Aufgrund der Aktualität ist dieses Projekt (was den AVR
betrifft) nicht ausentwickelt. Die Konstantstrom-Quelle und -Senke arbeiten schon seit
Jahren an einem RS232-Interface mit ADC.
WARNUNG!
Dies ist kein Feierabend-Projekt! Wenn infolge irgendwelcher
Fehler NiCd-Akkus wie Handgranaten explodieren, ist das lebensgefährlich! Schwefelsäure
ist ätzend, Schutzbrille und Handschuhe sind Pflicht! Überhitzte Li-Akkus haben
schon Brände ausgelöst!
In der Zeitschrift
Funk Amateuer 2013/01 ist ein ausführlicher
Artikel über die Behandlung von Bleiakkus. Kurz zusammengefasst: schonend laden
(1%-10%) und alte Akkus auf 40°C erwärmen.
In meinen Adern fliesst etwas Schwefelsäure, weil mein Vater
in der Bleiakku-Forschung tätig war. So hat sich die Idee, den universellen
Akkulader mit AVR zu steuern, schnell festgesetzt.
Grundsätzliches
Chemische Vorgänge verdoppeln sich bei Erhöhung um ~10°C. Einem
Akku kann bei -20°C nur noch 1/16 des Stromes bei +20°C entnommen werden (Ri
steigt an)! Eine Erwärmung auf 40°C (FA 13/01) macht daher Sinn.
Blei-Akkus (und Li-Ionen-Akkus) möchten immer voll geladen
(gelagert) sein. Ein Bleiakku besteht im wesentlichen aus Blei und
Schwefelsäure (H2SO4). Ist der Bleiakku voll, ist der Schwefel in der Säure. Ist
der Bleiakku leer, ist der Schwefel im Blei und die Bleiplatten werden dadurch
dicker (Beulen im Gehäuse). Außerdem ist die Säure fast nur noch Wasser und der
Akku "erfriert" schon bei wenigen Minusgraden.
NiCd/NiMh-Akkus möchten (teil-) entladen gelagert werden. Bei
voll geladenen Ni..-Akkus entsteht durch die Lauge ein Gasdruck bis zu 80 Bar
!!! Hohe Temperaturen tun das ihre. Wird der Ni..-Akku sofort benutzt, halten
die Zellendichtungen das aus. Ni..-Akkus sollten erst unmittelbar vor der
Benutzung geladen werden. Einzelzellen dürfen sogar völlig entladen (0V)
gelagert werden ohne Schaden zu nehmen.
Alle Zellen haben einen Innenwiderstand (Ri), der nicht
direkt gemessen werden kann. Der Spannungsabfall an Ri verursacht beim laden
und entladen Verlustwärme, die verloren ist. Um Aussagen über den Zustand zu
machen, wird nur der (Elektronen-) Strom * Zeit (Ah) als Kapazität angegeben.
Die Ladeverfahren
Blei-Akkus (und LiIonen-Akkus) möchten sanft geladen werden
(auch wenn schnell-lade-fähig draufsteht).
1. Der Strom sollte nur etwa 1%-10% der Nennkapazität
betragen (1Ah -> 10mA-100mA). Dabei entsteht wenig Wärme und man muss die
max. Temperatur von 60°C nicht unbedingt überwachen.
2. Der leere Akku sollte etwas überladen werden. Bei 120%
sollte die Ladung beendet werden.
3. Die Ladespannung (ist ein Mass, wie voll der Akku ist)
darf die Hersteller-Angabe nicht überschreiten.
4. Die Erhaltungsladung (Dauerladung) sollte 0,05%-0,1%
betragen (= Selbstentladung).
Ni..-Akkus mögen es, wenn sie mit hohen Strömen geladen
werden (auch wenn NICHT schnell-lade-fähig draufsteht). 1. Es gibt Ladegeräte,
die in 15 min. die Ni..-Zellen zuverlässig voll bekommen. Dabei ensteht
erheblich viel Wärme und muss pro Zelle !!! überwacht werden (60°C). 2. Leere
Ni..-Akkus sollten mit etwa 140% geladen (überladen) werden (weil am Ladeende
mehr Wärme entsteht). 3. Die Spannung ist bei Ni..-Akkus kein Mass für den
Ladezustand, muss jedoch ebenalls überwacht werden. 4. Eine Dauerladung
(Erhaltungsladung) sollte nicht erfolgen.
