Akkuladegerät 150..6000 mAh für 1..7 Zellen
mit PIC16F876

- Ladestrom 50 mA..2 A - Ladedauer max 4 Stunden - Ladeendeerkennung Delta-Peak - Zellenzahl 1..7 Programme:  Entladen Laden Topping-Laden Erhaltungsladen

Einleitung
Das ist die Erweiterung des Akkuladegerätes auf mehrzellige Akkus. Da als Stromquelle ein 12V/2A-Netzteil zur Verfügung steht, könnten Akupacks bis zu 6000mAh geladen werden.
Die Software und der Controller sind entsprechend modifiziert.
Auf dieser Seite werden nur die Änderungen gegenüber dem einfachen Gerät erläutert. Alle grundlegenden Informationen bitte ich, der anderen Seite zu entnehmen.

Dieses Gerät ist nicht dafür gedacht, ständig alle im Haushalt anfallenden Akkus zu laden (dazu ist es zu aufwändig), vielmehr ermöglicht es neben der Ladung eine Analyse des Zustandes einzelner Akkuzellen bzw Akkus (noch vorhandene Kapazität wird bestimmt) sowie die Akkupflege.

Anforderungen
Ein Akkuladegerät sollte in der Lage sein,

1. mit 1..7-zelligen NiCd- und NiMh-Akkus umzugehen
2. einen Akku bis zu seiner Entladespannung zu entladen
3. einen Akku maximal zu laden, ohne ihn zu überladen
4. einen Akku in max. 4 Stunden zu laden
5. die in den Akku geladene oder aus ihm entladene Energiemenge zu messen und anzuzeigen
6. Akkus von 150 mAh bis 6000 mAh zu laden/entladen.

Schaltung

Das Herz der Schaltung ist ein PIC16F876, der an PortB mit einem LCD-Display (1x16) und einem Rotary-Encoder versehen ist. PortA dient der Spannungsmessung und PortC der Steuerung der Ladeelektronik. Mit dem PWM-Ausgang RC2 wird die Stärke des Lade/Entladestroms eingestellt. Aufgebaut ist der 16F876 auf einer universellen Controller-Platine, die im linken Bild zu sehen ist.Auf einer 75 x 100 mm großen Platine befindet sich der Sockel für den 16F876 sowie Anschlüsse für PortA PortB PortC ICSP Tastatur (4x3 Tasten am PortB) LCD-Dotmatrixdisplay (mit Kontrastregler) (am PortB) Rotary Encoder (am PortB) Ebenfalls vorhanden ist ein RS232-Treiber (MAX232) mit Sub-D-9-Buchse, und ein Gleichricher/Spannungsstabilisiator, der es ermöglicht, die Platine aus jeder AC/DC-Spannungsquelle von 9V..15V zu speisen.

Ein Netzteil liefert +5V (Vdd - Vss) für den Controller und die Ladeelektronik und zusätzlich 12V/2A für die Ladeelektronik. Eine präzise Stabilisierung von Vdd = +5V ist nötig, da diese Spannung auch als Referenz für den ADC des PIC benutzt wird. (Entscheidend ist nicht die exakte Einhaltung des Wertes 5V als vielmehr seine Konstanz.
 

Der PIC steuert eine Konstantstromquelle, die den Akku mit ca. C/3 lädt, und eine Entlade-Konstantstromsenke, die den Akku mit C entlädt. (C ist ein Strom, der der Akkukapazität/h entspricht, also z.B. 700mA für einen 700mAh-Akku.) Die Konstantstromquelle zum Laden des Akkus ist mit einem OPV (LM358) aufgebaut, der einen P-Kanal MOSFET (IRF9540) ansteuert. Er regelt den Strom so, dass über den Messwiderstand R19 (0,47 Ohm) eine Spannung abfällt, die zu der Spannung am positiven Eingang des OPV identisch ist. Durch die Limitierung auf Akkukapazitäten bis zu 6000mAh wird der Ladestrom auf maximal 2A begrenzt, um das vorhandene Netzteil nicht zu überlasten.

