Ladegerät (nicht nur) für Flugakkus

Dies ist ein Projekt, das aus einem dummen Spruch am Flugplatz entstanden ist:
"Was, der ...-Lader kann nur 8 Ampere, das muß doch schneller gehen!".
"Ja, das müßte eigentlich gehen, was soll das Ding den können?"
"Naja, mindestens 10A und natürlich bis 30 Zellen."
"Will mal sehen, was sich machen läßt ..."

Etliche Wochen (Monate ???) später, hinter mir liegen ca. 15..20 abgebrannte MOSFETS, einige defekte HIP4081A, ein defekter H8, blanke Nerven, ein ziemlich bescheidener Prototyp der Leisungsstufe, umgebaut in einen wunderbar funktionierenden Prototyp der Leistungsstufe (dumm, daß es auf der Platine dann doch sooo viele Probleme gab): Das Ladegerät funktioniert.

Technische Daten

  • Eingangsspannung: 10..28 V
  • Eingangsstrom: max. ca 35A
  • Ausgangsleistung: max. ca 260W
  • Ladestrom: 5A bei 30 Zellen, 11A bei 14 Zellen
  • Entladestrom: bis max. 11A bzw. 260W
  • Ladezeit: z.B. 16 Minuten für 1700mAh / 8 Zellen
  • Ladevorgang und Ladestromeinstellung vollautomatisch
  • Warnung

    Dieses Projekt ist absolut nicht dazu geeignet, mal eben nachgebaut zu werden. Zum einen sind in der Schaltung einige Bauteile verwendet, die nicht gerade eben bei den gängigen Elektronik-Versendern erhältlich sind, zum andern ist für den Aufbau und die Inbetriebnahme der Platine einiges an Erfahrung mit elektronischen Schaltungen und Leistungselektronik notwendig. Nebenbei gesagt, es ist nicht so einfach, den H8/3048F von Hand einzulöten (100 Pins mit 0.5mm Abstand). In der hier gezeigten Variante sind auch noch einige nachträgliche Änderungen und Anbauten an der Platine notwendig.

    Hardware

    Schaltpläne gibt es hier: PDF-Datei mit Schaltplänen
    Fotos gibt es hier: Bilder. Wie man auf den Fotos sehen kann, ist bei dem jetzigen Layout der Platine eine Menge Nacharbeit erforderlich. Aus diesem Grund stelle ich das Layout hier nicht zum Download bereit.

    Das Ladegerät besteht aus 3 Blöcken:

  • Der Leistungsstufe,
  • den PWM-Reglern
  • und dem Mikrocontroller, der das ganze steuert.
  • Leistungsstufe

    Rund um die Speicherdrossel L1 ist eine Vollbrücke aus MOSFETS (T3...T8) aufgebaut, die die Energie aus dem Eingang in den Ausgang transferiert. Die Ausgangsspannung kann dabei sowohl größer als auch kleiner als die Eingangsspannung sein. Im Entladebetrieb wird einfach nur die Richtung des Stroms umgekehrt, d.h. die Ladung aus dem Akku wird in die Quelle am Eingang rückgespeist. Da im typischen Flugplatzbetrieb hier Autobatterien zu Einsatz kommen, sollte das kein Problem sein. Im Drain von T5 und T8 ist jeweils eine kleine Induktivität angeordnet (Luftspule mit ca 6mm Durchmesser und 4 Windungen), die den Querstrom im Umschaltmoment durch die jeweilige Halbbrücke begrenzt.

    Als Treiber für die MOSFETS kommt der HIP4081A von Harris (Intersil) zum Einsatz. Dieser Chip kann mit wenig externer Beschaltung eine Vollbrücke aus N-Kanal-MOSFETS treiben.

    PWM-Regler

    Das Ladegerät enthält insgesamt 5 Regelkreise, von denen allerdings immer nur einer aktiv ist:
  • Lade- bzw. Entladestrom
  • Ausgangsspannung
  • Ausgangsspannungsbegrenzer
  • Eingangsspannungsbegrenzer
  • Spulenstrombegrenzung

  • Die ersten vier Regler sind mit 2 TL494 aufgebaut, der Spulenstrombegrenzer ist diskret realisiert.

    Für die Akkuladefunktion wird in der Regel ein konstanter Ladestrom benötigt, dazu dient der Ladestromregler. Durch geeignete Sollwertvorgabe wird dieser Regler sowohl für die Ladung als auch für die Entladung verwendet.

    Der Ausgangsspanungsregler wird für die Funktion des Ladegerätes eigentlich nicht benötigt, ist aber realisiert, da ein TL494 immer zwei Fehlerverstärker enthält.

