Ladegerät für Bleiakku mit PWM-ansteuerung

[Mandi Nice]

Hallöchen

Ich plane zur Zeit ein Ladegerät für Bleiakkus.
Der Ladestrom sollte bei ca. 20A liegen.
Das Ladegerät wird mit 24VDC versorgt.

Ich habe im Forum die beiliegende Schaltung gefunden. ( Stepdown-Wandler ) Diese möchte ich erweitern.

Die Schaltung wird rein in SMD aufgebaut. Für den nötigen Strom bräuchte ich eine sehr große Spule.

Brauche ich die Spule unbedingt oder reicht es den Ladestrom über das PWM-Signal pulsweise einzuschalten.

Danke für Eure Hilfe.

hmg
Mandi

[Kampi]

Wenn du die Schaltung als Step-down Wandler benutzen willst brauchst du die Spule, weil der Wandler sonst nicht wandelt. In dieser Schaltung wird die PWM dazu benutzt um die Ausgangsspannung zu regeln. So ein Step-down Wandler erzeugt je nach Tastverhältnis mit dem der Schalter geschaltet wird (hier der FET) eine unterschiedlich hohe Ausgangsspannung. Wenn du die Spule nun weglässt würde die SPannungsversorgung jedesmal wenn der FET sperrt zusammenbrechen und das unterschiedlich schnell je nachdem wie groß der Kondensator ist.

[Mandi Nice]

Hallöchen

Danke für die rasche Antwort.

Wenn der Fet ausgeschaltet hat, bricht die Spannung ohne der Spule schnell zusammen, da ja die Spule als speicherndes Element arbeitet.

Da ich aber einen Akku laden möchte, der ja selbst als speicherndes Element arbeitet brauche ich die Spule meiner Meinung nach nicht unbedingt.

Ich möchte mit den Pulse des PWM-Signales ja nur den Ladestrom regeln.

Oder leige ich da falsch ?

hmg
Mandi

[Razzorhead]

20A ladestrom? Wie groß ist denn der akku? o.O

Raz

[Mandi Nice]

3 Stk zu je 60Ah

Und ich lade mit C/10 bis kurz vor erreichen Ladeschlussspannung

hmg
Mandi

[Razzorhead]

Achso, hat mich gewundert dachte das ist für ein Akku und das wäre ne menge gewesen ;)
Aber dann ist ja alles ok ^^

[Jakob L.]

Zur Dimensionierung der Spule kann ich dir die folgende Seite empfehlen:
http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/abw_smps.html

Man muss dort nur ein paar Grunddaten zu dem Regler eingeben (Eingangsspannung, Ausgangsspannung, PWM Frequenz). Dann wird die nötige Induktivität der Spule berechnet und man kann sich gleich Vorschläge für den Kern und die nötige Windungszahl etc. machen lassen. Dabei würde ich eher einen etwas grösseren Kern nehmen, damit man nicht zu eng wickeln muss und noch etwas Reserven hat, bevor der Kern in die Sättigung geht.

Die Kerne kann man dann z.B. bei http://www.spulen.com/ kaufen und die nötige Spule selbst wickeln. Statt einem unflexiblen, dicken Draht kann man auch mehrere dünnere Drähte nehmen.

Welchen Schaltregler IC willst du verwenden? Der Schaltplan enthält ja nur einen PWM Eingang. Für die endgültige Schaltung ist natürlcih auch wichtig, welcher Regler da verwendet wird. Eventuell muss man in den Leistungsteil noch einen Shunt einbauen.

Bei der Leistung wäre auch zu Überlegen, ob man nicht aufgrund der höheren Effizienz (niedrigerer RDS_ON) einen N-Kanal Mosfet mit High-Side Treiber nehmen sollte.

Welchen Zweck soll die Diode D2 in der Schaltung erfüllen? Normalerweise braucht man für einen Abwärts Schaltregler nur eine Diode (D1).

Falls das dein erstes Projekt in dieser Richtung ist, dann würde ich dir empfehlen, erst einmal mit einem kleineren Schaltregler Erfahrungen zu sammeln. Ein Schaltregler für 250 Watt ist nicht ganz trivial und man kann dabei sehr viel falsch machen (z.B. schlechtes Layout, falsche Auswahl/Dimensionierung von Teilen, Kühlung, schwingende Regelung, Probleme im Teillastbereich bei nicht kontinuierlichem Stromfluss, EMV, ...).

[Mandi Nice]

Hallöchen

Danke für die Hilfestellung.

