TRXCharger

TRXCharger - Reflexlader für NiCd und NiMH Akkus

*** Nachbau der Hardware und Nutzung der Software für nichtkommerzielle Zwecke erlaubt ***

Haftungsausschluss

1. Jeder verwendet die zur Verfügung gestellten Informationen auf eigene Verantwortung.
2. Ich hafte in keinster Weise für Schäden, welche durch die Schaltungen oder durch sonstige Informationen von meiner Seite entstehen.
3. Ich übernehme keine Funktionsgarantie und garantiere nicht für Fehlerfreiheit.
4. Die angegebenen Schaltungen dürfen nur von einem Fachmann in Betrieb genommen werden welcher über die notwendigen Kenntnisse der Elektronik verfügt und die entsprechenden Sicherheitsvorschriften kennt.
   
   

Beschreibung:

TRXCharger ist ein kleines aber sehr leistungsfähiges Ladegerät für Nickel-Cadmium und Nickel-Metallhydrid Akkus. Es wurde entwickelt um mit hohen Strömen nach dem Reflexladeverfahren selbst einzelne Akku-Zellen mit gutem Wirkungsgrad laden zu können. Der Ladestrom kann mittels Ein-Knopf-Bedienung in 15 Schritten vorgegeben werden (typisch: 300 mA, 600 mA, ... 4500 mA). Das Ladeende wird zuverlässig durch Prädiktion des Spannungsmaximums erkannt. Als Sicherheit wird zusätzlich noch eine "-dU" Erkennung und eine Zeitabschaltung verwendet. Zur Formierung neuer Akkus ist ein Normallade-Modus (C/10) mit Zeitabschaltung implementiert.
Im wesentlichen besteht die Schaltung aus dem kleinen Mikrocontroller ATTiny26 von Atmel, zwei Power-MOSFETs, einem 470 uF Elko und einer 100 uH Spule. Die Stromregelung sowie das Ladeverfahren sind per Software realisiert.
Im Schnelllade-Modus wird mit dem eingestellten Strom geladen. Um zuverlässig den optimalen Ladeschluß-Zeitpunkt zu erkennen, sollte der Strom nicht kleiner als C/2 gewählt sein (mit C ist der Strom in Ampere (A) bezeichnet, welcher nominell der angegebenen Akku-Kapazität in Ampere-Stunden (Ah) enspricht).
Der Ladestrom wird beim Ladestart langsam bis zum Sollstrom erhöht. Die Ladung erfolgt dabei in dem dargestellten Zyklus:

T_1 : Dauer eines Zyklus - ca. 1.02 s
T_2 : Laden mit Konstantstrom - ca. 1 s
T_3 : Pause zwischen Laden und Entladen - ca. 1 ms
T_4 : Pause zum Messen der Akkuspannung und z.B. Kommunikation mit PC - ca. 10 ms
T_5 : Dauer einer Entlade-Impuls-Rampe, abhängig von maximalem Entladestrom, verwendeter Induktivität und Akkuspannung - typisch 200 us

In der aktuellen Firmware wird der Akku mit drei aufeinanderfolgenden Entladeimpulsen mit dem 4-fachen Ladestrom als Spitzenwert beaufschlagt.

Leistungsmerkmale:

• Ladestrom bis ca. 6 A
• Einfacher und kleiner Aufbau (einseitige Platine: 75x50 mm); keine aktive Kühlung und keine Kühlkörper notwendig
• Reflexladen; dreifache Ladeschlußerkennung: Peak-prediction, -dU, max. 3h
• Softstart im Schnelllade-Modus
• Normalladen (Ladeschluß nach ca. 14 Stunden)
• Ein-Knopf-Bedienung
• 30 verschiedene Ladeströme wählbar ( 15 Schnellladeströme und 15 Normalladeströme)
• Monitoring von Spannung/Strom und Stop-Kriterium über serielle Schnittstelle möglich
• Testmodi zur Kalibrierung
  
  

Technische Daten:

• Betriebsspannung: 9 V .. 15 V
• Ladestrom: 0 .. 6 A
• Ladespannung: 0.5 V .. 8 V (bei 12 V Betriebsspannung, maximal 4 NiCd Zellen / 5 NiMH Zellen)
  

Die Betriebsspannungsquelle muß für den jeweiligen Ladevorgang genügend Leistung abgeben können. Mit einem 12 V / 1 A (=12 W) Steckernetzteil kann beispielsweise eine einzelne Akku-Zelle bei großzügig geschätzter Ladespannung von 2 V mit maximal 6 A geladen werden. Bei zwei Zellen sind dann hingegen nur noch 3 A möglich.

