Lithium Akkus sind die Energiespeicher dieser Zeit. Sie haben eine geringe Selbstentladung, das Laden geschieht weitgehend verlustfrei und die Energiedichte ist hoch. Größter Nachteil ist jedoch, dass im Betrieb die Grenzspannungen für Lade- und Entladeschluss unbedingt einzuhalten sind, andernfalls verschleißen die Elektroden übermäßig bis zur vollständigen Zerstörung.

Die Aufgabe das Einhalten dieser Grenzen sicher zu stellen, übernehmen spezielle Controller die in den Akkupacks verbaut sind. Solche Schaltungen sind hochintegriert und speziell auf die jeweiligen Zellen abgestimmt. Im Bild ein zerlegter Laptop Akku.

Um diese Akkus für eigene Applikationen nutzen zu können müsste ein Controller entworfen werden, der konfigurierbar wäre für die Parameter Zellenzahl, Ladeschlussspannung und Maximalstrom beim Laden/Entladen. Dann könnte man alte Laptop-Akkus ausschlachten, oder billig Angebote kaufen und eigene Akku-Packs bauen.

Die Recherche im Internet war ernüchternd: es gibt keine IC bei den üblichen verdächtigen Elektronikversendern, die brauchbar sind. Offensichtlich sind solche ICs immer für spezielle Lösungen ausgelegt und werden im "Tüftlersegment" nicht nachgefragt. Also: selber bauen.

Analyse

Zunächst war das Analysieren eines Akkupacks angesagt. Der Akku eines kaputten Laptops stand zur Verfügung, eine geeignete Messvorrichtung war noch zu bauen. Etliche Vorversuche einen geeigneten Operationsverstärker zu finden gingen dem Schaltungsbau voraus. Dann alles auf dem Steckbrett aufgebaut und los gings.

Zuerst untersuchte ich die Entladung des Packs, zeichnete Strom und die einzelnen Zellspannungen auf. Anschließend steckte ich den Akku wieder am Laptop an und zeichnete den Ladevorgang auf.

Im Bild rechts oben (klicken zum Vergrößern) der erste Versuchsaufbau, bei dem nur die Gesamtspannung gemessen wurde. Rechts unten der erweiterte Versuchsaufbau zur Messung der einzelnen Zellspannungen. Im Bild "Verlauf_ges" ist der Verlauf der Gesamtspannung in Rot, der Strom im Türkis dargestellt. Die Entladung erfolgte mit 800-900mA über einen Zeitraum von 2.5h. Bei 9V erfolgte die Abschaltung. Deutlich erholt sich die Spannung innerhalb der nächsten halben Stunde ohne Belastung.
Entladen_Li-Ion_10.8V-4000mAh_20120210-Verlauf_ges
Rechts im Ausschnitt gezeigt, die einzelnen Spannungen. Dabei bezeichnet U01 die Spannung über den ersten Akku, vom Pluspol aus gesehen, U12 den mittleren und U23 die Spannung zu GND. Die Entladekurven der drei Akkus sind unterschiedlich. Auffällig die Zelle 3 (U23 - im Gesamtverlauf violett, in der Vergrößerung blau), welche weniger Energie abgibt und sich nach Entladeschluss fast bis zur Startspannung erholt. Offensichtlich ist der Innenwiderstand dieser Zelle höher als jener der beiden anderen, ein Hinweis dass die Elektrode dieser Zelle höheren Verschleiß aufweist.

Diese erste Messung zeigt schon ein grundsätzliches Problem: Die Energieabgabe der einzelnen Zellen ist unterschiedlich, was für das Controller-Konzept zwingend bedeutet dass die Einzelspannungen zu messen sind. Es reicht nicht die Gesamtspannung des Akkupacks zu messen.

Das Laden

Viel interessanter jedoch ist der Ladevorgang. Wie in der Grafik des Artikels der Battery-University gezeigt, erfolgt das Laden in zwei Phasen. In der ersten wird der Strom konsant gehalten (Stage 1) bis der Akku seine Maximalspannung erreicht hat, je nach Typ 4.1V bis 4.35V. Dann erfolgt das Sättigungsladen bei konstanter Spannung (Stage 2) bis der Strom auf eine Untergrenze, etwa 300mA, gefallen ist.

Die Elektronik des Laptop-Akkus begrenzt im Stage 1 den Strom durch Pulsen, weshalb die Fläche unterhalb der roten Kurve in der Graphik "U-I-Verlauf" ausgefüllt erscheint.
Start 0:00h
Am Anfang dauern die Ladepulse etwa zwei Sekunden, unterbrochen von einer Ruhepause mit 1 Sekunde, der Strom (Peak) liegt dabei im Bereich von 2.2A Spitze. Die Akkuspannungen liegen bei 3.30V 3.39V 03.52V (U01-U12-U23).
Umschalten Tastverhältnis bei 0:30h
Das Burst/Pause Verhältnis ändert sich auf 150ms / 150ms. Der Strom liegt bei 2.2A und fällt bis 1,3A. Die Akkuspannungen steigen bis zuletzt auf: 3.83V 3.9V 4.12V
Umschalten Tastverhältnis bei 1:38h
Es wird wieder zurückgeschalten auf 2sec / 1sec Verhältnis Burst/Pause. Strom fällt bis 0.6A Peak
Konstantspannungsladen ab 2:25h:
Die Zellen haben folgende Spannungen erreicht: 3.97V 3.99V 4.18V. Es wird mit 0,6A geladen, der Strom fällt stetig.
Abschaltung nach 4:07h
Der Ladestrom lag zuletzt bei 12mA. Der Akkupack hat eine Gesamtspannung von 12.35V erreicht, die Einzelspannungen der Zellen liegen bei 04.05V, 04.07V und 04.23V. Wieder weicht die dritte Zelle von den anderen beiden ab. In U0-U1-U2_Verlauf sind die Einzelspannungen abgebildet.