Die Entladeschaltung ist eine Konstantstromsenke, die den gleichen OPV benutzt, der diesmal jedoch einen N-Kanal logic-level-MOSFET (SMP60N03-10L) ansteuert, der den Akku über die Messwiderstaände R16..R18 entlädt. Er regelt den Strom so, dass über die Messwiderstände (0,157 Ohm) eine Spannung abfällt, die zu der Spannung am positiven Eingang des OPV identisch ist. Dadurch ist garantiert, dass der Entladestrom immer drei mal so groß ist wie der Ladestrom.  Sowohl Ladeschaltung wie auch Entladeschaltung werden normalerweise vom PIC über D1&D2 blockiert, und erst beim Laden oder Entladen eingeschaltet. Die Stromstärke stellt der PIC mit dem Tastverhältnis eines PWM-Signals ein, das von R1&C1 in eine Gleichspannung gewandelt wird. Mit R2 wird die Stromstärke einmalig abgeglichen. Dieser Abgleich wird durch die Software unterstützt.

Durch die hohe Verstärkung des OPV neigen die Stromquellen zwangsläufig zum Schwingen. Eine Unterdrückung der Schwingungen durch einen Gegenkoppelwiderstand am OPV ist durch die unterschiedlichen Arbeitspunkte beim Laden bzw. Entladen nicht möglich. Deshalb wurden C2&C3 zur Schwingungsunterdrückung eingesetzt. Die Akku-Zellenspannung wird mit dem ADC des PIC überwacht. Ein Ohmscher Spannungsteiler (R6&R7) drittelt zunächst die Akkuspannung. Ein nachgeschalteter OPV mit einstellbarer Verstärkung verstärkt diese Spannung wieder. Der Verstärkungsfaktor G des OPV wird über ein elektronisches 100-kOhm-Potentiometer (9XC104) entsprechend der Zellenzahl des Akkus eingestellt. Es gilt: G = (100 / 14)  /  (8 - Z) Wobei Z die Anzahl der Zellen des Akkupacks ist. Dadurch liegt am ADC-Eingang das 2,381-fache der Einzelzellenspannung an. Durch Verwendung einer positiven Referenzspannung von 4,8714V entspricht der vom ADC ermittelte Messwert der Hälfte der Zellenspannung in Millivolt. Das klingt erst einmal etwas kompliziert, es minimiert aber den Rechenaufwand zur Spannungsmessung. Um die Zellenspannung zu erhalten, muss man nur den ADC-Messwert mit 2 zu multiplizieren.

Erwärmung: Das Entladen größerer Akkus erzeugt naturgemäß goße Hitze, die im Wesentlichen durch der Entladetransistor entwickelt wird. Um die Anforderungen an die Kühlung nicht zu hoch zu schrauben, begrenze ich per Software die maximale Wärmeabgabe des Entladetransistors auf 25W. Dadurch können nicht alle Akkupacks mit dem Strom C innerhalb einer Stunde entladen werden. Der IRF9540 setzt maximal 21 W in Hitze um (1 Zelle  mit 2A Ladestrom), die Hitzeentwicklung des SMP60N03 wird auf 25W begrenzt. (3 Zellen a 6000mAh oder 7 Zellen a 2500mAh) und die Lastwiderstände R16..R19 maximal je 3 W. Deshalb bekommen der IRF9540 und der  SMP60N03 einen gemeinsamen Kühlkörper mit einem TK von max 2 K/W. Das ist in meinem Fall ein 5cmx5cm-großer ehemaliger CPU-Kühlkörper mit einem 50mm Lüfter. R16..R19 sind 5W-Typen. Der Lüfter des Kühlkörpers wird normalerweise mit 5V betrieben, und bleibt so unhörbar. Bei Bedarf schaltet der PIC  den Lüfter auf 12V-Betrieb. Die vom Kühlkörper abzuführende Verlustleistung ließe sich berechnen, man kann aber auch einfach die Temperatur des Kühlkörpers mit einem Temperatursensor überwachen. Ich greife auf meinen Lüfterschalter zurück, und integriere ihn in das Ladegerät. Überschreitet die Kühlkörpertemperatur 48ºC, dann wird der Lüfter auf 12V umgeschaltet. Unterhalb von 35ºC wird auf 5V zurückgeschaltet. Bei einer Überschreitung von 60ºC erfolgt eine Havarieabschaltung des Lade/Entladevorgangs. Der Temperatursensor ist am Kühlkörper zu befestigen. Die Erwärmung des Ladetransistors ließe sich deutlich verringern, wenn man als Spannungsquelle zwischen 5V und 12V umschalten könnte, da der Entladetransistor aber ohnehin die größten Kühlmaßnahmen erfordert, bringt so eine Auswahlmöglichkeit letztendlich nichts.

