Eneloop-Akkupack -> laden

Fragen zu Schaltungen, Elektronik, Elektrik usw.

Moderator: T.Hoffmann

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_nabla
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Di, 02.06.09, 11:52

Moin,

ich überlege, mir einen Akkupack aus Eneloop-Akkus zu basteln. Habt ihr konkrete Vorschläge, wie ich ein passendes Ladegerät realisieren kann, welches die Eneloops optimal lädt (auch ohne Einzelüberwachung, etc.)?

Es gibt ja nun Laderegler-ICs wie Sand am Meer, aber gibt es auch welche, die auf die Eneloops spezialisiert sind?

Ich würde mich über Tipps sehr freuen...
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Di, 02.06.09, 12:04

Ganz normal Minus-Delta-U-Abschaltung, wie bei jedem anderen NiMH-Akku auch. Fertig.
Borax
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Di, 02.06.09, 12:14

Geht es konkret um den Selbstbau, oder 'nur' um ein passendes Ladegerät? Falls ersteres, würde ich einfach einen Atmel zur Steuerung verwenden, die sind billiger und vielseitiger als spezielle Laderegler-ICs. Falls letzteres schließe ich mich CRI 93+ / Ra 93+ an, jedes gute 'Standard'-Ladegerät geht auch für die eneloop Akkus problemlos. Speziell für Akkupacks kann man die Modellbau-Ladegeräte verwenden, da ist die Zellenzahl meist einstellbar und man 'muss' die Akkus nicht einzeln laden.
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Di, 02.06.09, 16:03

Ich wäre schön an einem Selbstbau interessiert.

Kann man die Minus Delta-U Geschichte mit nem einfachen µC und dem AD-Wandler realisieren?
Borax
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Di, 02.06.09, 16:33

Klar. Kann man schon. In den 'käuflichen' Ladegeräten ist vmtl. auch nichts anderes drin :)
Die üblichen Design-Anmerkungen bzgl. AD-Wandler sind natürlich zu beachten (saubere Spannungs-Verhältnisse, Oversampling, Einstreuungen aller Art vermeiden...) aber dann geht es problemlos. Ich hab so was am Laufen (mit noch ein paar zusätzlichen Abschaltkriterien) und bin sehr zufrieden damit.
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Di, 02.06.09, 17:57

Eigentlich ist es denkbar simpel: konstant einen Strom reinballern und die Spannung messen. Sobald diese wieder sinkt, ist der Akku voll. Theoretisch reichen -1 mV, die meisten Ladegeräte machen aber erst bei 20 bis -30 mV aus, um zu verhindern, dass ein gewisses "Zellenrauschen" den Ladevorgang abbricht. Ich denke, wenn der Ladestrom nicht zu niedrig ist und der Akku nicht totaler Müll und man über 10 bis gut und gerne auch 60 Sekunden lang einen Mittelwert bildet, dürfte ein eventuelles zellenrauschen ziemlich egal sein.

Außerdem warten die fertigen Geräte i.d.R. mindestens 5 Minuten nach dem Start des Ladevorgangs, bevor sie dieses Minus-Delta-U-Abschaltkriterium scharfschalten, denn ein sehr schlapper Akku kann u.U. beim Ladebeginn kurzzeitig das gleiche Minus-Delta-U-Verhalten zeigen, wie bei vollendeter Ladung, so dass dann schon abgeschaltet würde. Bei einem völlig gesunden Akkus dürfte das aber nicht vorkommen, bei Eneloop schon 10x nicht. Aber es *könnte* eben theoretisch passieren.

Es gibt keine Grund, den Ladestrom unter ca. 0,3C bis 0,5C zu wählen, wenn man zuverlässig rechtzeitig abschalten kann. Auch 1C sind machbar, aber schon nicht mehr ganz so schonend. 250 Zyklen Lebensdauer sind damit bei eneloop aber immer noch drin. (Bei Ladung und Entladung mit 2 Ampere, siehe http://www.eneloop.de Diagramm über beschleunigten Zyklentest. Bei weniger Beanspruchtung sind auch 1000 Zyklen drin.)

