(An english version of this article can be found on my personal blog)
Nachdem in der letzten Woche außerplanmäßig nochmal eine Messreihe dran kam, geht es
diese Woche nun endlich los. Ich werde ein wenig mehr über das eigentliche Projekt erzählen,
worum es geht und was so alles zu tun ist.
Die grundsätzliche Idee ist es, eine Spielzeug-Schneeraupe so umzubauen, dass
sie anstelle von Mignon-Zellen über einen Li-Ion-Akku betrieben wird. Dieser soll
dann drahtlos geladen werden, so dass mein Sohn die Raupe abends nur auf die Ladestation stellen muss.
<html><head><title>Jive SBS</title></head>
<body><font face="arial,helvetica,sans-serif">
<b>Error</b><br><font size="-1">
An general error occurred while processing your request.
</font></font></body></html>
Wie sieht es da drinnen aus?
Ich habe die Raupe mal aufgeschraubt um zu sehen wie viel Platz ihr Inneres eigentlich
bietet. Man sieht doch einiges an Elektronik:
Die große Platine enthält den Funkempfänger und die Motor-Steuerung. Auf der kleinen befindet
sich lediglich ein Blinker, die zwei kleine Lampen im Fahrerhaus steuert. Wie man sieht
bleibt hier nicht mehr viel Raum, um eigene Elektronik unterzubringen. Insbesondere weil
ich so wenig wie möglich umbauen möchte, um bei Bedarf den Originalzustand wiederherstellen
zu können. Wenn etwas kaputt geht, soll es möglich sein einfach wieder Batterien einzusetzen
und alles muss wieder funktionieren wie vorher.
Ein Plan formt sich
Schauen wir also mal was gemacht werden muss.
Als erstes: wie ist denn die Elektronik derzeit aufgebaut?
Als Energiequelle dient ein Batterie-Paket, bestehend aus 8 Mignon-Zellen (AA), die mit einem
Tamiya-Steckverbinder angeschlossen sind. Der eigentlich Batteriehalter ist dabei entnehmbar,
was angenehm Platz für spätere Verwendung lässt. Außerdem kann man so bequem eigene
Elektronik anschließen. Der Rest der Elektronik wird über einen Schalter aktiviert,
der sich im Boden der Raupe befindet. Dadurch fließt im ausgeschalteten Zustand kein Strom.
Schaltet man die Raupe ein, habe ich einen Ruhestrom von etwa 150 mA gemessen. Dieser
wird für den RC-Empfänger benötigt, und für die Lampen (durch diese fließt ein zusätzlicher
pulsierender Strom, bis zu 500 mA).
Wenn man einen der Motoren aktiviert, erhöht sich der Stromverbrauch auf etwa 500 mA.
Dabei fließt sehr kurzzeitig ein Strom bis zu etwa 2,5 A, und etwa länger etwa 1 A. Schaltet
man beide Motoren ein, steigt der Strom auf etwa 1 A, mit einem Einschaltstrom bis zu etwa 3 A
(das ist nicht ganz das doppelte, weil hier vermutlich der interne Widerstand der
Batterien limitierend wirkt). Werden beide Motoren belastet (indem man sie z.B. mit der Hand blockiert)
steigt der Strom auf etwa 1,4 A an.
Damit haben wir erst mal einen Ausgangspunkt für weitere Überlegungen. Mignon-Zellen
haben eine benutzbaren Spannungsbereich von 1,5 V bis herab zu 1 V (evt. auch bis zu 0,9 V,
aber dann dürfte der Innenwiderstand zu hoch werden um die Motoren weiter zu betreiben). Damit
ergibt sich für das Batterie-Paket eine Gesamtspannung von 8-12 V. Das ist deutlich höher als eine
einzelne Li-Ion-Zelle zur Verfügung stellt.
Damit gibt es zwei Möglichkeiten weiter zu verfahren: Entweder muss die Spannung auf 12 V erhöht werden,
oder es müssen mehrere Akkus in Reihe geschaltet werden.
Die Ein-Akku-Lösung
Wenn man nur einen Akku verwendet, wird das laden sehr einfach. Man kann direkt die 5 V verwenden,
die der Qi-Empfänger liefert, und dabei den Akku immer noch mit einem Linear-Regler laden.
Dafür gibt es jede Menge ICs, (z.B. den LTC4054, mit dem ich bereits Erfahrungen gesammelt habe)
http://blog.hendriklipka.de/archives/2013/02/pimp_night_light_part2.html
Wenn man mit höheren Ladeströmen arbeiten möchte, stehen jede Menge Switch-Mode-Lade-ICs
zur Verfügung.
