(An English version of this post can be found on my personal blog)
Als ich mich für meinen grundsätzlichen Plan entschieden habe (ein Li-Ion-Akku-Pack einzusetzen), war klar dass die Ladeelektronik die größte Herausforderung darstellen wird. Daher werde ich mit diesem Beitrag anfangen, diese Thematik näher zu beleuchten.
Warum ist es so schwer ein Akku-Pack zu laden?
Die meisten Geräte, die Li-Ion-Akkus einsetzen, verwenden lediglich einzelne Zellen (prominentes Beispiel sind z.B. Mobiltelefone oder MP3-Player). Geräte hingegen, die mehr Leistung benötigen (z.B. Laptops) verwenden Pakete aus mehreren Akkus in verschiedenen Kombinationen aus Reihen- und Parallelschaltung (je nach benötigter Spannung und Leistung). Aber egal wie sie aufgebaut sind, sie teilen sich ein Problem: die Akkus innerhalb des Paketes sind nie exakt gleich. Daher befinden sie sich alle in einem leicht unterschiedlichen Lade- bzw. Entladezustand, der sich insbesondere in verschiedenen Zellenspannungen äußert.
Warum das problematisch ist? Li-Ion-Akkus sind sehr empfindlich gegen Überladung. Sie werden daher zuerst mit einem konstanten Strom geladen - typischerweise ist das der 1C-Strom (das ist der Strom, der einen Akku in 1 h entladen würde - bei einem 2Ah-Akku also 2A). Wenn der Akku seine Lade-Endspannung erreicht (für die meisten ist das 4,2V), wird in einen Lademodus mit konstanter Spannung umgeschaltet. Dieser wird solange beibehalten, bis der Ladestrom auf ein Zehntel des ursprünglichen Wertes fällt. Lädt man den Akku auf eine höhere Spannung, oder bleibt zu lange im Konstantspannungsmodus, kann der Akku permanent beschädigt werden (oder sogar anfangen zu brennen).
Wenn man z.B. eine Reihenschaltung aus zwei Akkuzellen hat, würde man diese auf 8,4V laden. Wenn nun einer der Zellen etwas stärker entladen wurde, wird sie ihre Ladeschlussspannung später erreichen. Das bedeutet aber, dass die andere Zelle beim Erreichen der 8,4V auf mehr als 4,2V aufgeladen wurde. Umgekehrt bedeutet das dass die schlechtere Zelle nicht vollständig geladen wird wenn man in den Konstantspannungsmodus umschaltet. Wird dieser Zyklus mehrfach wiederholt, wird irgendwann eine der beiden Zellen so weit überladen dass sie beschädigt wird.
Abhilfe
Prinzipiell gibt es drei Wege um diese Problematik zu lösen - das Prinzip Hoffnung, eine Einzelladung und Cell-Balancing.
Die erste Lösung ist es, Einzelzellen auszusuchen die so identisch wie nur möglich sind. Das ist an sich nur durch den Hersteller möglich, da dieser am besten weiß wie man die Zellen vermessen und charakterisieren muss. Wenn das gut funktioniert, kann man das Problem der ungleichen Ladung lange hinauszögern. Allerdings wird das mit zunehmender Anzahl von Zellen (mehr als zwei, maximal drei) nahezu unmöglich. Außerdem sind solche Akku-Packs recht teuer und daher keine wirklich Option.
Die zweite Lösungsmöglichkeit ist es, die Ladeschaltung so aufzubauen dass die Akkus einzeln und nicht in Reihe geladen werden.
Einzelladung
Auch hier gibt es wieder mehrere Lösungsmöglichkeiten. Beiden gemeinsam ist es, dass mit Hilfe von Schaltern die einzelnen Zellen aus dem Akku-Pack getrennt (bzw. mit diesem verbunden) werden. Am einfachsten ist es, dafür Relais zu verwenden.