Beim Aufbau der Schaltung ist die Masseführung das A und O, ein Rauschen auf dem AD-Signal kann man immer noch in Software wegfiltern, ein Mittelwert über 10 Sekunden oder länger ist für diese Anwendung völlig ausreichend.

Es ist absolut notwendig, dass der Ladestrom, der durch die Akkus fließt nirgends durch die gleiche Leiterbahn fließt, die GND des Microcontrollers führt. Konkret und vereinfacht gesagt heißt das: Der Controller sollte sein GND dort abzapfen, woder Minuspol des Akkus liegt, NICHT dort wo das Kabel vom Netzteil ankommt. Der Ladestrom fließt auf diese Weise nicht durch die Masseleitung, die zum Controller führt und deshalb für das gemessene Signal relevant sind.

Als Referenzspannung sollten es 2 oder 2,5V sein, am besten mit externer Referenzdiode, denn die interne Referenzspannung ist nur bei den ganz neuen Atmels auf mehr als 1,1V einstellbar. Und diese 1,1V haben übrigens eine gewaltige Serienstreueung von 0,9 bis 1,3V. Da wir aber im Bereich 0,9 (Akku leer) bis 1,5 ... 1,9 V (Akku voll, je nach Akku kann es tatsächlich mal so hoch liegen, bei Eneloops sind es ca. 1,50 bis 1,53 V) messen wollen, muss ohnehin eine höhere Referenzspannung her.

Ich würde empfehlen, noch einen Shunt an den Pluspol zu setzen und an beiden Enden des Shunts ein Signal abzugreifen, dann kann man sowohl beim Laden, als auch beim Entladen (z.B. zwecks Kapazitätsmessung) sinnvolle Signale ganz ohne OP in den AD-Wandler bekommen. Die Dafür dann notwendige Referenzspannung von ca. 2 Volt muss mit einigen mA geringfügig belastbar sein (also nichts mit kilo- oder Mega-Ohm-widerständen basteln), da der AREF-Pin intern diese Spannung mit irgendwas im 30 kOhm-Bereich belastet. Zum Entladen ist natürlich noch ein MOSFET + Entladewiderstand notwendig (kann auch sehr niederohmig sein und der Entladestrom dann per PWM variiert werden).

Man hat so bei VREF=2V ca. 1 Digit (=eine "Unterscheidungsstufe") pro 2 mV, wenn man das Rauschen gut wegfiltert, wie gesagt ggf. auch in Software, kann man diese Abstufung voll nutzen. Man kann sogar gerade durch das Rauschen+Mitteln noch zwischenstufen erreichen, es gibt AppNotes von Atmel, bei denen beschrieben ist, wie man durch hinzufügen von Rauschen die AD-Wandler-Auflösung bei langsam abzutastenden Werten erhöhen kann. Für den Zweck reicht das völlig.

---

Wenn man es ganz eilig hat, dann kann man auch 1C oder gar 2-3C reinknüppeln, nur dann denke ich, ist das Minus-delta-U-verfahren nicht mehr geeignet, da es ja darauf basiert, dass der Akku überladen wird, dadurch anfängt zu gasen, was sich in Erwärmung und wieder sinkender Spannung niederschlägt.

Bei so hohen Strömen sollte man schon *vor* dem vollständigen Laden, bzw. idealerweise exakt wenn 100% voll (das dürfte fast unmöglich sein) abschalten. Ein Überladen, wie für den Minus-Delta-U-Effekt notwendig, dürfte bei solchen Strömen recht schädlich sein.

Im Toyota Prius werden übrigens die NiMH-Batterien immer nur zwischen 20% und 80% Ladezustand gehalten, d.h. 40% der Nennkapazität werden gar nicht genutzt. Dafür traut Toyota sich aber 10 Jahre Garantier auf den Akku zu geben und geht davon aus, dass der Akku-Satz den Rest des Wagens i.d.R. überleben wird.
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unoptanium
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Di, 02.06.09, 18:16

Nabend.


