(As usual, find the english version of this article on my personal blog)
Nachdem ich im letzten Teil die Varianten beleuchtet habe, wie man ein Akku-Pack in einzelne Akkus aufteilen kann (um sie dann einzeln zu laden), geht es diesmal darum das Pack am Stück zu laden.
Wie bereits angemerkt, muss dabei insbesondere sichergestellt werden dass einzelne Zellen nicht überladen werden. Das heißt sie dürfen nicht auf eine zu hohe Spannung geladen werden, und der Ladevorgang darf nach Erreichen der vollen Kapazität nicht fortgesetzt werden.
Was so ein Balancer eigentlich macht
Da die einzelnen Zellen eines Akku-packs in Reihe geschaltet sind (wobei bei größeren Packs durchaus noch eine Parallelschaltung dazukommen kann), kann die Ladeelektronik nur den gemeinsamen Ladestrom kontrollieren, nicht aber den Strom durch einzelne Zellen. Dadurch kann es dazu kommen, dass einzelne Zellen zu lange mit einem zu hohen Strom geladen werden. Um einen bessere Kontrolle zu ermöglichen, sind Akku-Packs (z.B. die für RC-Modelle) mit einem sogenannten "Balancer-Anschluss" ausgestattet. Dieser ermöglicht den Zugriff auf die Verbindungen zwischen den einzelnen Zellen, die sonst innerhalb des Packs verborgen bleiben. Akku-Packs wie die in Laptops kommen mit ihrer eigenen Elektronik, und können diesen Anschluss daher weglassen.
Auch wenn nun ein Zugriff auf alle Zellen möglich ist, kann die Ladeelektronik trotzdem nur den Gesamtstrom steuern. Da aber nun die Messung der Zellenspannung für jede Einzelzelle möglich ist, kann man den Ladezustand jeder Zelle einzeln bestimmen. An dieser Stelle kommt nun der Balancer ins Spiel - er start nämlich genau dann wenn eine Zelle ihre Lade-Endspannung erreicht. In dem Moment fängt er an, den Ladestrom von der Zelle wegzuleiten, so dass sie nicht weiter geladen wird:
Zur Vereinfachung habe ich hier nur einen Balancer eingezeichnet. Die Ladeelektronik kümmert sich weiterhin um das Gesamtpaket - Messung und Steuerung des Ladestroms, und Beendigung des Ladevorgangs. Die Balancer hingegen kümmern sich um eine einzelne Zelle, und verhindern ein Überladen.
Wie das funktioniert
Das Grundprinzip, welches ich hier beschrieben habe, ist bereits unter einem anderen Namen bekannt, und zwar als Querregler. Die einfachste Lösung für einen Balancer ist daher auch die Verwendung eines entsprechenden ICs, z.B. des TL431. Da dieser aber nur Ströme bis 100 mA ableiten kann, wird typischerweise durch zusätzliche Beschaltung der Ausgangsstrom erhöht. Wenn man zusätzlich noch eine Benachrichtigung über den "Ladespannung-erreicht"-Zustand hinzufügt, sieht das so aus:
Der von der Zelle abgeleitete Ladestrom wird in Transistor Q2 und dem Shunt-Widerstand in Wärme umgesetzt. die LED leuchtet auf, wenn der Querregler aktiv wird, also wenn die Lade-Endspannung erreicht ist. Die LED kann auch Teil eines Optokopplers sein, mit dessen Hilfe man die Zustände aller Zellen einfach kombinieren kann. Der Spannungsteiler R2/R3 wird normalerweise einstellbar ausgeführt, um die korrekte Regel-Spannung einzustellen.
Andere Varianten für das Balancing
Das hier beschriebene Prinzip ist unter dem Namen "passives Balancing" bekannt. Der Balancer wird nur beim Laden aktiv, und kontrolliert nur eine einzelne Zelle (um ein Überladen zu verhindern). Die überschüssige Energie wird dabei in Wärme umgewandelt.
Im Gegensatz gibt es auch "aktive Balancer" zum einen sind diese auch während des normalen Betriebs (also beim Entladen) aktiv, zum anderen können sie auch Energie zwischen den einzelnen Zellen verteilen (daher der Name). Prinzipiell funktionieren sie wie ein Schaltregler - sie entnehmen einer Zelle Strom um ihn dann einer anderen zuzuführen. Auf diese Weise kann der ausgewogene Zustand dauerhaft aufrecht erhalten werden - wenn eine Zelle zu weit entladen ist, wird sie von den anderen mit Energie versorgt (und umgekehrt - Zellen mit mehr Kapazität geben diese ab). Dadurch kann die volle Kapazität des Akku-Packs ausgenutzt werden.
Leider sind die Schaltkreise, die dies durchführen können, eher für größere Packs ausgelegt (6 bis 12 Zellen). Dementsprechend kommen sie vielen Pins daher (in etwa SSOP56). Zudem brauchen sie eine gute Menge an externer Beschaltung, so dass ich das für mein Projekt nicht verwenden möchte.
Auch für das passive Balancing gibt es fertige Schaltkreise (z.B. den BQ3060 oder den BQ77PL900, beide von TI). Leider haben diese alle ein paar Einschränkungen (in Bezug auf mein Projekt). Aufgrund der thermischen Begrenzungen (sie kommen alle in einem SSOP-Package mit vielen Pins) ist der Strom, den sie ableiten können, auf 10 bis etwa 50 mA limitiert. Sie unterstützen zwar die Verwendung externer FETs für höhere Ströme, können dann aber prinzipbedingt nur jeweils eine Zelle kontrollieren. Ein Großteil der Schaltkreise benötigt zudem einen externen Controller (also eine MCU). Damit werden auch diese Lösungen für mein Projekt komplexer als nötig. Daher werde ich bei der passiven, diskreten Lösung bleiben.
Wie meine Lösung aussieht
Da der TL431 erst ab einem Strom von 1 mA in die Regelung geht, und dann auch noch etwa 5 µA benötigt wenn er gerade nicht reguliert (von evt. Leckströmen der Transistoren abgesehen) habe ich nach noch sparsameren Lösungen gesucht. Immerhin sind die Balancer dauerhaft mit dem Akku verbunden. Zudem ist der TL431 nicht besonders genau (0,5% Toleranz im besten Falle), so dass man die Balancer einzeln kalibrieren muss. Daher werde ich eine genauere Low-Power-Spannungsreferenz verwenden, zusammen mit einem Low-Power-Operationsverstärker. Zusammen benötigen diese etwa den halben Strom eines TL431. Zudem sind sie genau genug um auch ohne Kalibrierung eine exakte Regelung zu gewährleisten. Ich habe das allerdings mal in LTSpice simuliert (wenn auch mit anderen Bauteilen als meine final Lösung haben wird):
Ein genauer Schaltplan sprengt jetzt den Zeitrahmen, und wird daher noch etwas auf sich warten lassen. Im nächsten Artikel wird es erstmal um den LiIon-Lader als solches gehen.
