Eigenbau Li-Ion Ladegerät – Ein Entwurf entsteht

Seit ein paar Wochen mache ich mir wieder Gedanken, wie ich die Li-Ion Akkuzellen, welche ich aus Notebookakkus entnommen habe und voneinander getrennt habe, sicher laden kann.

Anforderungen an die Schaltung

Die Schaltung soll bei variablem Ladestrom, so wie er von Solarmodulen geliefert wird, in der Lage sein, eine einzelne 3,6V Li-Ion Zelle bis zu einer Ladeschlussspannung von 3,9V (entspricht etwa 70% Kapazität) zu laden. Ein Überladeschutz und ein Übertemperaturschutz sollen bei Erreichen der Ladeschlussspannung bzw. der kritischen Temperatur den Ladestrom unterbrechen und nicht wieder einschalten, auch wenn die Spannung bzw. die Temperatur wieder auf ein normales Niveau gefallen sind. Die Temperatur während des Ladens sollte 40°C nicht überschreiten.

Beschreibung der Idee

Die erste Idee besteht aus einer analogen Schaltung mit Temperatursensor, mehreren Transistoren und Schmitt-Trigger für einen Temperaturschwellwert, oberhalb die Ladung und Entladung eines Akkus unterbrochen wird. Der Entladeschutz besteht aus einer Zener-Diode (3 oder 3,3V) und einem Widerstand, die beide an einen P-MOS Transistor gekoppelt sind. Fällt die Spannung zu sehr ab, leitet die Zener-Diode nicht mehr und der Gate-Anschluss des Transistors wird auf Vbat (positive Akkuspannung) gezogen und der Stromfluss von Source (an Akku+) zu Drain (an Verbraucher+) wird unterbrochen. Bei hochohmigen Akkus kann es allerdings dazu kommen, dass der Stromfluss unterbrochen wird und kurze Zeit später wieder geschlossen wird, weil die Akkuspannung angestiegen ist.

Die Ladeschaltung besteht auch aus einer Kombination aus Zener-Diode und Widerstand, welche am Gate eines MOS-Transistors angeschlossen sind. Steigt die Spannung über 3,9V an wird die Zener-Diode stromdurchlässig und sorgt dafür, dass der Transistor durchschaltet. Damit hochohmige Akkus nicht durch eine Art "Erhaltungsladung" weiter geladen werden, sobald die Spannung unter 3,9V absinkt, ist der Transistor mit einer Schaltung verbunden, die den Stromfluss unterbricht, sobald einmal der Transistor schaltet oder nicht schaltet. (Dieser Teil ist noch nicht fertig durchdacht). Bei zu hoher Temperatur wird die Ladung ebenfalls unterbrochen und nicht wieder fortgesetzt, auch wenn die Temperatur gesunken ist.

Soweit der analoge Teil. Um die Sicherheit weiter zu erhöhen, werden die gleichen Funktionen mit einem Mikrokontroller umgesetzt. Dabei sollen Entladung und Ladung unterbrochen werden, wenn einer der beiden Teile der Schaltung alarm schlägt. Sollte der analoge Schaltkreis durch irgendwas gestört sein, kann der digitale Schaltkreis rechtzeitig eine Abschaltung vornehmen. Das gleiche soll im umgekehrten Fall funktionieren, wenn beispielsweise die digitale Schaltung durch einen elektromagnetischen Puls (EMP) unbrauchbar gemacht wurde. Dann soll die analoge Schaltung immer noch in der Lage sein, einen Akku zu laden, sofern die digitale Schaltung nicht die notwendigen Transistoren durch falsche Pegel sperrt.

Der digitale Schaltkreis hat entweder zwei Zener-Dioden zum Messen von oberer und unterer Spannungsgrenze oder einen IC zur Spannungsmessung. Optional misst ein zweiter Temperatursensor (entweder analog oder digital) nur für den Mikrocontroller die Temperatur, damit im Fehlerfall des ersten Temperatursensors der zweite noch arbeitet. Ein IC zur Strommessung wäre ebenfalls ideal, um den schwankenden Ladestrom bei Solarpanelen verarbeiten zu können. Dann kann der Mikrocontroller die Milliampèrestunden (mAh) messen und bei Erreichen einer bestimmten Anzahl an mAh die Ladung unterbrechen. Hierzu muss die Akkukapazität über ein Display und 2 Tasten einstellbar sein.

Weiteres Vorgehen

Zuerst wird die analoge Entladeschaltung getestet, da dort die wenigsten Probleme zu erwarten sind. Die Abschaltung wird warscheinlich eher bei 3 V erfolgen, da Zener-Dioden bei meinen Beobachtungen durchaus unterhalb der angegebenen Zener-Spannung anfangen zu leiten. Hier kann der Entladeschutz-Programmcode auf dem Mikrocontroller schützend eingreifen und rechtzeitig bei 3,3 V unterbrechen, sofern er mit einem IC zur Spannungsmessung arbeitet.

Um die analoge Ladeschaltung und den digitalen Ladeschutz-Programmcode zu testen werde ich zuerst mittels eines Kondensators testen, ob bei Erreichen der Ladeschlussspannung und hoher Temperaturen eine Unterbrechung der Ladung stattfindet. Klappt dies bei einem Kondensator zuverlässig, werde ich Li-Ion Akkus mit integrierter Schutzschaltung an meiner Ladeschaltung laden. Damit führen Fehler in meiner Ladeschaltung nicht zur Überhitzung und Überladung eines Li-Ion Akkus. Sind diese Tests erfolgreich abgeschlossen finden Tests mit Li-Ion Akkus ohne weitere Schutzschaltung statt. Eine externe Spannungs- und Temperaturüberwachung sorgt dafür, dass die Ladung im Notfall unterbrochen werden kann.