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Ladegerät für Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen LiFe 4
Aus ELVjournal 06/2008
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Bausatzinformationen
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Technische Daten
| Akku-Technologie | Lithium-Eisen-Phosphat-LiFePO4 |
| Zellenzahl | 1 bis 4 (Auswahl mit Taster) |
| Ladespannung | 3,6 V je Zelle |
| Ladestrom | 0,5 A; 1,0 A; 1,5 A; 2,0 A (umschaltbar) |
| Eingangsspannung | 8–25 V (je nach Zellenzahl); 1 Zelle min. 8 V; 2 Zellen min. 11 V; 3 Zellen min. 15 V; 4 Zellen min. 19 V |
| Anzeigen | 4 LEDs Zellenzahl LED Laden, LED Fertig |
| Ladeausgang | 2 Standard-Bananenbuchsen 4 mm |
| Lade-Enderkennung | I MAX/5, I MAX/10, I MAX/15 (konfi gurierbar) |
| Sicherheitstimer | 2 Std. 21 Min., 5 Std. (veränderbar) |
| Gehäuseabmessungen (B x H x T) | 57 x 141,5 x 23,5 mm |
Mit dem hier vorgestellten Ladegerät können Einzelzellen, aber auch bis zu 4 in Reihe geschaltete LiFePO4-Zellen geladen werden. Lithium-Akkus sind die modernste und leistungsfähigste Akku- Technologie, wobei aber im Allgemeinen hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Ladetechnik gestellt werden. Die neueste Entwicklung auf dem Gebiet der Lithium-Akkus sind die Lithium-Eisen- Phosphat-Zellen (LiFePO4), die neue Maßstäbe bezüglich Robustheit und Zyklenzahl setzen und eine hervorragende Entlade-Charakteristik haben.
Allgemeines zur Lithium-Technologie
Aufgrund der hohen Energiedichte bei geringem Gewicht haben alle Akkus auf Lithium-Technologie deutliche Vorteile gegenüber anderen Akku-Typen. Daher ist es sicherlich nicht verwunderlich, dass dieser Akku-Typ in recht kurzer Zeit weite Anwendungsfelder erobert hat. Im Notebook, Handy, aber auch im Consumer-Bereich ist diese Akku-Technologie heute nicht mehr wegzudenken. Doch Vorsicht, bei falscher Behandlung reagieren Lithium- Akkus sehr kritisch und können bereits bei der geringsten Überladung zur ernsten Gefahr werden und blitzschnell Brände verursachen. Das Gefahrenpotential ist auch an den vielen Rückrufaktionen der letzten Jahre, selbst bei namhaften Herstellern, zu erkennen und an Bränden in verschiedenen Fabriken für Lithium-Akkus. Im Hobbybereich sollte man diesen Akku-Typ nur einsetzen, wenn eine speziell auf den verwendeten Akku-Typ abgestimmte Ladetechnik zur Verfügung steht. Herkömmliche Lithium-Akkus sollten nur mit Schutzbeschaltung zum Einsatz kommen, und bei der Ladeschluss-Spannung muss unbedingt eine hohe Präzision (±1 %) eingehalten werden. |
| Bild 1: Beispiel eines LiFePO4-Akkus |
Dabei
fällt der besonders flache Kurvenverlauf während des gesamten
Entladeverlaufs und der steile Spannungsabfall am Entladeende auf.
Dieser Akku-Typ wurde für den Einsatz in Hochstromanwendungen wie z. B.