Gleichzeitig gibt es jede Menge Aufwärts-Regler, um 12 V zu erzeugen. Allerdings muss
dieser 18 W Ausgangsleistung aufbringen (12 V * 1,5 A), mit einem kurzzeitigen Maximalwert
von etwa dem doppelten. Das verringert die Auswahl schon mal ein wenig. Zusätzlich
handelt man sich bei diesen Wert leicht Probleme mit der Kühlung und dem Wärmemanagement
ein. Die Aufwärtswandlung bedeutet auch, dass der Akku einen Strom von 5 A oder gar mehr
liefern muss (insbesondere wenn der Motor-Einschaltstrom vom Wandler geliefert wird). Diese
Probleme dürften dazu führen das sowohl der Wandler als auch der Akku zum einen nicht gerade klein,
zum anderen auch recht teuer sein dürften. Wenn man den Aufwärtswandler direkt am
Akku anschließt, sollte er zusätzlich noch einen sehr geringen Ruhestrom aufweisen
(wenige µA), da er ja immer aktiv ist. Alternativ müsste man ihn nach dem
Schalter unterbringen, aber das widerspricht dem Ziel "keine Modifikationen".
Alles in allem sieht dieser Weg recht steinig aus. Schauen wir also weiter.
Verwendung mehrerer Akkus
Wir erinnern uns: die Batterien laufen im Spannungsbereich von 8-12 V. Das passt ziemlich
genau zu 3 in Reihe geschalteten Li-Ion-Akkus, die (wenn man eine minimale Spannung von 3 V annimmt)
eine Spannung von 9-12,6 V liefern (wobei man den Maximalwert über die Ladeschluss-Spannung anpassen kann).
Im Vergleich zur Ein-Akku-Lösung spart man sich also den Aufwärtswandler, und kann damit
den Anschluss an die Raupe ohne Modifikationen erledigen. Auch fällt die Notwendigkeit weg,
so hohe Ströme zu liefern - die Akkus müssen unter Last nur 1,4 A liefern. Für den Einschaltstrom
würde ich einen großen Kondensator vorsehen, der das abfangen kann. Damit dürften die
Akkus deutlich einfach zu beschaffen sein, und auch preiswerter werden.
Im Gegenzug verkompliziert sich das Laden - ein Akkupack kann man leider nicht wie
einen einzelnen Akku behandeln. Da jede einzelne Zelle einen anderen Lade- bzw.
Entladezustand aufweisen kann (also verbleibende Kapazität und aktuelle Spannung),
müssen sie einzeln überwacht werden. Außerdem muss man beim Laden die einzelnen
Zellen "ausbalancieren", d.h. bereits geladene Zellen dürfen keinen weiteren Ladestrom
erhalten, auch wenn sie mit dem Rest in Reihe geschaltet sind. Alternativ kann man
nach Lösungen suchen die Zellen einzeln zu laden.
Diese Lösung verlagert also die Komplexität von der Last- auf die Lade-Seite der Schaltung
(man ersetzt den Aufwärtsregler durch einen Zellen-Monitoring und -Balancing).
Allerdings verlagert sich auch die Effizienz (oder genauer: die Ineffizienz):
Durch die Verwendung mehrerer Akkus in Reihe geht beim Entladen keinerlei zusätzliche
Energie in einem Aufwärtsregler verloren, sondern kann vollständig in die Last geleitet
werden. Im Gegenzug wird vermutlich das Laden ineffizienter (und dauert somit länger),
aber damit kann ich erst mal leben.
Weitere Anforderungen
Zusätzlich zur Ladeelektronik benötige ich noch einen Unterspannungsschutz. Das bedeutet
das, sobald der Akku eine bestimmte Spannung (etwa 2,9 V) unterschreitet, die Last abgetrennt wird.
Dadurch wird eine zu tiefe Entladung verhindert. Die meisten Li-Ion-Akkus bringen eine
solche Schutzschaltung bereits mit. Allerdings ist dort der Schaltpunkt sehr niedrig angesetzt,
um gerade noch eine Zerstörung zu verhindern. Trotzdem kann dabei schon zu einer
Kapazitätsverminderung kommen. Ich möchte also etwas eher abschalten. Bei der Verwendung mehrerer
Akkus sollte die Last auch bereits abgeschaltet werden wenn nur eine Zelle zu
stark entladen wird - es müssen also alle einzeln überwacht werden.
Ich hatte es oben schon angedeutet: jegliche Schaltung die direkt und dauerhaft
am Akku hängt muss einen möglichst geringen Stromverbrauch aufweisen. Mein Ziel
ist hier eine Grenze von 10 µA. Einer solcher Strom ergibt, wenn man eine Restkapazität
von nur 10 mAh annimmt, noch eine Laufzeit von etwa 40 Tagen (1000 h) bevor die interne
Schutzschaltung anspricht (und die Akkus ggf. permanent leiden).
Wie geht es weiter?
Nachdem nun also die grundsätzliche Architektur geklärt wäre, geht es an die Details.
Daher werde ich als nächstes die Lade-Elektronik und das Cell-Balancing anschauen. Der
(oder die) nächste Artikel wird sich also damit befassen, welche Lösungsmöglichkeiten
es dafür gibt. Immerhin wird dies wohl der komplexeste Teil der Projektes.
Und wer weiss, vielleicht gibt es ja auch wieder was zu vermessen...