Die erste Variante ist es, mit Hilfe der Relais immer genau eine Zelle mit einem Li-Ion-Lader zu verbinden. Wenn die Zelle vollständig geladen ist, wird sie wieder in das Paket aufgenommen, und die nächste Zelle wird abgetrennt und geladen. In einem Paket aus zwei Zellen sieht das so aus:
Beide Relais werden gegen Masse geschaltet. Im Normalfall (alles aus) sind die Zellen in Reihe geschaltet und bilden einen Akku-Pack mit 7,2V Nominal-Spannung. Wenn eines der Relais aktiviert wird, trennt es die korrespondierende Zelle aus der Schaltung heraus, und verbindet sie mit dem Akku-Lader (und zwar mit beiden Polen). Es ist zwar möglich, aber sehr unratsam, beide Relais zu aktivieren. In diesem Falle würden sehr Ausgleichsströme zwischen den Zellen fließen.
Wenn das Laden der Zellen nacheinander zu lange dauert, kann man auch mehrere Akku-Lader gleichzeitig verwenden:
Diese Schaltung ist der ersten ähnlich, und im Ruhezustand sind die Verbindungen auch identisch. Allerdings werden hier beide Relais gleichzeitig aktiviert, und dadurch werden auch beide Zellen gleichzeitig abgetrennt. Anschließend wird jede Zelle mit dem ihr zugeordneten Akku-Lader verbunden (wobei sie sich die Masseverbindung teilen).
Es gäbe noch eine dritte Option: man könnte galvanisch getrennte Akku-Lader verwenden. Diese würden dann keine gemeinsame Masseverbindung aufweisen (im Gegensatz zur zweiten Lösung), und müssten daher ihr eigenes Netzteil mitbringen. Dann kann man jede Zelle mit einem dieser Akku-Lader verbinden (durchaus auch permanent). Da diese Lösung dann aber wirklich aufwändig wird (und nicht mit der Verwendung einer WPC-Übertragung kompatibel ist) kommt sie von vornherein hier nicht in Frage.
Wie sieht es aber mit den anderen beiden Lösungen aus? Insbesondere die zweite sieht ja vielversprechend aus Da Li-Ion-Lade-ICs durchaus sehr einfach sein können (siehe z.B. den LTC4054 im SOT23-Format, der auch nur sehr wenig externe Beschaltung braucht).
Der große Haken dieser Lösungen ist, dass man ja Relais braucht. Und zwar eines je Zelle, mit zwei Umschaltkontakten (man könnte beide Masse-Seiten verbinden und einen Kontakt dadurch sparen, benötigt aber trotzdem nicht weniger Relais). Und Relais benötigen Platz, und sie benötigen Strom. Für eine Spannung von 5V sind die sparsamsten Relais mit einem Betriebsstrom von 10 mA verfügbar. Da ich 3 benötige, sind wir schon bei 30 mA - das sind schon 10% des von mir verplanten Power-Budgets (ich hatte an einen Ladestrom von 100 mA pro Zelle gedacht). Was aber schwerwiegender ist: die einzigen bei Farnell/Element14 erhältlichen Relais die so stromsparend sind vertragen einen maximalen Kontaktstrom von 2 A. Da die Motoren aber 2,5 A (sehr kurzzeitig sogar 3 A) benötigen, würde ich die Relais vermutlich recht schnell unbrauchbar machen. Es gibt zwar Relais für höhere Kontaktströme, sogar in einer kleinen Ausführung wie ich sie benötigen würde, aber diese benötigen dann 50 oder gar 100 mA. Damit würden sie fast die gesamte zur Verfügung stehende Leistung verbrauchen...
Man könnte jetzt auf elektronische Schalter zurückgreifen - bei den Strömen um die es hier geht kommen da nur MOSFETs in Frage. Dadurch wird aber die Ansteuerung wieder deutlich komplizierter.
Letztlich scheint auch diese Variante, so vielversprechend sie auch erscheint, für dieses Projekt nicht geeignet. Ich werde sie aber für spätere Vorhaben im Auge behalten.
Wie geht es weiter?
Im nächsten Beitrag werde ich versuchen, das Thema Akku-Laden abzuschließen. Dazu schaue
ich mir dann an, wie man doch mehrere Zellen in Reihe laden kann. Ich denke dass ich dafür
eine nette Lösung finden werde...