Aufbau: Der Ladeadapter wurde auf einer 80 mm x 100 mm großen Platine aufgebaut, und mit Kabeln versehen, deren Stecker in die 10-poligen Steckverbinder der Controllerplatine oder der 16F876-Testplatine passen. (Port A und C). An den Display-Anschluss (Port B) der Controllerplatine/Testplatine wurde (mit einer LCD-Tastatur-Platine) ein 1-zeiliges Dotmatrix-Display angeschlossen. Ebenfalls am Port B ist der Rotary-Encoder angeschlossen. Als Gehäuse verwende ich ein altes externes SCSI-Gehäuse mit Netzteil. Die Dioden D1..D2 müssen Shottky-Dioden sein. Beide MOSFETs sind für diesen Zweck völlig überdimensioniert, ich benutze was gerade in meiner Bauelementekiste ist. Sie können durch billigere Typen (Mindestforderung 20V, 50W, 10A) ersetzt werden. Der N-Kanal MOSFET (T3) sollte aber ein logic-level-Typ sein.

Berechnung der geladenen/entladenen Energie
Der Energiezähler ist ein 24 Bit-Softwarezähler dessen obere 16 Bit der Energie in mAh entsprechen. Das LSB hat also eine Wertigkeit von 1/256 mAh = 0,0004 mAh.

Das Ladeprogramm arbeitet in einem 6,75 Sekunden-Rythmus. Bei 33,3 mA-Ladestrom (100 mAh-Akku) wird dem Akku in 6,75 s genau 0,0625 mAh (also 1/16 mAh) zugeführt.
Ein 24-Bit-Zahler wird nach jedem Ladezyklus um einem Wert erhöht, der dem Ladestrom in 100/48 mA entspricht (für 200 mA also um 96, für 1 A folglich um 480). Die oberen 16 Bit des Zählers enthalten dann die geladene Energie in mAh. Werte bis 60 Ah sind auf diese Weise zählbar. Das ist für 6000 mAh-Akkus ausreichend :-)

Das Entladeprogramm arbeitet in einem 2,25 Sekunden-Rythmus. Bei 100 mA-Entladestrom wird dem Akku in 2,25 s genau 0,0625 mAh (also 1/16 mAh) entnommen.
Ein 24-Bit-Zahler wird nach jedem Entladezyklus um einem Wert erhöht, der dem Entladestrom in 300/48 mA entspricht (für 600 mA also um 96, für 3 A folglich um 480). Die oberen 16 Bit des Zählers enthalten dann die entnommene Energie in mAh. Werte bis 60 Ah sind auf diese Weise zählbar. Das ist für 6000 mAh-Akkus ausreichend.

Die Energieberechnung erfordert das Einstellen der Ladeströme in 2,0833 mA-Stufen (Entladestrom ist immer 3 mal so groß). Der Akkutyp kann also in Stufen von 6,25 mAh ausgewält werden. Die Software erlaubt nur ein Einstellen in der sinnvollen Stufung von 50 mAh. Nur in diesen Stufen lässt sich auch die von der PWM erzeugte Strom-Steuerspannung einstellen.