Das ist ja mal interessant und auch leicht verständlich beschrieben.
Also wäre es günstiger, wenn man bei bekannter Kapazität den Akku
nach der gewünschten "Stromzeit" abschaltet und minus Delta U ist
eher so etwas wie ein "Universal-Not-Behelf", der die Lebensdauer
verringert?

Wenn auch nicht annähernd so stark wie einfach weiterladen bei den
billigen Geräten.

Ich hab ein Ansmann Energy 16. Das schaltet auch gelegentlich Akkus
ab, die auf gar keinen Fall voll sein können.
Nochmal einlegen und alles i.O. Liegt das auch am Verfahren?

Ich hab übrigens seit letztem Jahr fast nur noch Eneloop im Einsatz.
Immer, wenn Akkus oder Batterien leer waren, eneloop rein und wenn die
alle waren, hab ich wieder neue bestellt.
Durch das viele Kinderspielzeug und die Uhren, Fernbedienungen hab ich
mittlerweile über 100 Stück der Größe AA im Einsatz.
Hätte vorher nie gedacht, dass so viele Dinge mit Batterien laufen.
(nie drum gekümmert)

Desweiteren hab ich noch Uniross Hybrid Akkus. Die sind auch recht gut, zumal
Kaufland für 4 Stück mit Ladegerät 5EUR haben wollte, da hab ich logischerweise
alles mitgenommen, was die noch dahatten.


Gruß, unoptanium
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Di, 02.06.09, 18:20

@CRI...

Wow...danke für diese Beschreibung!!! Ich werde mir da noch mal ein bisschen Hintergrundinfos aneignen...aber an sich eine feine Sache mit dem Mikrokontroller!!! Das klingt nach der schönsten Lösung. Denn wo schon ein µC drin ist, kann man ja schnell noch mehr realisieren...


@uno...

Du schmeißt die Eneloops weg, wenn sie leer sind? Das ist aber komisch?!? :)
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Di, 02.06.09, 21:50

@unoptanium:

Wenn man weiß, dass die Akkus leer sind und weiß, dass sie noch ihre erwartete Kapazität haben, ist es in der Tat (wenn auch minimal) gesünder, sie zeitgesteuert rechtzeitig abzuschalten. Aber Minus-Delta-U sollte auch aktiv sein, vielleicht haben sie ja Kapazität verloren oder waren gar nicht ganz leer.

Ich habe mir auch schonmal überlegt, dass man doch eigentlich am besten die Tangente der Ladekurve als Grundlage nimmt. Gegen Lade-Ende steigt die Spannung etwas schneller an, um dann kurz vor einsetzen des Minus-Delta-U-Effekts wieder langsamer zu steigen. Wenn man das auswertet, muss man gar nicht bis zur Überladung warten, wenn dann vielleicht die letzten 2 bis 5% nicht in den Akku geladen werden, ist das nicht unbedingt schlimmt, eher sogar gut für den Akku (siehe Toyota Prius: max. 80% Ladung)

Wenn ich mal ein Ladegerät bauen sollte, wird dies auf jeden Fall zumindest optional die Tangente analysieren. Klingt kompliziert, ist aber eigentlich nichts weiter als folgendes: man messe die Spannung, warte 60 Sekunden (während ein neuer Mittelwert über diese 60 Sekunden gebildet wird), messe dann wieder und vergleiche.
Den maximalen Unterschied speichern. Wird der Unterschied irgendwann wieder kleiner, steht das Lade-Ende kurz bevor, man könnte/sollte nun abschalten.
(Falls so ein Verfahren noch nicht patentiert sein sollte, ist es hiermit "Prior Art" und damit nicht mehr patentierbar).