in Elektro- und Hybridfahrzeugen entwickelt und darf in der
2,3-Ah-Variante mit bis zu 60 A entladen werden, Impulsentladungen sind
sogar bis zu 150 A möglich. Während die Zellenspannung bei
Lithium-Ionen-Akkus 3,6 V und bei Lithium-Polymer-Akkus 3,7 V beträgt,
sind diese Zellen mit 3,3 V spezifiziert. Wie an der Entladekurve in
Abbildung 2 zu sehen ist, stellt sich bei einem der Nennkapazität
entsprechenden Entladestrom eine Spannung unterhalb der Nennspannung
ein. Die Ladeschluss-Spannung dieses neuen Akku-Typs ist mit 3,6 V
angegeben, muss aber nicht mit der hohen Genauigkeit eingehalten werden
wie bei Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkus. Maximal dürfen diese
Zellen mit 3,8 V geladen werden, was aber die Lebensdauer deutlich
reduziert. Die Ladung erfolgt nach der CC-CV-Methode (Konstant -
strom-Konstantspannung), was bedeutet, dass zuerst der Lade strom
begrenzt wird und ab Erreichen der Ladeschluss- Spannung wird die
Spannung konstant gehalten. Der Strom sinkt dann kontinuierlich, wobei
der Akku als voll geladen gilt, wenn der Strom 10 % der
Nennkapazitätsangabe unterschreitet. Für eine lange Lebensdauer darf bei
der Entladung die Zellenspannung 2 V nicht unterschreiten. Wie die
Entladekurve zeigt, macht es auch keinen Sinn, diesen Akku-Typ unter 2,5
V je Zelle zu entladen. Weit entladene Zellen sollten nur mit geringem
Strom (I/10) beaufschlagt werden, bis eine Zellenspannung von 2,5 V
erreicht ist. Eine Tiefentladung sollte aber möglichst immer vermieden
werden. Die LiFePO4-Zellen sind im Temperaturbereich von –20 °C bis +60
°C einsetzbar, wobei das Laden unter 0 °C nicht zulässig ist. Bei in
Reihe geschalteten Zellen ist laut Hersteller kein Balancieren
erforderlich, wird aber alle 10 bis 15 Entladezyklen empfohlen.
Besondere Anforderungen werden an das Konfigurieren von Akku-Packs
gestellt. Nur selektierte Zellen mit absolut gleicher Kapazität,
gleichem Alter und Ladezustand dürfen in Reihe geschaltet werden.
Allgemeines zum Ladegerät LiFe 4
Die hier vorgestellte Ladeschaltung basiert auf einem hochintegrierten Schaltkreis von Texas Instruments (BQ2954), der alle Stufen, inklusive schnellem Step-down-Schaltregler für eine geringe Verlustleistung, enthält. Der externe Schaltungsaufwand ist dadurch verhältnismäßig gering. |
| Bild 3: 2 LEDs zeigen den Ladestatus an. |
Versorgt
wird das Ladegerät mit einem externen Netzteil, wobei die erforderliche
Mindestspannung von der Zellenzahl des angeschlossenen Akkus abhängig
ist (Tabelle 2). Der zulässige Eingangsspannungsbereich des Ladegerätes
LiFe 4 beträgt 8 V bis 25 V. Zum Anschluss des Netzgerätes steht eine
Standard-Kleinspannungsbuchse zur Verfügung. Der Ladestrom richtet sich
in erster Linie nach dem zur Verfügung stehenden Netzgerät und ist mit
Hilfe eines Schiebeschalters in 4 Stufen von 0,5 A bis 2 A einstellbar.
Mit
einem weiteren Codierstecker (J 2) wird die Akku-voll- Erkennung und
der Mindeststrom konfiguriert (Tabelle 3). Sobald die Stromaufnahme
unterhalb der Mindeststromgrenze absinkt, wird der Ladevorgang komplett
abgeschaltet. Zum Anschluss der zu ladenden Zellen stehen Standard-
4-mm-Anschlussbuchsen zur Verfügung. Während des Betriebs ist unbedingt
zu beachten, dass die Lüftungsöffnungen des Gehäuses nicht abgedeckt
werden dürfen.
Schaltung
Das Hauptschaltbild unseres Lithium-Eisen-Phosphat-Ladegerätes ist in Abbildung 4 dargestellt und Abbildung 5 zeigt die recht einfache Spannungsversorgung.
 |
| Bild 6: Der interne Aufbau des Ladecontrollers BQ2954 |
Der
integrierte PWM-Controller steuert über den Modulation- Control-Output
(Pin 14) den Transistor T 5, in dessen Kollektorkreis sich der
Endstufentransistor T 4 befindet. Je nach Anforderung erfolgt durch
Steuerung des Puls-Pause-Verhältnisses eine Begrenzung des Ladestroms
oder der Ladespannung auf den vorgegebenen Wert. T 3 sorgt in diesem
Zusammenhang für ein schnelles Sperren des Endstufen transistors T 4 im
ausgeschalteten Zustand und somit für steile Flanken. Von BU 1 kommend
gelangt die Ladespannung über SI 1 und die Verpolungsschutz-Diode D 1
auf den Emitter des Transistors T 4. Der Elko C 1 dient dabei zur
Pufferung. Bei durchgeschaltetem Transistor T 4 fließt der Strom über
die Speicherdrossel L 2 und die Sicherung SI 2 zum Ausgang (BU 3) sowie
in den Pufferelko C 2. Aufgrund der in L 2 gespeicherten Energie bleibt
der Stromfluss bei gesperrtem Endstufentransistor T 4 über die
Schottky-Diode D 3 aufrechterhalten. Das Puls- Pause-Verhältnis bestimmt
letztendlich die Ausgangsspannung bzw. den Ausgangsstrom der
Ladeendstufe. Damit zur Überprüfung, ob ein Akku angeschlossen ist oder
nicht, die Ladeendstufe nicht durchgesteuert werden muss, verfügt der
Baustein über den Ausgang „Battery-Test-Output“ (Pin 10). Über diesen
Ausgang wird der Transistor T 2 gesteuert, der wiederum den Transistor T
1 in den leitenden Zustand versetzt. Dadurch wird über R 1 der Ausgang
mit einer Spannung beaufschlagt, um zu überprüfen, ob ein Akku
angeschlossen ist oder sich der Ausgang im offenen Zustand befindet.