Kalibrierung
Im Ladeadapter gibt es zwei Potentiometer (R2 und R4), die präzise eingestellt werden müssen. Diese 'Kalibrierung' wird durch die Software des PIC ein wenig unterstützt.

Einstellen der Referenzspannung von 4,8714 V - 3 Varianten

Am Potentiometer R4 muss die Referenzspannung Uref auf genau 4.87V eingestellt werden. Dazu bieten sich 3 Varianten an, von denen Variante 1 deutlich genauer ist. Die Präzision dieser Einstellung sollte man aber nicht überbewerten, da sich ein Messfehler von 5% nicht nennenswert auf die Funktion des Ladegerätes auswirkt.

1. Man schließt eine geladene Zelle an die Ladeanschlüsse des Ladegerätes an. Parallel zur Zelle wird ein Voltmeter angeschlossen. Das Ladegerät wird auf "1 Zelle" eingestellt, und dann der Menuepunkt "Spannung" aufgerufen. Daraufhin zeigt das Display kontinuierlich die Zellenspannung in Millivolt. Dann wird R4 so eingestellt, dass am Display die gleiche Spannung angezeigt wird wie am Voltmeter.
2. Die Einstellung lässt sich mit einem digitalen Voltmeter ausreichend genau erledigen, welches dafür an den Uref-Anschluss angeklemmt wird. Dann wird R4 so eingestellt, dass am Voltmeter 4,87 V angezeigt wird. Toleranzen von R6&R7 werden dabei nicht eliminiert.
   
3. Alternativ kann man im Ladegerät den Menüpunkt 'U-ref' aufrufen.  Daraufhin zeigt das Display kontinuierlich die Referenzspannung (in Millivolt). Durch Verändern von R4 kann die Referenzspannungsanzeige auf 4871 mV eingestellt werden. Die Genauigkeit dieser 3. Variante hängt von der Genauigkeit der Betriebsspannung ab, die in diesem Fall exakt 5,0 V betragen muss.

Prüfung der Stromquellen bei 1 A
Nach der 'Kalibrierung 0,1A' sollten die Stromquellen in der Lage sein, alle Ströme exakt zu erzeugen. Zur Probe kann man im PIC den Menüpunkt 'Kal 1A' aufrufen. Daraufhin wird die Ladestromquelle auf 1 A eingestellt. Wird an den Akkuklemmen ein Amperemeter angeschlossen, kann man den Stromwert direkt prüfen.
Alternativ kann man während der 'Kalibrierung 1 A' die Spannung über R19 mit einem Digital-Voltmeter messen. Diese muss 470 mV betragen, wenn die Akkuklemmen kurzgeschlossen werden. Die Spannungsanzeige im Display sollte bei der 'Kalibrierung 1A' nicht verwendet werden. Sie ist durch Übergangswiderstände stark fehlerbehaftet, und wird deshalb mehr als 470mV anzeigen.
Da Nichts vollkommen linear funktioniert, wird der Strom in der bei 'Kalibrierung 1A' warscheinlich etwas kleiner als 1A ausfallen. Durch abwechseldes Einstellen des 100-mA-Stroms und des 1-A-Stroms ließ sich bei mir eine Position von R2 finden, in der der Stromfehler in jedem Fall unter 3% liegt.

Menue des Akkuladegeräts

Nach dem Einschalten stehen 10 Menuepunkte zur Wahl, die durch Drehen des Rotary-Encoders ausgewählt und durch Drücken dessselben (länger als 0,25 s drücken!) gestartet und wieder verlassen werden können. Zur normalen Arbeit werden nur die ersten 4 Menuepunkte  und der letzte Menuepunkt benötigt, die anderen dienen Test und Kalibrierfunktionen.

