angehängter Grafiken Miniaturansichten angehängter Grafiken fet-treiber.gif  

  7. #7
    Erfahrener Benutzer Roboter Experte
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    Danke für die Schaltung Mosi!
    Ich werde mich demnächst mal damit beschäftigen und die Schaltung testweise aufbauen. Kannst du mir sagen, welche shottky-diode in der Ansteuerung für den P-FET gewählt wurde?
    Was macht die Zener-diode da?

    Ich weiß, dass das balancieren von NiMH Zellen sehr schwierig ist, weil man von der Spannung kaum auf den Ladezustand schließen kann.
    Wenn ich allerdings sicherstelle, dass alle Zellen immer diesselbe Spannung haben, dann werden sie auch zeitgleich die Entladeschlusspannung erreichen.
    Unter gar keinen Umständen darf eine Zelle umgepolt werden!
    Als Balancer wird die Schaltung von http://www.richard-dj1pi.de/modell_elektron.html angepasst.


    Wegen der Spule: Das WAR eine Ladeschaltung von Conrad (nicht mehr im Sortiment). Ladestrom_max=3A, maximal 12Zellen NiMH. Gesteuert über einen Darlington Transistor und Speicherspule + Shottky-Diode. Ich habe die Schaltung mit Netzteil in einem Kasten aufgebaut, diesen aber nicht geschlossen. Alles war schon gekühlt
    Nach einer halben Stunde laden kam ich wieder in mein Zimmer herein und sah ungefähr 10cm hohe Flammen aus der Schaltung schlagen. Ich habe das Gerät ausgeschaltet. Der Transistor hat einen internen Kurzschluss. Der Austauschtransistor teilte sein Schicksal...
    Heute vermute ich, dass die Spule in Sättigung gegangen ist und die Versorgungsspannung einfach durchgeschaltet hat.
    Das Teil war sowieso beschissenstes dimensioniert (0.25W Entladewiderstand) und ich werde das besser hinbekommen :P

  8. #8
    Erfahrener Benutzer Fleißiges Mitglied
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    Sorry für die Verspätung...

    die Z-Diode begrenzt die Gatespannung des FET auf ca. 24-10V, also 14V, (ist oft mit ca. max.15-20V angegeben)
    die Diode muss nur kurzzeitig Umladungsströme vertragen, geht ein x-beliebiger Typ.
    Zufälligerweise bin ich auch bei meinen Betrachtungen von genau diesen sogenannten "Richard-Balancer" ausgegangen, die sonstigen für Lipo angebotenen funktionieren nicht bei Entladung.
    Das Problem bei Ni-Akkus während der Ladung ist ja vor allen Dingen die rückläufige Spannung zum Ladeende(-Delta-Peak), ein Balancer würde an diesem Punkt den Strom erhöhen, um die Spannung zumindest konstant zu halten, für ein langes Leben muss aber an diesem Punkt die Ladung.beendet werden.
    Also für Entladung ja, für Ladung nein.
    Ein Step-down/up Wandler heutzutage noch mit Transistoren zu bauen, ist eigentlich schon ein Verbrechen an sich... Von Wirkungsgrad kann da ja nicht die Rede sein. In der Tat, das geht besser,

    Gruß, Rene

  9. #9
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von robocat
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    hallo ihr, *thema reanimier*

    seid ihr inzwischen weitergekommen? ich möchte mir auch eine ladegerät (erstmal nur für eine NniMH zelle) basteln. man findet ja genug lader und infos im netz, aber mein "wunschgerät" war noch nicht dabei.

    ich habe heute mal eine konstantstromquelle mit LM317 aufgebaut, was ja keine kunst ist, und versucht, diese über einen transistor zu pulsen. ein bc337 wurde zu heiss, deshalb bin ich nun auf der Suche nach einem "dickeren" transistor. oder sollte ich da einen mosfet verwenden? oder ist das unsinn, was ich da mache?

    gruesse
    Miniaturansichten angehängter Grafiken Miniaturansichten angehängter Grafiken stromquelle.png  

  10. #10
    Erfahrener Benutzer Roboter Experte
    Registriert seit
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    Hi Robocat,
    ich bin natürlich noch nicht weitergekommen :P
    Ich habe jetzt erfahren, dass PWM alleine nicht sooo optimal ist, stepdown wandler ist besser. Dafür braucht man aber Spulen... die sind teuer und ich kann sie nicht meßen.

    Am besten wird es wohl sein, einen integrierten controller zu verwenden. Wenn du es selber machen möchtest, dann schau dir die Ladeprofile von batteryuniversity an, das reicht für den Einstieg.

    Wenn du es diskret mit µC machen möchtest: Den Konstantstrom kannst du doch über die PWM einstellen, so dass immer die selbe Spannung an einem Shunt abfällt? Dann brauchst du keinen LM317, der 3.5V Spannungsabfall hat.
    Welchen Strom hast du eingestellt? Schafft der bc337 das, der hat max. 500mA! Reicht der Basisstrom von (5V-0.7V)/1kR=4.3mA um den Transistor komplett durchzuschalten?
    Wie hoch ist deine Versorgungsspannung? Eine Zelle braucht mindestens 1,5V um geladen zu werden, dazu 3V vom LM317 + 1,25V vom Widerstand, am Transistor fallen ungefähr 1V ab, dann bist du bei 6,75V ohne große Reserven. Die Spannung am Akku selbst steigt je nach Strom stark an.

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