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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des
Anspruch I.
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Zur schonenden Ladung eines Akkupacks sollten möglichst alle Zellen des
Akkupacks während der Ladung einzeln kontrolliert und gegebenenfalls von der
Ladung abgeschalten werden um eine Überladung einer einzelnen Zelle zu
vermeiden.
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Es ist bekannt, das moderne, mikrocontrollergesteuerte Ladegeräte über eine
automatische Abschaltung der Ladung nach dem Delta-Peak Verfahren besitzen.
Dabei wird die Spannung des gesamten Akkupacks überwacht. Während der
Ladung steigt nun die Spannung des Akkupacks logischerweise an. Falls jedoch
der Akkupack seine Ladeschlussgrenze erreicht hat, so sinkt die Spannung am
Akkupack aufgrund der Erwärmung der Zellen ab. Genau an diesem Punkt, also
wenn die Spannung am Akku gesunken ist, schalten herkömmliche Ladegeräte
ab. Auch wird bei herkömmlichen Ladegeräten zur Schnellladung von
Akkupacks das Reflexladeprinzip verwendet. Wird nämlich ein Akku mit einem
hohen Strom geladen (der ja zum Schnellladen nötig ist) so tritt das sogenannte
Gasen auf. Das im Akku enthaltene Wasser wird in Wasserstoff und Sauerstoff
aufgespaltet und der daraus resultierende Druck würde den Akku beschädigen.
Deshalb wird beim Reflexladeprinzip der Akku ca. 1 sek. Lang mit einem hohen
Strom (ca. 2 Ampere) geladen, und danach nur 5 ms entladen. Durch diese
Entladung verschwinden die Gasblasen sofort und der Druck im inneren der
Akkuzelle wird wieder abgebaut. Vor dem Laden eines Akkupacks wird bei den
neueren Ladegeräten der Akku zuerst noch komplett entladen, um einen
Memoryeffekt zu vermeiden.
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Ein großer Nachteil der herkömmlichen Ladegeräte besteht jedoch darin, dass
der gesamte Akkupack geladen und auf Ladeschluss überwacht wird. Jedoch
könnte es nun theoretisch passieren, dass eine einzelne Akkuzelle des gesamten
Akkupacks vor Beginn der Ladung noch nicht vollständig entladen war.
Während nun bei der Ladung die restlichen Akkuzellen noch gar nicht ganz
vollgeladen sind, ist womöglich diese eine Zelle schon überladen. Dadurch
verliert die einzelne Zelle merklich an Kapazität und ihre Lebensdauer
verringert sich. Es kann auch der genau gegenteilige Fall eintreten. Eine Zelle
des Akkupacks ist schon leicht entladen, während alle anderen noch voll sind.
Wird nun der Akku entladen, bis er leer ist, so ist die Zelle, die vorher schon
nicht ihr volle Ladung besaß, nun evtl. tiefentladen.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, jede einzelne Zelle eines Akkupacks beim
Laden zu überwachen. Dazu muss beim Laden des Akkupacks die Spannung
jeder einzelnen Zelle gemessen werden, um dann mit Hilfe der Delta-Peak-
Abschaltung die Ladung einer einzelnen Zelle abschalten zu können. Auch muss
bei der Entladung des Akkupacks die Spannung einer jeden einzelnen Zelle im
Akkupack kontrolliert werden, um eine Tiefentladung der einzelnen Zelle
rechtzeitig vermeiden zu können.
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Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des
Anspruch 1 gelöst.
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Durch die Erfindung können nun einige große Nachteile bei der Verwendung
mehrzelliger Akkupacks behoben werden.
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Es wird eine optimale Lebensdauer der Akkus erzielt, da die Akkus nicht mehr
überladen bzw. tiefentladen werden.
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Durch eine grafische Menüführung die mit dem Mikrocontroller und einem
LCD-Display realisiert wurde, wird die Bedienung des Ladegerätes wesentlich
vereinfacht.
