Ladegerät für Lithium-Polimer-Zellen

Einleitung
Ladegerät-Konzept
Platine und Gehäuse
Aufbau

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Einleitung

Eigentlich ist das Laden einer LiPo-Zelle vergleichsweise einfach. Es erfolgt in 3 Schritten:
 

1. Eine LiPo-Zelle sollte eigentlich nie unter 2,7V entladen werden. Beträgt die Zellenspannung anfangs aber trotzdem weniger als 2,5V, dann muss die Zelle bis zu dieser Spannung mit einem kleinen Strom von 0,1 C geladen werden. Erreicht die Zelle damit nicht innerhalb einer Stunde die 2,5V, dann ist die Zelle defekt, und darf nicht weiter geladen werden.

 
2. Hat die Zelle aber 2,5V erreicht oder beträgt ihre Spannung von Anfang an wenigstens 2,5V, dann startet man einen Ladevorgang mit einem Konstantstrom von 0,7C .. 1C. Ein größerer Strom (1C) bringt übrigens keinen nennenswerten Zeitgewinn für den Gesamtladezyklus, so dass ich 0,7C bevorzuge.

Während dieser Konstantstromladung steigt die Zellenspannung stetig an. Erreicht sie die Ladeschlussspannung, geht man zum dritten Ladeschritt über. Die Ladeschlussspannung beträgt je nach Zellentyp 4,1V oder 4,2V (Datenblatt!). Sie darf auf keinen Fall überschritten werden, so dass eine präzise Spannungsmessung erforderlich ist. Der Akku ist nun zu ca. 90% geladen.
 
3. Abschließend folgt eine Konstantspannungsladung. Dabei wird der Ladestrom kontinuierlich so verringert, dass die Spannung an der Zelle immer der Ladeschlussspannung entspricht. Dieser Schritt  dauert um so länger, je höher der Ladestrom im Phase 2 war. Ist der Ladestrom auf unter 0,1C gefallen, beendet man den Ladevorgang. Der genaue Abschalt-Strom ist unkritisch. Während der 3. Phase werden nur noch die letzten ~10% der Kapazität in den Akku 'gedrückt'.

Wer stolzer Besitzer eines Labornetzgerätes mit Spannungs- und Strombegrenzung ist, kann es als Ladegerät benutzen, indem die Spannungsbegrenzung auf die Zellenspannung (4,1V oder 4,2V) und die Strombegrenzung auf 0,7C eingestellt wird. Besser ist aber der Kauf oder Bau eines speziellen LiPo-Ladegerätes, da man dann keinen Fehler in der Festlegung der Ladespannung machen kann. Der zulässige Fehler für die 4,1V bzw 4,2V beträgt nämlich gerade einmal 0,03V (ca. 0,7%).

Im Gegensatz zu NiCd- oder NiMH-Akkus besitzen LiPo-Akkus keine Überladereserve. Das bedeutet, dass schon ein geringes Überschreiten der Zellenspannung zur Gasentwicklung im Akku führt. Der Akku ist damit zerstört, im Extremfall könnte er sogar "explodieren".

Hinweis zu 7,4V-LiPo-Akkus:
Oft findet man Akkumulatoren  mit einer Nennspannung von 7,2V oder 7,4V. Dabei handelt es sich um 2-Zellen-Akkus, die in wirklichkeit auf 8,2 oder 8,4V geladen werden. Genau diese Spannung kann man nach dem Laden auch an den Akku-Anschlüssen messen.

Ladegerät-Konzept

Ein Ladecontroller ließe sich mit einigen OPVs, einer Referenzspannungsquelle und einem PIC aufbauen, es ist aber einfacher, spezielle Schaltkreise zu benutzten. Die werden auch in großer Typenvielfalt hergestellt, allerdings hat kaum ein Bastel-Händler sie im Angebot. Nach längerem Suchen fand ich die MAX1898 (Maxim) als Bestelltypen bei Segor. Das ist ein 1-Zellen Ladecontroller, den es in einer 4,1V und einer 4,2V-Variante gibt. Mir wäre ein umschaltbarer Typ für beide Spannungen lieber gewesen, aber den gab es nirgentwo zu kaufen. Ich orderte einige 4,2V-Exemplare (passend zu den vorhandenen 4,2V-LiPo-Zellen).

