DE202005003334U1

DE202005003334U1 - Ladeschaltung für Nickel-Metall-Hydrid und Nickel-Cadmium-Akkus

Info

Publication number: DE202005003334U1
Application number: DE200520003334
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-03-02
Filing date: 2005-03-02
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2015-03-03

Abstract

Ladeschaltung für Nickel-Metall-Hydrid- und Nickel-Cadmium-Akkus dadurch gekennzeichnet, daß ein Lastwiderstand am Kollektor eines Leistungstransistors den Ladestrom begrenzt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltung zum Laden von Nickel-Metall-Hydrid- und Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, die in elektrischen sowie elektronischen Kleingeräten in verschiedenen Ausführungen (z. B. Micro, Mignon) häufig zur Anwendung kommen. Die Schaltung kann zum Laden "beliebig" vieler Zellen ausgelegt werden und beendet automatisch den Ladevorgang nach Erreichen der maximalen Ladekapazität. Akkuzellen beliebiger Kapazität können angeschlossen werden, der Ladestrom paßt sich automatisch dem Innenwiderstand der Akkuzellen und somit der Ladekapazität des angeschlossenen Akkus an.
Nach Erreichen der maximalen Ladekapazität wechselt die Betriebsart der Schaltung automatisch von Normalladung zu Erhaltungsladung.
Der Betrieb der Schaltung am 12V Bordnetz eines Automobils bzw. Bootes ist bei geeigneter Schaltungsauslegung möglich.
Stand der Technik
Drei verschiedene Ladeverfahren kommen derzeit häufig zur Anwendung:

a. Laden mit konstantem Ladestrom: Hierbei wird der Akku bzw. die Akkupakete (Reihenschaltung mehrerer Zellen) mit einem konstanten Ladestrom, der ca. 1/10 der Akkukapazität entspricht, über einen Zeitraum von etwa 15 Stunden kontinuierlich geladen. Der Ladevorgang endet jedoch nicht automatisch und muß nach vorgegebener Zeit vom Benutzer unterbrochen werden.
b. Wie zuvor: Laden mit konstantem Ladestrom, jedoch gesteuert über einen integrierten Timer, der den Ladestrom nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit unterbricht.
c. Prozessorgesteuertes Laden: Hierbei übernehmen Sensoren die Kontrolle über den zu ladenden Akku, wobei ein Prozessor anhand der Sensordaten (Temperatur, Spannungsverlauf) den Ladestrom regelt und somit, unabhängig von der jeweiligen Ladekapazität der Zellen, eine optimale Ladung gewährleistet.

Nachteile des derzeitigen Stand der Technik

zu a. Laden mit konstantem Ladestrom von 1/10 der Ladekapazität eines Akkus ist zwar die schonendste Lademethode, jedoch muß der Benutzer über den Zustand des Akkus genaueste Kenntnisse haben. Zu langes Laden, aufgrund falscher Kapazitäten, sowie eine nicht zeitkoordinierte Abschaltung des Ladevorgangs, können zur Zerstörung der Akkus führen.
zu b. Die Kapazitäten der Akkus müssen auf das Zeitintervall und den Ladestrom des Gerätes angepaßt sein, und nur vollkommen entladene Akkus werden nicht überladen. Somit ist auch bei dieser Lademethode die Kenntnis über den Zustand des Akkus unabdingbar.
zu c. Die Möglichkeiten eines prozessorgesteuerten Ladegerätes sind vielseitig, sie reichen von der Regeneration bis hin zur Erhaltungsladung verschiedener Akkus. Unterschiedliche Akkukapazitäten werden automatisch erkannt und ermöglichen das Laden verschiedener Zellen. Lediglich der Schaltungsaufwand und die daraus resultierenden Kosten sind nachteilig zu bewerten.