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Durch die Ladung mit einem hohen Strom kann der Akkupack innerhalb kurzer
Zeit geladen werden.
1. Derzeitige Problematik
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Im Vertrauen auf die von den Herstellern versprochenen tausend Ladezyklen
achten nur sehr wenige Käufer von Akkus auf wirklich gute Ladegeräte. Die
meisten geben sich aufgrund des hohen Preises für Akkus schon mit billigen
Ladegeräten zufrieden. Genau hier liegt aber das Problem: Gute Akkus nützen
nichts ohne gute Ladegeräte. So wundert es nicht, dass die meisten
akkubetriebenen Geräte schon nach kurzer Betriebsdauer den Geist aufgeben. So
besitzt z. B. die Schulfeuerwehr an unserer Schule akkubetriebene Lampen
(Kosten ca. 600,- DM, Akkupack alleine ca. 400,- DM). Auch bei diesen
Akkupacks wurden vom Hersteller über 1000 Ladezyklen versprochen, in der
Praxis waren aber die Akkus nach etwa 20-30 Ladezyklen kaputt.
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In der Regel handelt es sich bei Akkupacks um in Serie geschaltete Einzelzellen.
Reihenschaltung bedeutet auch, das schwächste Glied der Kette bestimmt das
Gesamtergebnis. Wenn also bei einem Akkupack die Leistung nachlässt, kann es
durchaus sein, dass nur eine Zelle defekt ist. Für den Nachlass der Leistung
einer Zelle kann es mehrere Gründe geben:
- - Bei der Produktion kommt es selbst bei baugleichen
Akkumulatorzellen zu leichten Abweichungen der Kapazität.
- - Wenn Akkupacks zu stark entladen werden und dabei eine
Akkuzelle evtl. nicht genügend Kapazität besitzt, so wird diese
beim Entladen des Akkupacks tiefentladen, obwohl die restlichen
Zellen im Akkupack noch über genügend Ladung verfügen. Somit
wird diese Zelle übermäßig stark belastet und wird dann ziemlich
bald defekt.
2. Forschungsziele
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Die oben genannten Probleme versuchen wir mit unserem Ladegerät zu
vermindern bzw. komplett auszuschalten. Dazu verwenden wir eine
automatische Ladesteuerung mit dem C-Control 2 Mikrocomputer. Wir sind
hierbei von der Überlegung ausgegangen, dass eine automatische Abschaltung
der Ladung bei Erreichen der vollen Akkukapazität und eine Ladung nach dem
Reflexladeprinzip die Lebensdauer des Akkupacks stark erhöhen. Außerdem
versuchen wir mit unserem Ladegerät eine getrennte Ladung, Entladung und
Überwachung jeder einzelnen Akkuzelle im Akkupack zu erreichen. Somit
wird garantiert, dass keine der Zellen über- bzw. tiefentladen wird und dadurch
eine lange Lebensdauer des Akkupacks erreicht wird. Zusätzlich zu einer
schonenden Ladung müssen wir beim Betrieb der Akkupacks auch verhindern,
dass der Akku tiefentladen wird, d. h. wir müssen eine automatische Abschaltung
des Akkupacks bei einer vorgegebenen Minimalspannung sichern.
