Li-Ion-Akku 12.6V 10.8Ah

mit Spannungsanzeige, Lastabschaltung, Ladeschaltung, Spannungsregler

Zur Verwendung kamen die restlichen zwei, günstig auf einem Flohmarkt erworbene, Akkupacks von einem ACER-Laptop. Diese Akkupacks nahmen keinen Ladestrom mehr an. Nach Zerlegung der Plastikummantelung stellte sich heraus, das die Ladeelektronik völlig hinüber war, der Akku selber hingegen keinen Schaden genommen hatte. Die Packs bestanden aus 6 Zellen von Typ "Sony US26650" von dem jeweils 2 Zellen parallel geschaltet waren. Laut Sony liegt der Spannungsbereich je Zelle von 3.6 V bis 4.2 V mit +/- 50mV. Somit ergibt sich eine Gesamtspannung von 10.8 V bis 12.6 V für den gesamten Pack. Die Zellen wurden von mir zu 3 Blocks a 4 Zellen (orginal 2 Zellen) verlötet um die Kapazität zu erhöhen. Eine Parallelschaltung von mehrere Li-Ion-Zellen bringt keinerlei Probleme mit sich !!

1. Akku-Umschalter

Wenn der gesamte Block unbeaufsichtigt mit einer Konstantspannung von 12.6 Volt geladen wird, bestände immer die Gefahr, das der eine oder andere Zellenblock schneller voll ist und vielleicht schon bei 12.8 V liegt während die beiden anderen Zellenblocks erst bei 12.5 Volt liegen. Das würde unweigerlich zum Tot des überladenen Block führen. Abhilfe würde da das Laden jedes einzelnen Zellenblocks bieten. Dafür würde man aber auch die dreifache Zeit benötigen.
Um alle Zellenblocks dennoch gleichmäßig laden zu können (man benötigt nur 1 Labornetzteil und man kann alle Akkus in "einem Rutsch" laden) beschloß ich die Zellenblocks schaltbar zu machen, so das ich die Blocks wahlweise in Reihe oder Parallel schalten kann.
Die Schaltung sieht wie folgt aus:
Akkupack-Umschaltung

Bild1: Akku-Umschalter

Die Schalter S1 und S2 sind zwei zweipolige Umschalter mit einer Schaltleistung von 6A. Um den Block von Parallel- auf Reihenschaltung umzuschalten, müssen beide Schalter umgeschaltet werden. Sie müssen nicht zwingend zugleich umgeschaltet werden, nacheinander reicht auch. Da der Akkupack im Parallel-Modus mit fast 100 Ampere belastet werden dürfte und der Kurzschlussstrom noch um ein wesentliches höher liegt wollte ich, um die 6A-Schalter nicht zu zu überlasten eine Sicherung einbauen. Aus Platzgründen entschied ich mich für eine "Multifuse"-Sicherung. Diese Sicherungen sehen aus wie Keramik-Scheiben-Kondesatoren und haben den Vorteil das sie sich von selbst wieder zurvckstellen, wenn der Stromkreis unterbrochen wird. Ich entschied mich für eine Sicherung mit 4 Ampere Nennstrom und 8A Ansprechstrom (Kosten bei Conrad: 1.20 Euro). Da ich zum ersten Mal diese Sicherung einsetzte, wollte ich erst zuerst die Wirksamkeit am offenen Akkupack testen. Ich schloß mehrere Digitalvoltmeter parallel, schaltete den Akkupack in Reihe und schloß dann den Akkupack kurz. Die Anzeigen der Digitalvoltmeter gingen kurz bis ca. 50 Ampere hoch, dann war Schluss. Die Multifuse war während der halben Sekunde sehr heiß geworden. Nach deren Abkühlung wollte ich den Versuch wiederholen, aber nichts ging. Sicherung durchgebrannt ? NEIN ! Bevor die Sicherung überhaupt reagieren konnte waren meine beiden Schalter WEGGEBRANNT. Ups. Ein Blick in den Conrad-Katalog brachte keine Klärung in Bezug auf Ansprechverhalten. Also Datenblatt heruntergeladen ... und siehe da: bei 10 Ampere benötigt diese Multifuse etwa 15 Sekunden zum Ansprechen und bei 40 Ampere noch 1 Sekunde. Damit schied diese Art von Sicherungen für den Akkublock aus und es musste wieder die "gute alte" Feinsicherung herhalten.