Doch nun wieder zurück zum Ladebaustein IC 2. Die Leuchtdioden D 5
(Laden) und D 6 (Fertig) sind direkt an Pin 15 und Pin 16 angeschlossen.
An Pin 16 wird während der Initialisierungsphase zusätzlich der mit J 1
gewünschte Anzeige- Modus abgefragt. Während der Abfrage nach dem
Anlegen der Betriebsspannung ist Pin 11 hochohmig. Dadurch sind 3
Zustände und somit 3 unterschiedliche Anzeige-Modi möglich (siehe
Tabelle 1). Über einen weiteren Codierstecker (J 2), angeschlossen an
Pin 6, kann die Schwelle für die „Akku voll“-Erkennung ausgewählt
werden. Auch hier sind 3 Zustände möglich (Pin 6 offen, mit +5 V
verbunden oder mit Masse verbunden). Die Kondensatoren C 12 und C 13
dienen zur Stabilisierung der Strom- und Spannungs-Regelschleifen,
während die RC-Kombination R 19, C 14 die max. Ladezeit bestimmt. Nach
folgender einfacher Formel wird die maximale Ladezeit berechnet:
Max. Ladezeit (h) = 500 x R 19 x C 14
Für
C 14 wird von Texas Instruments ein 100-nF-Kondensator empfohlen. In
der Standard-Dimensionierung (R 19 = 47 k) beträgt also die maximale
Ladezeit 2 Stunden 21 Minuten. Wird R 19 durch einen 100-k-Widerstand
ersetzt, erhöht sich die maximale Ladezeit auf 5 Stunden. Dieser
Widerstandswert liegt dem Bausatz bei und ist im Bedarfsfall gegen den
47-k- Widerstand zu tauschen. Die Messung des Ladestroms erfolgt mit
Hilfe des Shunt- Widerstands R 23, dessen stromproportionaler
Spannungsabfall an Pin 5 (nicht-invertierender Eingang) des
Operationsverstärkers IC 3 anliegt. Die am Ausgang dieses Verstärkers
anliegende Spannung gelangt über R 25 auf Pin 7 des BQ2954. Sobald an
diesem Pin 250 mV anliegen, wird der Ladestrom begrenzt. Je nachdem,
welche Verstärkung mit Hilfe des Schalters S 1 beim Operationsverstärker
IC 3 eingestellt ist, erfolgt die Strombegrenzung bei 0,5 A, 1 A, 1,5 A
oder 2 A. An Pin 3 des BQ2954 wird die Akkuspannung erfasst. Sobald die
Spannung an diesem Pin 2,05 V erreicht, erfolgt die Begrenzung der
Ladespannung (CV-Modus). Je nach Zellenzahl wird die am Akku bzw.
Akku-Pack gemessene Spannung über die mit R 2 bis R 5, R 8 bis R 11 und R
22 aufgebauten Spannungsteiler in Verbindung mit dem Multiplexer IC 5
heruntergeteilt. Gesteuert wird der Multiplexer vom Binärzähler IC 4,
dessen Ausgang mit jedem „High/Low“-Übergang am Takteingang (Pin 10)
eine Stufe weiter zählt, wobei die Taktflanke mit Hilfe des Tasters TA 1
erzeugt wird. Tasterbetätigungen können sich allerdings nur auswirken,
solange der Transistor T 6 durchgesteuert ist. Die parallel über den
Multiplexer geschalteten Leuchtdioden D 8 bis D 11 dienen dabei zur
Anzeige der ausgewählten Zellenzahl.