Grundzüge des Lösungsweg
Die entwickelte Schaltung beruht darauf, den Ladestrom des zu ladenden Akkus (Akkupakete) nach Erreichen der Maximalkapazität, aufgrund seiner steigenden Zellspannung bis auf einen Erhaltungsladestrom zu reduzieren. Die Schaltung basiert auf einen Spannungsvergleich zwischen Zellspannung und einer definierten, konstanten Diodenspannung. Erreicht die Zellspannung den Wert der Diodenspannung, plus einem Spannungsabfall an der Basis-Emitter-Strecke eines Regeltransistors, so schaltet dieser Transistor einen Leistungstransistor in der Ladestrecke des Akkus, der den Ladestrom reduziert.
Gelöste Aufgabe
Ein Widerstand R1 und eine Diode D1 bilden zusammen einen Spannungsteiler, bei dem die an der Diode abfallende Spannung unabhängig von der Versorgungsspannung relativ konstant bleibt. Ein Regeltransistor T1 dessen Kollektorwiderstand R2 mit der positiven Betriebsspannung verbunden ist, schaltet zwischen Kollektor und Emitter, wenn seine Basisspannung (Akkuspannung) den Wert der Diodenspannung plus abfallender Basis- Emitterdiodenspannung (0,7V) erreicht. Dieser Schaltvorgang wiederum ändert die Potentialverhältnise am Leistungstransistor T2, der den Ladestrom durch den Akku begrenzt. Der Widerstand R3 am Kollektor des Leistungstransistors sorgt für einen möglichst konstanten Ladestrom unterhalb der Schaltschwelle des Regeltransistors. Die Auslegung der Diodenspannung ist abhängig von der Anzahl der in Reihe geschalteten Akkus. Sie beträgt für einen Akku 0,8V, für zwei Akkus 2,1V und kann für eine "beliebige" Anzahl Akkus erweitert werden. Als Dioden kommen Standardsiliziumdioden (1N4148 für 0,8V) in Frage, höhere Spannungswerte können mit Zenerdioden erreicht werden. Aber auch Leuchtdioden die gleichzeitig den Betriebszustand anzeigen sind möglich. Die Grundschaltung ist dargestellt in 1.
In 2 ist die Schaltung, ausgelegt zum Laden von zwei Zellen und für eine Versorgungsspannung von 12V, dargestellt. Andere Betriebsdaten sind durch Verändern der Widerstands- und Diodenwerte ebenfalls möglich.
Für die Funktion der Schaltung nicht unbedingt relevant, jedoch zur Erkennung des Ladezustandes sehr hilfreich, ist der Feldeffekttransistor T3 und die Leuchtdiode D2, die den Ladezustand des angeschlossenen Akkus anzeigt. Fällt an dem Widerstand R3 keine Spannung mehr an (Leistungstransistor T2 sperrt) und fließt kein Ladestrom mehr, so ist der Akku voll geladen und die Leuchtdiode D2 erlicht.
Während der gesamten Betriebszeit fließt über den Feldeffekttransistor T4 ein konstanter Strom von ca. 15mA. Dieser Strom dient nach Abschalten des Ladestroms durch den Leistungstransistor T2 als Erhaltungsladestrom.
In der Auslegung der Schaltung zum Laden von Einzelzellen, dargestellt in 3, ist eine Leuchtdiode und ein weiterer Feldeffekttransistor zwischen dem Kollektor des Leistungstransistors T2 und der Masse angebracht. Der Widerstand R4 in dieser möglichen Schaltungsvariante hebt das Spannungspotential an dieser Leuchtdiode um ca. 1V. Diese Leuchtdiode beginnt zu leuchten, wenn die Zellspannung einen bestimmten Spannungswert überschreitet. Dies ist ein Indiz dafür, daß die zu ladende Zelle in Ordnung ist. Im Falle eines internen Kurzschlusses innerhalb einer Zelle fließt zwar kontinuierlich maximaler Ladestrom, die Zellspannung steigt jedoch nicht an. Somit können defekte Zellen nach Ablauf einer bestimmten Zeit erkannt werden. Bleibt die Leuchtdiode während des Ladevorgangs dunkel, so ist die Zelle defekt.
Die im Anhang dargestellten Diagramme 1 und 2 zeigen die Ladekurven von verschiedenen Akkuzellen unterschiedlicher Kapazität, sowie von zwei in Reihe geschalteten Akkuzellen.

Claims

Ladeschaltung für Nickel-Metall-Hydrid- und Nickel-Cadmium-Akkus dadurch gekennzeichnet, daß ein Lastwiderstand am Kollektor eines Leistungstransistors den Ladestrom begrenzt.
Ladeschaltung für Nickel-Metall-Hydrid- und Nickel-Cadmium-Akkus nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein Leistungstransistor den Ladestrom nach Erreichen einer bestimmten Zellspannung abschaltet.
Ladeschaltung für Nickel-Metall-Hydrid- und Nickel-Cadmium-Akkus nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalttransistor die Zellspannung mit einer Diodenspannung vergleicht.
Ladeschaltung für Nickel-Metall-Hydrid- und Nickel-Cadmium-Akkus nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Schalttransistor zwischen Kollektor und Emitter leitend wird, wenn die Zellspannung die Diodenspannung plus Emitter-Basisspannung des Transistors überschreitet.
Ladeschaltung für Nickel-Metall-Hydrid- und Nickel-Cadmium-Akkus nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß im leitenden Zustand des Schalttransistors die Basis des Leistungstransistors Zellspannungspotential annimmt und somit den Ladestrom sperrt.