Die Schaltung besteht:
(A) aus einer Spannungsquelle,
(B) einer Stabilisierung für den AVR,
(C) einer steuerbaren Stromquelle,
(D) aus einer steuerbaren Last (zum entladen),
(E) dem AVR und
(F) dem Temperatursensor (NTC).
Eine Heizung/Warmhalteplatte 40°C für Bleiakkus kann
beigestellt werden.
Als Spannungsquelle (A) eignet sich fast alles, was etwa 19V
bei etwa 2A abgeben kann, also ein Laptop-Netzteil. Die Stabilisierung (B) mit
LM7805 für den AVR setze ich als bekannt voraus.
Die steuerbare Stromquelle (C) besteht im wesentlichen aus
einem LM317, der ein- und ausgeschaltet wird. Er arbeitet problemlos bis in den
hohen kHz-Bereich. Wegen der Anschlussleitungen (induktiv) sollte die
PWM-Frequenz <1kHz betragen. Er kann bei bester Kühlung nur etwa 18W in
Wärme umsetzen und begrenzt den
Strom auf ~1A-1,7A.
Die steuerbare Last (=Stromsenke) (D) besteht aus einer
schaltbaren Glühlampe 12V/20W-25W ~1,7-2A.
Beim AVR (E) sind alle Systeme mit Adc und Anzeige geeignet
(ggf. Pong-Platine). Mit Tasten (und ggf. einem Poti) werden die Einstellungen
beim Start vorgenommen. Akkuspannung und -Strom wird wird mit 2 ADC (C4+C5) gemessen.
An C6+C7 ist ein Poti und der NTC angeschlossen. Die Lade- oder Entladeströme
werden durch PWM eingestellt (1=~7mA, 255=~1700mA).
Beim Temperatursensor (F) fiel die Wahl auf einen 100k NTC
von einem Backofen-Thermometer. Geeignet sind fast alle NTC. Es soll ja nur
>60°C festgestellt werden.
Das Programm (Vorschlag für Pb=Blei):
MENU (Reset+S1):
Entladespannung Umin eingeben (5,25V/10,5V)
Ladespannung Umax eingeben (7,2V/14,4V)
Kapazität eingeben (0,1Ah-199,0Ah)
Strom in % eingeben (0,01%-19,99%)
Anzahl der Zyklen eingeben (0=Erhaltung, 1=laden,
2=entladen->laden, 3=laden->entladen->laden, usw.)
Nach dem Start kann Spannung, Strom, Kapazität oder Zeit
angezeigt werden. Die Variablen werden im EEPROM gespeichert und nach einem
Stromausfall/Reset wird nahtlos weiter abgearbeitet. Zum Abbruch muss Reset mit
S1 ausgelöst werden (->Menu).
BEGIN (nach Reset oder Stromausfall):
Aus dem EEPROM werden die (Grenz-) Werte und Status geholt
und verzweigt,
START:
dann die Messwerte (U1/U2/Temp) geholt, vergleichen,
entscheiden, verzweigen -> FLAG ins EEPROM,
Zeitschleife:
Dann wird für eine bestimmte Zeit (z.B. 60s) mit
Konstantstrom ge-/ent-/Erhaltungsladung (Anzeige).
Der Strom (U2-U1) wird gemessen (und aufaddiert für die
Kapazität), ggf. PWM korrigiert,
Temperatur 60°C erreicht?,
loop until
Kapazität erreicht?, Spannung erreicht? Zyklen-1 ?,
goto start
Aus Aktualitätsgründen ist die Firmware nicht ausentwickelt
(wird ggf. nachgereicht). Durch Firmware-Anpassung ist auch eine Li..- und eine
Ni..-Lader Strategie realisierbar.