Mein Ladegerät sollte drei Zellen gleichzeitig mit 600mA oder 1,2A laden können. Dafür waren drei MAX1898 nötig. Die Speisung sollte mit 12VDC erfolgen. Da die MAX1898 analoge Regler sind, würde jeder Kanal bei 1,2A an einer leeren Zelle (2,5V) ca. 11 Watt Hitze am Endstufentransistor erzeugen. Über 30W lassen sich aber nicht mehr problemlos kühlen. Deshalb schaltete ich einen Step-Down-Regler vor die Ladekontroller, der 12V in 5V wandelt. Ich wählte als Controller für den Schaltregler den LM3477, einen 500-kHz-Schaltregler von National, der bei Reichelt erhältlich ist.

Die MAX1898 benötigen jeweils einen externen Treibertransistor. Dafür wird ein P-Kanal-MOSFET eingesetzt. Nahezu jeder Typ, der 2A und 15W verträgt ist geeignet, es kann also eine low-cost-Lösung verwendet werden. Nur die für den Stromfluss (1,2 A) nötige Gate-Source-Spannung sollte nicht zu hoch sein (ca. 4 V). Ich habe IRF9540 verwendet, die für diese Anwendung viel zu gut sind.

Der Schalttransistor des Spannungsreglers ist ein N-Kanal-MOSFET. Hier ist ein Typ mit kleiner Schaltspannung (Gate-Source-Threshold:  V_TH(MIN)), kleinem Innenwiederstand (R_DS(ON)), kleiner Gate-Ladung (Q_g) und kleiner Reverse-transfer-capacitance (C_RSS) zu verwenden. Ein SMP60N03-10L oder IRL3803 ist geeignet.

Platine und Gehäuse

Ich entschied mich für die Nutzung eines Plastikgehäuses. Die Frontplatte trägt alle Ein- und Ausgänge, Schalter und LEDs. Alle anderen Bauteile sind auf einer Platine der Maße 75mmx100mm untergebracht. Das Platinenlayout wurde mit Eagle entwickelt.

• Stromlaufplan und Layout der Platine im Eagle-Format (60kByte)

Aufbau

Ein Problem für den Baster ist die Tatsache, das moderne ICs in extrem kleinen Gehäusen geliefert werden. Schließlich sind die Kontroller-ICs für Kameras und drahtlose Telefone gedacht. Der Pinabstand beträgt deshalb nur 0,5 bzw. 0,6 mm. Das stellt hohe Anforderungen an die Platinenherstellung und an das Löttalent des Bastlers. Das nebenstehende Foto zeigt eine 75x100mm-Platine (Prototyp mit 2 Layoutfehlern :-( ).  Die linke Hälfte ist der Schaltregler, rechts sieht man die drei Ladekanäle.

Das Foto zeigt einen der nur 3mm x 3mm großen Ladecontroller nach dem Auflöten. Ein sauberes, manuelles Verlöten der einzelnen Pins ist nicht möglich. Nachdem ich den Chip vorsichtig auf der Platine ausgerichtet hatte (Lupe) und an zwei gegenüberliegenden Pins auflötete, lötete ich auch die anderen Pins auf, wobei zwangsläufig reichlich Lötbrücken enstanden. Anschließend benutze ich einen normalen Lötkolben und Entlötlitze, um das überflüssige Zinn wieder abzusaugen (danke für den Tip, Mirko).

Das Ergebnis sind sehr saubere Lötverbindungen. Das Verfahren funktionierte bei allen ICs auf Anhieb, es ist also sehr zu empfehlen. Hier zeigte sich auch wieder einmal der Vorteil verzinnter Platinen. Dieses Bild verdeutlicht noch einmal die Größenverhältnisse.

