Das grundsätzliche Verfahren zu Laden eines Li-Akkus gliedert sich in zwei Phasen:
Man lädt mit konstantem "Volldampf"-Strom (z.B. 1A) und überwacht dabei die Zellspannungen. Erreicht man die Ladeschlussspannung (nominal max. 4,2V bei LiPo) endet diese 1.Phase. Der Akku ist damit aber noch nicht randvoll.
In der zweiten Phase wiederholt man in der Praxis bei µC-Ladern genau die erste Phase, jedoch mit stufenweise abgesenktem Strom (0,9A, danach 0,8A, … bis herunter zu einem Minimalstrom von vielleicht 0,1A). Das man mit abgesenktem Strom noch etwas in den Akku hineinbekommt, liegt darin begründet, dass die Akkuspannung sofort nach wegnehmen des Ladestromes auf einen Ruhepegel unterhalb der Ladeschlussspannung zurückfällt. Die Leerlaufspannung einer randvollen Zelle liegt gar nicht bei 4,2V. Modellhaft kann man sich das durch einen in Reihe zur Zelle geschalteten Widerstand vorstellen, der die messbare Klemmspannung bei Stromfluss sowohl beim Laden als auch beim Entladen gegenüber der eigentlichen Spannung in der Zellchemie verfälscht. Man muss also beim Laden immer etwas "pumpen" damit was reingeht. Beim Entladen ist das, was intern in der Zelle abläuft, nicht so arg, wie von außen an den Klemmen gemessen.
Das ist der Theorieteil, aus dem Du zumindest entnehmen kannst, was zu messen ist:
Spannung: Geht über einen AD-Wandler
Strom: Geht indirekt über Spannungsmessung, wenn man einen Shunt oder einen Stromsensor hat.
Die typischen fertigen StepDown-Module haben die Aufgabe, eine konstante Spannung zu liefern, dabei regeln sie dynamisch den vom Verbraucher entnommenen Strom, indem sie die Ausgangsspannung überwachen und entsprechend die PWM hoch- oder runterstellen. Geht bei Deinem Arduino also eine LED an und steigt dadurch der Strom um 10mA, fällt zuerst die Spannung am Regler ab und der Regler dreht die PWM etwas auf, wodurch die Ausgangsspannung wieder angeglichen wird, weil der Regler nun mehr Strom liefert. Allerdings ist das ein Regelkreis im IC, an dem spielt man besser nicht herum. Damit kann man also wenig anfangen.
Einzelzelllader-ICs verwenden und so die Balancerproblematik umgehen: Klingt verlockend. Man muss sich aber fragen, warum macht das keiner?
Die Teile leiten das eingangsseitige Massepotential direkt an den Minuspol der angeschlossenen Zelle durch. Bei drei in Reihe geschalteter Zellen gibt's also nen fetten Kurzschluss bei einer gemeinsamen Versorgung. Drei Netzteile für drei Zellen verwenden würde gehen, ist aber noch mehr Aufwand.
Umschalten? Man braucht für drei Zellen 6 Umschalter, um jeweils + und - der Ladeschaltung an + und - der entsprechenden Zelle anzudocken. Dazu braucht man entweder ein gemeinsames Potential, damit die Umschaltung nicht auch noch als negative Spannung anzusteuern ist oder eine galvanische Trennung (z.B. Relais = teuer, groß, stromfressend). Außerdem verlängert sich die Ladezeit. Ein Heidenaufwand also.
Fertiglader: Du sagst ja selber, Du möchtest Monitoring betreiben, die Zellen einzeln überwachen und ggf. früher abschalten. Ich habe Dir oben im Plan gezeigt, wie das sinnvoll hochohmig und mit Impedanzanpassung über einen OPV an den AD-Wandler angedockt werden kann. Niederohmiger könnte man sich den OPV sparen, aber man bekommt durch die Spannungsteiler an den einzelnen Zellen wesentliche Ungleichgewichte. Wenn Du z.B. mit 33k/10k abgreifst, gehen durch den Spannungsteiler der untersten Zelle nominal nur 3,7V/43k = 85µA, bei der obersten sind es 11V/43k=250µA. Da aber die 250µA der obersten Zelle aus allen Zellen entnommen wird, bekommst Du alleine dadurch (die mittlere Zelle nicht eingerechnet) bei dauerhaft angeschlossenen Messteilern ein Ungleichgewicht von 165µA, in einer Woche sind das eben mal 27mAh. So viel Ungleichgewicht werden die üblichen Balancer gar nicht los, wenn sie sinnvoll entworfen nur im letzten, schnell steigenden Abschnitt der Ladekurve (ab 3,8V) arbeiten.
Was auch noch dazukommt: Das Monitoring und alle Verbraucher müssen komplett abschaltbar sein. Du willst nicht, dass Dein Akku dicke Backen kriegt, weil der Robby vor einer versehentlich geschlossenen Tür gescheitert ist.
Sprich: Der Lader ist eigentlich nicht das Aufwändige, das Drumherum ist das Übel.
Wenn Dir der Lader Bauchschmerzen bereitet, als abgespecktes Experiment in der Vorweihnachtszeit (kleine Schaltung auf Lochraster):
- Lasse in der Schaltung den ganzen Messkram einfach weg, ersetze den BSS138 durch einen BS170 (ist als THT einfacher zu löten).
- Nimm Dir nen fetten 22R-Zementwiderstand als Akkusimulator (glaub mal nicht, dass ich solche Schaltungen mit "lebenden" Akkus teste)
- Lass den Shunt weg und schalte stattdessen Dein Multimeter als Strommesser zwischen Lastwiderstand und StepDown.
Wenn ich mich nicht verzählt habe, bleiben so letztendlich noch 14 "Bauteile" übrig: zwei Transistoren, zwei Dioden, zwei Kondensatoren, eine Spule und drei Widerstände, ein Lastwiderstand, Dein Labornetzteil als Fütterungsstation, das Multimeter und Dein Arduino, mit dem Du die PWM erzeugst (Masse verbinden nicht vergessen).
Als Bescherung bekommst Du dann vielleicht die Erleuchtung, wie so eine Schaltquelle funktioniert und was passiert, wenn man Last, Eingangsspannung oder PWM-Wert ändert.
(Ich zumindest war damals nach langer Recherche/ Unschlüssigkeit ziemlich baff, als ich dann doch den ersten Aufbau gewagt hatte und der auch noch unverschämterweise auf Anhieb funktionierte)
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