Bilder:

Spannungsverlauf während des Ladevorgangs einer Mignon Nickel-Cadmium-Zelle von Panasonic mit 1000 mAh nomineller Kapazität. Gemessen wurde mit dem internen 10 bit AD-Wandler bezüglich der internen Referenzspannung von ca. 2.56 V. Ein Meßwert wurde durch die Mittelung von 32 AD-Umsetzungen bestimmt. Deutlich sind die Quantisierungsstufen des AD-Wandlers erkennbar.

Spannungsverlauf während des Ladevorgangs einer Mignon Nickel-Metall-Hydrid-Zelle von Sanyo mit 2300 mAh nomineller Kapazität:

Schaltplan und Layout:

Zum Nachbau bitte die Schaltungen/Stückliste/Layouts aus dem aktuellen Projektordner verwenden, da die hier gezeigten Bilder eventuell ältere Versionen zeigen.
Hinweise und Verbersserungsvorschläge werden dankbar aufgenommen und eine Rückmeldung über den erfolgreichen Nachbau würden mich natürlich sehr freuen.

Stückliste:

Wichtige Hinweise zum Nachbau und Inbetriebnahme:

• Alle Leiterbahnen, die den Ladestrom führen, sollten durch einen zusätzlichen Kupferleiter verstärkt werden (siehe Bild).
  
  
  
• Die verwendete Spule darf bei dem eingestellten maximalen Lade-/Entladestrom nicht in die Sättigung gehen.
• Der Shuntwiderstand muss so dimensioniert sein, dass bei dem maximal möglichen Ladestrom höchstens 0.125 V abfallen. Beispielsweise 4 x Widerstandsdraht 15 mm mit 5 Ohm/m --> maximaler Ladestrom = 6.7 A.
• Nach dem vollständigen Bestücken sollte zuerst die Test-/Kalibrierungs-Firmware aufgespielt und die Fusebits - wie in der Dokumentation beschrieben - gesetzt werden.
• Nach dem Aufspielen der normalen Firmware müssen zwei Konstanten im EEPROM programmiert werden (siehe Gebrauchsanleitung):
  I_charge_factor (bestimmt die Ladestrom-Stufen), abhängig vom Shuntwiderstand
  T_discharge_factor (bestimmt den Reflex-Entladestrom), abhängig von der Spuleninduktivität und dem Spannungsteiler R13, R14.
  Die Korrekte Bestimmung dieser beiden Konstanten ist in der Gebrauchsanleitung beschrieben. Solange die Konstanten noch nicht programmiert sind, wird das Ladegerät nach dem Einschalten sofort in den Fehlerzustand wechseln (alle LED blinken schnell).
• Die Versorgungsspannung muß die mittlere Ladeleistung zur Verfügung stellen können und darf während dem Betrieb nicht unter die minimale Betriebsspannung sinken, da sonst der P-MOSFET nicht mehr richtig geschaltet werden kann und dadurch möglicherweise zerstört wird.
  Bei einem Ladestrom von ca. 2 Ampere werden die MOSFETs nur "handwarm". Sollte ein MOSFET sehr heiß werden, liegt ein Fehler im Aufbau vor.

Ausführliche Gebrauchsanleitung mit Beschreibung der Test-/Kalibrierungs-Firmware:

TRXcharger_Anleitung__0_0_2.pdf

Download: (Schaltplan , Firmware, Anleitung und Beispielprogramme für PC-Kommunikation)

Neues:

2005-November-07:
- Veröffentlichung von TRXCharger_1.1.4c_all, geringe Textänderungen an der HP, Bezeichnungen im Schaltplan berichtigt, kleine Änderungen in der Anleitung
- Veröffentlichung von TRXCharger_1.1.4c

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