Mit Ausnahme der SMD-ICs (die auf die Leiterseite gelötet werden mussten), habe ich nur normale, bedrahtete Bauelemente benutzt. Die Spule wickelte ich aus 1mm-Kupferlackdraht auf einen Ringkern, der für Frequenzen bis zu 500kHz ausgelegt ist. Seine Induktivität von 10 µH habe ich mit einem Eigenbau-LC-Meter ausgemessen. Die Ausgangs- und Eingangskapazitäten des Schaltreglers habe ich auf viele kleine Elkos verteilt, und am Ausgang sind auch noch zwei 0,5-µF-Keramik-Kondensatoren eingesetzt. Das hilft, den ESR bei 500 kHz möglichst klein zu halten. Durch die hohe Schaltfrequenz  fallen Kapazitäten und Induktivität aber erfreulich klein aus. Ideal wären 47µF-Keramik, aber woher nehmen... (Ja, ich weiß, das auf dem Bild eine Diode falsch eingesetzt ist.)

Jeder der 3 Ladekanäle ist identisch aufgebaut, und besitzt auf der Platine je 3 zweipolige Buchsen (Steckverbinder). Eine Buchse dient dem Anschluss der Bananenbuchsen, an die der Akku angeschlossen wird. (Tipp: Die Akkukabel mit den Bananensteckern sollten unterschiedlich lang sein, um einen versehentlichen Kurzschluss zwischen den Bananensteckern zu vermeiden.) Die zweite Buchse dient dem Anschluss einer LED, die den Ladefortschritt anzeigt. Die dritte Buchse dient dem Anschluss eines Kippschalters, mit dem der Ladestrom zwischen 2 festen Werten (600mA / 1,2A) umgeschaltet werden kann. Im nebenstehenden Foto fehlen noch die Lüftungslöcher im Gehäusedeckel.

Die Speisung der Platine mit 12V muss über eine Feinsicherung erfolgen. Am Platineneingang befindet sich eine Diode, zwischen 12V und 0V, die in Sperrichtung geschaltet ist. Im Falle einer Fehlpolung der Eingangsspannung sorgt sie dafür, das die Feinsicherung sofort durchschmilzt. Deshalb ist diese Sicherung nicht zu groß oder zu träge zu dimensionieren. Als Einspeisepunkte an der Platine dienen Lötstifte.

Alle Schalter, LEDs und Buchsen sitzen an der Frontplatte. An den Schmalseiten der Platine dient jeweils ein Kühlkörper für die Kühlung der Leistungshalbleiter. Die Transistoren und die Leistungsdiode müssen isoliert auf den Kühlkörpern montiert werden. Zur Verdrahtung verwende ich recht dünnen Draht. Dessen Innenwiderstand mag eine etwas frühe Umschaltung von der 2. in die 3. Ladephase bewirken, durch die Stromabnahme in der 3. Ladephase wirkt sich das aber nicht auf die Gesamtladung des Akkus aus. Ich betrachte den dünnen Draht als eine Art Not-Sicherung im Falle eines Akku-Kurzschlusses durch eine defekte Ladeschaltung. Ich bin ebend ein unverbesserlicher Rückversicherer ;-)

Während die eigentlichen LiPo-Ladekanäle auf Anhieb problemlos funktionierten, war die Inbetriebnahme des 12V/5V-Schaltreglers nicht so einfach. Durch die hohe Schaltfrequenz von 500kHz sind Aufbau und Bauelementeauswahl kritisch. So bastelte ich mir einen 17-mOhm-Strommesswiderstand aus Draht, den ich aus Platzgründen dummerweise zu einer Spule wickelte (in den Fotos noch als graue Spule zu erkennen). Die Induktivität dieser 14-Windungen ist bei der hohen Frequenz aber nicht zu vernachlässigen. Ich musste den Draht schließlich falten (und nicht wickeln). Der zu diesem Widerstand parallel liegende 100nF-Kondensator musste entfernt werden. Experimente mit verschiedenen Kondensatoren zeigten eine starke Bauartabhängigkeit des Verhaltens des Schaltreglers. (Der Genitiv lebt!)

Letztendlich ersetzte ich den Drahtwiderstand durch die Reihenschaltung zweier 0-Ohm-SMD-Widerständen, und installierte den 100nF-Keramikkondensator wieder. Der Wandler war damit in der Lage einen Ausgangstrom von 3,5A bei 5,5V-Ausgangsspannung zu liefern.

Als Schlussfolgerung, werde ich zukünftig wieder Schaltregler mit niedrigeren Frequenzen (z.B. 50 kHz) bevorzugen.

Autor: sprut
erstellt 11.08.2004
letzte Änderung: 10.04.2007