3. Lösungsansätze
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Um eine schonende Ladung der Akkus zu erreichen, müssten wir prinzipiell die
Akkus mit geringem Strom laden, damit es nicht zum sog. Gasen der Akkus
kommt. Es handelt sich dabei um einen Elektrolyseeffekt im Akku, der bei
großem Strom bei der Ladung auftritt. Das im Akku enthaltene Wasser wird in
Sauerstoff und Wasserstoff aufgespaltet. Der daraus resultierende Druck öffnet
das Sicherheitsventil der Akkuzelle und der Akku läuft aus. Wir benutzen in
unserem Ladegerät deshalb das Reflexladeprinzip, um die Gasung zu
verhindern. Der Akku wird dabei eine Sekunde lang mit einem sehr hohen
Strom (ca. 2 Ampere) geladen und dann nur 5 Millisekunden entladen. Durch
den Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung beim Entladen verschwinden
die störenden Gasblasen sofort und der Akku kehrt zum gewünschten
chemischen Gleichgewicht zurück. Neben der sehr kurzen Ladezeit hat der hohe
Strom noch einen angenehmen Nebeneffekt: Schwache und angeschlagene
Zellen werden sehr gut regeneriert und gewinnen ihre verlorene
Speicherkapazität wieder zurück. Wegen des hohen Stroms muss der
Ladevorgang jedoch sofort beendet werden, sobald der Akku seine volle
Kapazität erreicht hat. Dieser Ladeschluss ist im Normalfall nicht exakt zu
bestimmen, da die Schlussspannung nicht nur vom Typ abhängt, sondern auch
von der Umgebungstemperatur. Wir verwenden deshalb zum Bestimmen des
Ladeschlusses die Abschaltung nach dem Delta-Peak-Verfahren. Dabei messen
wir in unserem Akkupack die Spannung jeder einzelnen Zelle und vergleichen
sie nach einer bestimmten Zeitspanne, z. B. 30 Sekunden mit dem neuen
gemessenen Wert. Es gibt nämlich bei Akkus einen interessanten Effekt: Ist der
neu gemessene Wert kleiner als der zuvor gemessene Wert, so ist der Akku
vollgeladen. Wenn man nun exakt an diesem Punkt die Ladung für die
Akkumulatorzelle unterbricht, so wird eine Überladung verhindert.
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Ein weiterer Nachteil der gebräuchlichen Akkupacks ist der sog. Memoryeffekt
(siehe Fig. 1).
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Wird ein Akku nicht komplett entladen und danach wieder aufgeladen, bzw.
wird er nicht komplett geladen und dann wieder entladen, so "merkt" sich der
Akku diese Kapazitätsdifferenz. Wird dies häufig ausgeführt verliert der Akku
merklich an Kapazität, denn der Akku hat nun nur noch einen Bruchteil seiner
vollen Kapazität.
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Von dem von uns entwickelten Ladesystem wird nun am Anfang der Ladung der
Akku komplett entladen und erst dann mit den oben genannten Verfahren
aufgeladen.
4. Realisierung der Arbeit
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Herzstück unserer Arbeit ist der C-Control 2 Steuercomputer von Conrad
Elektronik. Dieser übernimmt in unserem Ladegerät sämtliche Mess-, Regel-,
und Steuerfunktionen.
Ladung
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Geladen werden die in Reihe geschalteten Akkus nach dem Reflexladeprinzip
mit einer Oszillatorschaltung, die den Takt für die Ladung bereitstellt. Mit
diesem Takt werden dann die Akkus eine Sekunde lang geladen und danach für
5 ms entladen
(siehe Fig. 2).
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Durch parallel zu dem gesamten Akkupack geschaltete Feldeffekttransistoren
können wir die Ladung bzw. die Entladung des Akkus steuern.