IC
3 A bildet zusammen mit T 6 eine Tastensperre. Sobald ein nennenswerter
Ladestrom fließt und der Spannungs - pegel an IC 3, Pin 2 über den
Pegel an Pin 3 steigt, wird T 6 gesperrt. Mit Hilfe des Tasters TA 1
kann die Zellenzahl nicht mehr versehentlich verstellt werden. Je nach
Zellenzahl des zu ladenden Akkus ist an BU 1 eine
Eingangs-Gleichspannung zwischen 8 V und 25 V anzulegen. Die über die
Sicherung SI 1 kommende Spannung gelangt auch auf den in Abbildung 5
dargestellten Spannungsregler IC 1 und den Pufferelko C 6.
Ausgangsseitig liefert der Spannungsregler +5 V zur Versorgung der
gesamten Elektronik. Der Elko C 9 dient zur
Schwingneigungsunterdrückung, und die Kondensatoren C 7, C 8 verhindern
hochfrequente Stör einflüsse am Spannungsregler und C 16 bis C 18 sind
zur Störunterdrückung an den Versorgungspins der einzelnen ICs
positioniert.
Der
praktische Aufbau des Ladegerätes LiFe 4 stellt keine große
Herausforderung dar, da grundsätzlich bei allen ELVBausätzen sämtliche
SMD-Komponenten werkseitig vorbestückt sind. Von Hand bleiben nur noch
die Bauteile in konventioneller, bedrahteter Bauform einzulöten. Zuerst
werden die Anschlüsse der beiden Schottky-Dioden D 1 und D 3 auf
Rastermaß abgewinkelt und dann die Anschlüsse unter Beachtung der
korrekten Polarität von oben durch die zugehörigen Platinenbohrungen
geführt. Am Bauteil ist der Katodenanschluss (Pfeilspitze) durch einen
Ring gekennzeichnet. Unter Zugabe von ausreichend Lötzinn werden die
Anschlüsse im nächsten Schritt so verlötet, dass zwischen Bauteilkörper
und Platinenoberfläche ein Abstand von 1 bis 2 mm entsteht. In der
gleichen Weise ist danach der Widerstand R 23 einzulöten. Danach werden
die bedrahteten Dioden D 4 und D 7 bestückt, die keinen
Leiterplattenabstand benötigen. Im nächsten Arbeitsschritt sind die
Elektrolyt-Kondensatoren polaritätsrichtig einzusetzen und sorgfältig zu
verlöten. Vorsicht! Falsch gepolte Elkos können explodieren. Elkos sind
üblicherweise am Minuspol gekennzeichnet. Alle überstehenden Drahtenden
an der Platinenunterseite werden mit einem scharfen Seitenschneider
direkt oberhalb der Lötstellen abgeschnitten. Nun sind die Stiftleisten
zur Aufnahme der Codierstecker J 1 und J 2 einzulöten. Dabei ist darauf
zu achten, dass die Stiftleisten jeweils mit dem Kunststoffsteg plan auf
der Platinenoberfläche aufliegen. Alsdann sind die beiden Codierstecker
entsprechend der gewünschten Konfiguration zu setzen. Der
Schiebeschalter S 1, der Taster TA 1, die Buchse BU 1 und der
Sicherungshalter SI 2 müssen vor dem Verlöten unbedingt plan auf der
Platinenoberfläche aufliegen. Das Gleiche gilt auch für die beiden
Hälften des Platinensicherungshalters SI 1, der gleich nach dem Einlöten
mit einer 2,5-A-Feinsicherung bestückt wird. Der Sicherungshalter SI 2
wird ebenfalls mit der zugehörigen Glas-Feinsicherung bestückt. Die
Einbauhöhe der Leuchtdioden beträgt 17,5 mm, gemessen von der LED-Spitze
bis zur Platinenoberfläche. Bei den LEDs ist die Polarität am Bauteil
durch einen längeren Anodenanschluss (+ im Bestückungsplan)
gekennzeichnet. Das Kühlblech für den Endstufen-Transistor T 4 ist wie
auf dem Platinenfoto zu sehen einzusetzen und mit viel Lötzinn auf der
gesamten Länge festzusetzen.
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| Bild 7: Einbau der Ladebuchsen und Verlegung der Anschlussleitungen im Gehäuse |
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| Bild 9: Die Anschlüsse der LEDs D 5 und D 6 werden mit Gewebe- Isolierschlauch geschützt. |
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