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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