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Die Spannung an den einzelnen Akkuzellen wird von den A/D-Wandlern im C-
Control im 30 sek-Takt mit 10-Bit Genauigkeit gemessen. Dies bedeutet, dass
die Akkuspannung in 1024 Schritte unterteilt wird. Bei einem Akkupack mit
z. B. 4 Zellen können wir somit die Spannung mit einer Genauigkeit < 0,005 V
messen. Zur Zeit der Messung wird der Ladestrom kurzzeitig unterbrochen, um
die derzeitige Spannung der Akkus messen zu können. Die Spannung jeder
einzelnen Akkuzelle wird im C-Control gespeichert und mit der Spannung bei
der darauffolgenden Messung verglichen. Solange die Akkuzelle ihre volle
Kapazität noch nicht erreicht hat, wird der neue Wert der Spannung größer sein
als der Alte, und der Ladevorgang wird fortgesetzt. Falls die Zelle ihre volle
Kapazität erreicht hat, sinkt die Zellenspannung im Vergleich zum alten Wert
ab. Dies registriert nun der Steuercomputer und unterbricht die Ladung für die
einzelne Zelle, die Anderen werden dabei jedoch noch weitergeladen, bis auch
diese ihre volle Kapazität erreicht haben. So wird garantiert, dass der Akkupack
auch zu 100% vollgeladen ist. Um den Ladevorgang für die einzelne Zelle zu
unterbrechen wird einfach mittels eines Feldeffekttransistors ein Widerstand
parallel zur Zelle (nur zur einzelnen Zelle, nicht zum gesamten Akkupack)
geschalten, der den Stromfluss durch die Zelle unterbricht. Ist nun der gesamte
Akkupack voll geladen, so schaltet der Steuercomputer die Ladung ab und zeigt
dies auf dem LC-Display des Ladegerätes an. Über dieses LCD kann auch der
Ladezustand der einzelnen Zellen abgefragt werden.
Entladung
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Die Entladung ist hierbei weniger kompliziert. Die parallel zu den Akkuzellen
geschalteten Widerstände, die bei der Ladung zum Überbrücken genutzt
wurden, nutzen wir nun zum Entladen der Akkus. Dabei werden alle
Feldeffekttransistoren angesteuert und entladen somit den gesamten Akkupack.
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Nun muss aber verhindert werden, dass wir einzelne Akkuzellen tiefentladen.
Dies geschieht durch eine rhythmische Überwachung der Spannung durch den
C-Control. Erreicht dabei eine Zelle die minimal zulässige Spannung von 1,1 V
so wird die Entladung unterbrochen.
Ladespannung
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Geladen wird unser Akkupack mit einer Spannung von 12 V und einem
maximalen Strom von 2 Ampere. Wir haben dazu in unser Ladegerät ein
Netzteil gebaut, das nicht nur den Strom zum Laden liefert, sondern auch die
Betriebsspannung für den C-Control Steuercomputer und für die
Hintergrundbeleuchtung des Displays.
Technische Daten des Netzteils
Abschaltung des Akkus zum Schutz vor Tiefentladung
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Um eine Tiefentladung des Akkus beim Betrieb zu verhindern haben wir in
unseren Akku eine Elektronik eingebaut, die den Akku bei einer bestimmten
Minimalspannung abschaltet.
Lademodi
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Vor Beginn der Ladung kann der Benutzer anhand eines Menüs auf dem Display
zwischen mehreren Ladefunktionen wechseln:
Auto EL
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Bei dieser Ladeart wird der Akku zuerst vollständig entladen, und erst
dann komplett aufgeladen. Dies ist der Standartlademodus um einen
Memoryeffekt zu verhindern.
Auto L
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Um sich die zeitaufwendige Entladung des Akkupacks zu sparen (falls es
schnell gehen soll) können sie die Entladung vorher abschalten. Dann
wird der Akku ohne Entladung nur aufgeladen. Dies aber keine gute
Methode den Akku zu laden, da dadurch ein Memoryeffekt entstehen
könnte. Diese Ladeart sollte also nur in wirklich dringenden Fällen und
nur manchmal angewandt werden.
Auto E
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In diesem Modus wird er Akkupack nur entladen.
Zyklisch EL
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Dieser Modus führt mehrmals hintereinander Auto EL aus. Zyklisch EL
ist speziell zum Regenerieren alter Akkupacks gedacht, bei denen evtl.
schon ein Memoryeffekt vorliegt. Die Anzahl der Wiederholungen ist
vorher im Menü einstellbar. Dabei steigt in den alten Akkus die Kapazität
soweit an, bis wieder die volle Kapazität erreicht wird.