    Diese beiden Regler können die Leistungstufe so steuern, daß Energie in beide Richtungen transferiert werden kann. Im Gegensatz dazu sind die beiden folgenden Regler so geschaltet, daß die durch den Stromregler vorgegebene Richtung nicht umgekehrt werden kann:

    Der Ausgangsspannungsbegrenzer verhindert, daß die Ausgangsspannung zu groß wird, wenn kein Akku angeschlossen ist.

    Der Eingangsspannungsbegrenzer wird benötigt, wenn ein Akku entladen werden soll, aber die Quelle am Eingang nicht als Senke geeignet ist.

    Die Spulenstrombegrenzung begrenzt den Spitzenstrom in der Spule auf ca. 40A. In den Hochlauf- und Umschaltphasen der Regler kann dieser Wert locker überschritten werden, ebenso bei Überlast. In diesem Fall werden alle MOSFETs sofort ausgeschaltet. Die Wiedereinschaltung erfolgt synchron zur Taktfrequenz der TL494.

    Mikrocontroller

    Hier kommt der H8/3048F von Hitachi zum Einsatz. Dieser µC zeichnet sich durch 128KB Flash, 4KB RAM und eine ganze Menge nützlicher Peripherie aus. Unter anderm enthält der Chip 2 D/A-Wandler, bis zu 5 PWM-Kanäle und bis zu 8 A/D-Kanäle. Das Flash kann über einen Bootload-Mechanismus über die serielle Schnittstelle im System neu programmiert werden. Neben dem µC ist hier nur noch ein serielles EEPROM zur Speicherung der Kalibrierdaten und ein Reset-Generator notwendig. Die PWM-Kanäle und einer der D/A-Wandler dienen zur Sollwertvorgabe für die PWM-Regelkreise, die A/D-Wandler sind mit vorgeschalteten Messverstärkern für die Erfassung der Istwerte zuständig.

    Änderungen

    Für den Einsatz der Software ab Version 0.03 empfiehlt sich eine kleine Modifikation an der Schaltung:
    Ein 1 Megaohm-Widerstand von VCC (z.B. Pin 1 von R52) nach Pin 5 von U8 verschiebt die Schaltschwelle des Akku-Verpolschutzkomparators auf ca. -0.5 V. Damit funktioniert das Glühkerzen- und das Ri-Programm zuverlässiger.

    Software

    Die Quelltexte gibt es hier:
    Version 0.10: charger-0.10.tar.gz
    Version 0.04: charger-0.04a.tar.gz
    Version 0.03: charger-0.03.tar.gz

    Die Version 0.10 ist auf den GNU-Compiler portiert, und enthält die Möglichkeit mit zusätzlicher Hardware (ein Flash-Baustein AT45DB041B von Atmel) Ladekurven (Strom, Spannung, Innenwiderstand usw.) zu speichern und auszulesen. Der Chip wird an die auf X9 herausgeführten Port-Pins angeschlossen.

    In Version 0.04 ist das Automatikladeprogramm um eine Variante erweitert: "Advanced Charge". Hier wird nicht nur wie bei "Auto Charge" der Wechselstrom-Innenwiderstand des Akkus gemessen, sondern auch der vom Ladezustand abhängige "chemische" Innenwiderstand. Dazu wird die Spannungsdifferenz bei einer kurzen Abschaltung des Ladestroms gemessen und ausgewertet. Dieses Messergebnis dient als zusätzliches Abschaltkriterium.

    Neu in Version 0.03 ist ein Modus um Bleiakkus zu laden, ein Glühkerzentestprogramm und die Möglichkeit, z.B. den Innenwiderstand des Kabels zum Akku zu messen.

    Die Software besteht aus der eigentlichen Firmware für den H8 und einem Linux-Framework, um die Laderoutinen leichter testen zu können. Das Ladegerät kann standalone mit den Ladealgorithmen im Flash betrieben werden, alternativ ist es möglich, über die serielle Schnittstelle die Kontrolle zu übernehmen und somit das Ladegerät komplett von außen zu steuern. Dieses Feature ist dazu gedacht, die Laderoutinen leichter testen und ändern zu können.

    Der Quelltext der eigentlichen Laderoutinen ist so ausgelegt, daß er sowohl für den H8 als auch für Linux kompiliert werden kann. Dadurch ist es möglich, die Laderoutinen auf einer Linux-Box, die über die serielle Schnittstelle mit dem Lader verbunden ist, weiterzuentwickeln und zu testen. Dies hat eine Menge von Vorteilen: Man hat eine Konsole für printf oder ähnliches und man muß nicht bei jeder Änderung den H8 neu flashen (dessen Flash auch nur mit 100 Zyklen spezifiziert ist). Wenn ein Ladealgorithmus dann genügend getestet ist, kann das Programm für den H8 kompiliert und geflashed werden.

    Bedienungsanleitung

    Bedienungsanleitung (PDF-Datei)

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      ... und ein Zaehlpixel hab ich auch :-)