2. Spannungsanzeige mit 20-LED im Dot-Modus

Da ich bereits gute Erfahrungen mit dem LED-Aussteuerungs-IC LM 3914 hatte (siehe Akku 1) sollten diesmal 20-LEDs die Spannung des Akkupacks anzeigen. Da sich der LED-Aussteuerungs-IC LM 3914 fast endlos kaskadieren lässt, ist das auch kein Problem. Nach dem Studium des Datenblatts kam ich auf folgende Lösung:

20-fach LED-Spannungsanzeige

Bild2: 20-fach LED-Spannungsanzeige

Diese Schaltung weist ein paar Besonderheiten auf: Im Einzelbetrieb zeigt das Glimmen der LED1 im Dot-Modus das untere Skalenende an. Im Kaskadenbetrieb verhindert R4=10 KOhm das Glimmen der LED11 (LED1 von IC2). Desweiteren würde die LED10 nach Bereichsüberschreitung weiter leuchten. Um dies zu verhindern wird Pin9 vom IC1 mit Pin1 vom IC2 verbunden, sowie am IC1 Pin11 über R3=20 KOhm an Plus gelegt.
Die Widerstände R1 + R2 sind (unter anderem) für den LED-Strom von IC1 und R7 ist für den LED-Strom von IC2 verantwortlich. Duch den Widerstand von jeweils 12 KOhm stellt sich einen LED-Strom von ca. 1.5 mA ein.
Die fertige Platine sollte an einem einstellbaren Labornetzteil mit Digitalvoltmeter geeicht werden.

Als erstes muss mit dem R1 am Messpunkt MP eine Spannung von 1.1 V eingestellt werden.
Danach wird mit R5 der Skalenanfang auf LED1 eingeregelt (Netzteil auf Entladeschlussspannung einstellen).
Netzteil auf die Hälfte der Ladeschlussspannung einstellen und mit R2 das Skalenende auf LED10 einregeln.
Dann die Schritte 1-3 solange wiederholen bis Skalenanfang und Skalenende mit der entsprechenden Spannung übereinstimmen.
Netzteil auf die Hälfte der Ladeschlussspannung stellen, so das LED10 gerade am verlöschen ist.
R6 so einstellen, das LED11 gerade zu glimmen beginnt. Mit dem Labornetzteil die Spannung verringern und erhöhen um den Übergang von LED10 zu LED11 zu begutachten. Bei Bedarf R6 etwas nachregeln damit ein fliessender Übergang zustande kommt.

Vorteil: Diese Schaltung lässt sich individuell an die verschiedensten Akkupacks anpassen.

3. Lastabschaltung

Für die Lastabschaltung habe ich eine ähnliche Schaltung wie bei Akku1 verwendet (nähere Angaben zur Schaltung bitte bei Akku1 nachlesen). Nur das in diesem Fall ein 3A-Schalter den Akku abschaltet und eine Feinsicherung von 4A den Schalter vor zu hohen Strömen schützt.

Bild3: Lastabschaltung

4. Ladeschaltung

Bild4: Ladeschaltung 4.2V

Platine

Bild5: Schaltung auf Lochrasterleiterplatte

Die Ladeschaltung ist auf 4.2V ausgelegt, d.h. der Akkupack muß vorher parallel geschaltet werden. Der Widerstand R1 mit 240 Ohm ist gemäß Datenblatt vorgegeben. Der Widerstand R2 berechnet sich wie folgt:

V_out = 1.25 * ( 1 + R2/R1 )

Wem es zu viel Mühe macht die Formel umzustellen bzw. sich die Tipperei im Taschenrechner ersparen will kann das unten stehende Java-Applet nutzen um R2 oder V_out auszurechenen (das Programm arbeitet in beide Richtungen!). Die Diode 1N5820 (3A/20V) soll den LM317 vor schädlichen Rückwärtsströmen schützen, denn im Normalbetrieb liegen 12V am Ausgang des LM317. Die Diode hat noch einen zusätzlichen Vorteil:
Man kann die Ladebuchse im Normalbetrieb auch als Ausgangsbuchse nutzen, nur das die Ausgangsspannung um 0.4 Volt reduziert ist, durch den Spannungsabfall über der Diode.

Java-Applet zur Berechnung der Ausgangsspannung:
Java nicht aktiv! Anzeige nicht möglich!

5. Spannungsregler

Um einen größeren Regelbereich zu haben und auch optisch ohne große Skalenbeschriftung die gewünschte Spannung einstellbar zu machen, entschied ich mich den Spannungsregler auf eine Ausgangspannung zwischen 3 und 9 Volt zu begrenzen. Die Schaltung wurde mit R2 so berechnet, das sich am Linksanschlag eine Spannung von 3 Volt einstellt und die Parallelschaltung von R3 und R4 läßt bei Rechtsanschlag eine maximale Spannung von 9 Volt zu. Für diese Schaltung habe ich den etwas teureren Linearregler LT1086CT von "Linear Technology" verwendet. Er ist ein LowDrop-Regler der max. 1.5 A erlaubt, Preis ca. 5.50 Euro. Er kann aber bedenkenlos gegen einen billigeren, pin- und Strom-kompatibelen LM317T ersetzt werden (Preis ca. 1 Euro). Die Widerstandswerte können dabei beibehalten werden.

Download der Datenblätter

Einblicke

Die Frontplatine ...