Wie gut das funktionieren kann, müsste man ausprobieren, außerdem eignet sich das evtl. erst ab 50% Ladezustand (den man an der Spannung festmachen könnte, zumindest wenn der Akku-Typ bekannt ist ginge das recht leicht, eneloops sind sich ja alle ziemlich ähnlich)


Guck' dir mal NiMH-Ladekurven an, dann kommt man eigentlich ganz von selbst auf solche Ideen, wenn man gefragt wird, woran man erkennen soll, wann der Akku voll ist:
Ladekurve NiMH
Hinter dem Buckel ist der Minus-Delta-U-Effekt (die Überladung hat bereits begonnen).
Borax
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Di, 02.06.09, 23:01

Als 'Einstieg' ist IMHO die basytec Seite recht brauchbar:
http://www.basytec.de/ladung/ladung.html
Den maximalen Unterschied speichern. Wird der Unterschied irgendwann wieder kleiner, steht das Lade-Ende kurz bevor, man könnte/sollte nun abschalten.
So ähnlich hab ich auch angefangen. Wenn man mit 0.5 bis 1C läd (bei noch weniger gibt es ggf. kein Minus-Delta-U mehr!), hat man aber sehr oft über eine Minute oder sogar länger den gleichen Messwert (mit Pseudo-12Bit Genauigkeit - geht recht gut: http://www.atmel.com/dyn/resources/prod ... oc8003.pdf ). Aus der Not hab ich dann eine 'Tugend' gemacht und verwende die 'Änderungsgeschwindigkeit' (Anzahl gleicher Messwerte bei 1 Messwert pro Sekunde) als Kriterium. Das zweite Minimum dieser 'Änderungsgeschwindigkeit' (Anzahl gleicher Messwerte > 3 x Anzahl gleicher Messwerte voriges Minimum) entspricht sehr genau dem Spannungsmaximum (dU/dt=0) was laut basytec ein sehr gutes Kriterium für das Ladeende ist. Bei meinen eigenen Versuchen war das am zuverlässigsten (trotzdem hat mein Lader auch noch eine Minus-Delta-U Erkennung und eine Vorgabe für den maximal zu ladenden Strom als Sicherheitskriterium). Bei einzelnen Zellen gibt es gar kein Problem. Bei (schlechten) Akkupacks hingegen manchmal schon: Die Zellen erreichen zu unterschiedlichen Zeiten die entsprechenden Punkte der Ladekurve(n), so dass wegen der Überlagerung der Kurven in diesem Fall keine Methode 100% zuverlässig ist. Bei eneloops die immer im gleichem Pack verwendet werden halte ich das aber auch für ein eher unwahrscheinliches Problem.
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Mi, 03.06.09, 08:13

@borax:
Stimmt, wenn man immer nur den Unterschied zwischen 2 Werten vergleich, muss man schon wirklich sehr fein auflösen. aber 1 mV sollte bei 0,5C bis 1C und 2000 mAh-Zellen eigentlich ausreichen, notfalls auf 2 oder gar 5 Minuten verlängern.

Eingentlich ist das dann eine pre-Delta-U-Abschaltung: es wird abgeschaltet, wenn innerhalb dieser Zeit die Spannung nicht mehr weiter ansteigt, anstatt erst abzuschalten, wenn sie schon wieder sinkt. Möglicherweise erfolgt aber auch hier schon eine ganz kleine Überladung.

Und ja: alle Ladeverfahren können nur bei einzelnen Zellen perfekt funktionieren, wobei ich auch zustimme, dass es mit eneloops, die immer im gleichen Pack waren *UND* nie so tief entladen wurden, dass sich eine der Zellen umgepolt hat, eigentlich keine Probleme geben dürfte. Bei einer weißen LED an 3 Zellen verhindert ja schon die notwendige Vorwärtsspannung eine Tiefstentladung bis zum Umpolen.
katze_sonne
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Mi, 03.06.09, 15:46

Hier ist auch ein super Beitrag über Ladegeräte von CRI 93+ / Ra 93+...:
viewtopic.php?f=24&t=6817

Dort sind u.A. auch Links enthalten, die wiederum auf Anleitungen / Ansätze zum Bau von Ladegeräten verweisen (besonders interessant ist hier das -wenn auch nicht bei Namen- bereits von CRI genannte Ladeverfahren CCS. Denn es bewirkt zumindest zum Teil das, was er vorhin geschrieben hat.

Gruß,
katze_sonne
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