Während der Lade- und Entlade-Programme kann durch Drehen des Rotary-Encoders in Uhrzeigerrichtung zwischen den folgenden vier angezeigten Messwerten umgeschaltet werden:

• Zeit seit dem Start des Lade-, Entlade-, Beleben-, Topping- bzw Erhaltungs-Programms.
• Spannung des Akkus in Millivolt
• in den Akku geladenen bzw dem Akku entnommene Energie in mAh
• verwendeter Lade- bzw Entladestrom in Milliampere

• Ausgangswert des FIR-Filters
• Lupenspannung (z.Z. ohne Funktion)
  
• Referenzspannung
• Temperatur des Kühlkörpers

Zur Realisierung wird u.a. auf folgende Unterprogramme zurückgegriffen:

• Entladeprogramm
• Ladeprogramm
• Belebungsprogramm
• Topping-Programm
• Erhaltungslade-Programm

Entladeprogramm:
Um dem viel diskutierten Memmoryeffekt aus dem Wege zu gehen, sollten insbesondere NiCd-Akkus vor dem Laden entladen werden. Dazu werden sie mit einem Strom belastet, der ihrer Nennkapazität C entspricht (alo ein 750 mAh-Akku mit 750 mA). Die Entladung wird beendet, wenn die Zellenspannung 1,0 V erreicht hat. Während der Spannungsmessung, wird die Entladung kurzfristug unterbrochen.

1. Einschalten der Entladeschaltung für 2,25 Sekunden
2. 5 ms Pause
3. Anzeigen der entnommenen Energiemenge
4. Messen der Zellenspannung
5. falls Spannung unter 1V liegt, dann das Entlade-Programm verlassen: zum Ladeprogram gehen
6. ansonsten zurück zu Punkt 1

1. falls die Zellenspannung unter 0,4V liegt, dann zum Belebungsprogramm gehen
2. sind schon 4 Stunden vorbei?
3. wenn ja: dann STOP TIMEOUT
4. Einschalten der Ladeschaltung für 6,75 Sekunden
5. 5 ms Pause
6. Anzeigen der geladenen Energiemenge
7. Messen der Zellenspannung
8. falls Spannung fällt, dann das Lade-Programm verlassen: zum Topping-Programm
9. ansonsten zurück zu Punkt 1

1. Einschalten der Ladeschaltung für 250 ms Sekunden
2. 750 ms Pause
3. sind 2 Stunden vorbei? Wenn ja, dann STOPP. Der Akku ist defekt
4. Messen der Zellenspannung
5. Liegt die Zellenspannung über 0,4V, dann das Belebungs-Programm verlassen: zum Ladeprogramm
6. ansonsten zurück zu Punkt 1

1. Einschalten der Ladeschaltung für 250 ms Sekunden
2. 750 ms Pause
3. sind 2 Stunden vorbei? Wenn ja, dann das Lade-Programm verlassen: zum Erhaltungslade-Programm
4. ansonsten zurück zu Punkt 1

1. Einschalten der Ladeschaltung für 75 ms Sekunden
2. 1 Sekunde Pause
3. zurück zu Punkt 1

Mögliche Verbesserungen

Die Spannungsmessung könnte einfacher (ohne OPV) und genauer (0,4mV Auflösung bei 10 Bit im Bereich von 1,2 bis 1,6 V) erfolgen, wenn man anstelle eines 16F876 einen 16F628 verwendet, und mit dem Komparator einen 10-Bit-Delta-Sigma-ADC aufbaut. Außerdem kostet der 16F628 nur die Hälfte des Preises des 16F876.
Der kleinere RAM des 16F628 würde aber eine Verkleinerung des FIR-Filters auf 48-Stufen nötig machen. Das sollte aber reichen. Eng wird es mit der geringen Anzahl an freien I/O-Pins beim 16F628. Die Kalibrierung der Spannungsmessung würde komplizierter werden.

Für Freunde der Tasten, sollte alternativ zum Rotary-Encoder eine Bedienung über drei Tasten vorgesehen werden.

• Assemblerlisting und HEX-File V2.00