Um den durchschnittlichen Verlauf deutlicher zu machen wurde über jeweils 500 Messwerte der Mittelwert berechnet, daraus ergibt sich für jede halbe Sekunde ein Wert (Abtastrate war 100ms). Die Darstellungen "U-I-Verlauf_Mean" für den Verlauf der Spannung des Packs und "U0-U1-U2_Verlauf_Mean" für die Einzelspannungen.

Zusammenfassung

Warum diese Umschaltungen der Tastverhältnisse? Der Akku gehört zu einem Laptop, welcher die Ladespannung zur Verfügung stellt. Einzige Möglichkeit für die Akkuelektronik den Ladestrom zu begrenzen ist also die Pulsladung. Problem dabei ist die Zellenspannungen sauber zu ermitteln, denn nach einem Ladepuls fällt die Spannung innerhalb einiger Sekunden wieder ab. Die Ladepause von einer Sekunde dient also zur genaueren Bestimmung der Spannungen. Am Anfang des Ladens ist das wichtig um den Ladezustand des Akkus zu bestimmen, später um den Punkt zum Übergang in das Konstantstromladen genau zu bestimmen.
Warum dazwischen in kurzen Pulsen mit einem Tastverhältnis von 50% geladen wird ist mir nicht klar. Die Ladezeiten des Akkus verlängern sich dadurch erheblich. Eine Maßnahme die Lebensdauer des Akkus zu verlängern?

Die Controllerschaltung

Aus den Erkenntnissen der Analyse heraus müsste die Controller-Schaltung folgende Funktionen haben:
  • Eine Transistorschaltung welche in beide Richtungen schalten kann um das Laden / Entladen schalten zu können.
  • Die Zellspannungen müssen einzeln zu messen sein.
  • Strommessung in beide Richtungen (Lade- / Entladestrom)
  • Der Akkupack muss nach außen kommunizieren, etwa mit der Applikation (Entladezustand) oder dem Ladegerät um den Strom zu begrenzen.
  • Temperaturmessung der Zellen zur Überwachung.
  • Balancing-Schaltung, die während des Ladens aktiv ist, um die Abweichungen, wie oben beschrieben zu vermeiden.
Balancing heißt, die bereits vollen Zellen zu überbrücken um die anderen weiter zu laden. Die Technik ist in dem Wiki Artikel beschrieben, weiter ist auf dieser Modellbauseite der Aufbau eines Balancers beschrieben. In der Schaltung sind die beiden Transistoren Q3 und Q4 dafür vorgesehen und leiten den Ladestrom durch die Widerstände R3 und R4.

Zu erwähnen ist noch der Summen-Differenzverstärker den U1D bildet. Die Arbeitsweise ist in diesem Artikel der Uni Siegen beschrieben: Summen-Differenz-Verstärker. Der Spannungsabfall über dem Shunt-Widerstand R27 ist beim Laden negativ, während des Entladens positiv. Um ihn mit dem Controller messen zu können muss die Spannung nicht nur verstärkt werden, sondern auch einen Offset hinzugefügt bekommen. Genau das erledigt die besagte Schaltung.

Um die Zellen nicht zu überladen muss die Spannungsversorgung sehr genau einzustellen sein. Problematisch ist dabei die Spannungsmessung. Zwischen der Klemmenspannung an den Akkus und der des Ladegerätes können bei höheren Strömen bereits einige Millivolt Spannung abfallen. Deshalb muss die Controllerschaltung die Spannung messen und das Laden steuern.

Die Bilder zeigen den Aufbau der Testschaltung auf einer Lochrasterplatine. Darunter die fertige Platine mit einem Atmega 8.

Fazit

Das Ganze funktioniert zwar, allerdings ist der Aufwand recht hoch. Der Contoller kommuniziert mit dem µC-Power Supply und steuert über die Spannung den Ladestrom. Um mit einem Standard-Netzteil Laden zu können müsste die Schaltung weiter entwickelt werden.
Ganz nett ist auch der Summen-Differenz-Verstärker, allerdings ist es ein Graus ihn abzustimmen, da die Widerstände R17 + R25 / R24 + R29 zu paaren sind, damit sich die Widerstandwerte genau ergeben. Natürlich könnte man Messwiderstände einsetzen, oder Potis vorsehen, dennoch bleibt die Strommessung kompliziert.

Mittlerweile gibt es USB-Powerbanks recht günstig bei Ebay zu kaufen, ebenso wie Li-Ion-Akkus in Mignon-Größe, bei denen die Elektronik integriert ist, z.B. Ultra-Fire oder Enerpower. Auf jeden Fall die erste Wahl für Applikationen, da sich die Kosten in Grenzen halten.

Aber egal. Interessant war das Projekt trotzdem!

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