Ich bin noch kein Profi. Habe aber erst vor kurzem einen Spannungsinverter für 12V 8A gebaut und der lief ganz brauchbar.

Aber leider beantwortet das nicht meine Frage.
Daher habe ich die Schaltung so abgeändert wie ich es meine.

Ich möchte keinen Spannungsregler bauen sondern einen Stromregler !!
Brauche ich unbedingt die Spule L1 wie im Schaltplan siehe ganz oben ??

Ich würde auf jedenfall N-Kanal-Fet verwenden.
Den Stromregler eventuell mehrphasig aufbauen.
Und zur Ansteuerung des FET würde ich auch einen Treiberbaustein und nicht eine Transistorschaltung verwenden.

hmg
Mandi

[Jakob L.]

Die Spule ist auf jeden Fall notwendig. Ohne die Spule wird der Strom nur durch den Innenwiderstand von Eingangsspannung, Mosfet und Akku begrenzt und kann schnell sehr hoch werden. Die Spannungsdifferenz zwischen den 24V am Eingang und der Akkuspannung wird ohne die Spule nur unnötig verheizt. Mit der Spule wird diese Energie bei eingeschaltetem Mosfet in der Spule zwischengespeichert. Bei ausgeschaltetem Mosfet wird die Energie aus der Spule an den Akku abgegeben und sorgt dafür, dass der Ausgangsstrom relativ kontinuierlich fliesst.

Bei Bleiakkus verwendet man normalerweise das I-U Ladeverfahren, d.h. man läd den Akku mit konstantem Strom, bis die Ladeschlussspannung erreicht ist und schaltet dann auf konstante Spannung um.

[workwind]

Die Spule ist auf jeden Fall notwendig! Die überflüssige Spannung soll ja gerade nicht am Innenwiderstand des Akkus in Wärme umgewandelt werden, sondern sie soll in der Spule zum Aufbau eines Magnetfeldes verwendet werden und anschließend, wenn der FET abgeschaltet ist den Ladestrom weiterfließen lassen! Anderenfalls wären bei einer Versorgungsspannung von 24 V und einer Akkuspannung von 12 V die ohmschen Verluste genau so groß wie die Nutzenergie (12V Zelle + 12V Innewiderstand), bei 20 A sind das 240W Wärme!!!

[oberallgeier]

Dies lesen http://oberallgeier.ob.funpic.de/spule.gif (klick Bild) (http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0207221.htm) oder dies hier http://oberallgeier.ob.funpic.de/spule.gif (http://www.elektroniktutor.de/bauteile/spule.html) aber besondes inform- und dekor- ativ http://oberallgeier.ob.funpic.de/spule.gif (http://www.elektroniktutor.de/analog/l_gleich.html)

[PICture]

Hallo!

Ich habe früher mit Schaltregler ohne Spule experimentiert. Zum Steuerung des Schalters (Transistor) habe ich einen Komperator mit Hysterese verwendet, was einer PWM mit variabler Frequqnz erzeugt. Wenn man pulsierten Strom zulässt, ist die Spule nicht notwendig und nach Prinzip von Ladegerät_2.JPG gebauter Laderegler sollte schon gut funktionieren.

Ich habe auch vor zig Jahren ein Ladegerät für Autobaterrie mit stabilisierten pulsierten Ladestrom (Mittelwert war einstellbar und stabilisiert) mit Thyristoren als Schalter gebaut. Es war aber schon so lange her, dass ich mir die Einzelheiten nicht erinnern kann.

MfG

[Kampi]

Kann man Bleiakkus überhaupt mit einem gepulsten Strom laden oder braucht man dafür einen Konstantatrom? Kenn mich da nicht so aus......

[workwind]

@PICture: [-X Nur das der Akku dabei zu einer kleinen Herdplatte mit 240 W wird....

[PICture]

Die im Akku erzeugte Wärme ist nur von Effektivwert des Stroms und inneren Widerstand des Akkus und nicht von Form des Stroms abhängig. Bei gepulstem Strom vibrieren die Platen, was oft zur Regeneration des geschweifelten Bleiakkus (mit "normalen" flüssigen Elektrolyt) genutzt wird. Bei gepulsten Strom könnte wegen Wärmeentwicklung nicht immer gewünschter mittlerer Ladestrom erreich werden.

MfG

[oberallgeier]

... Herdplatte mit 240 W ...Nennt sich das dann Mehrfachnutzen ? ? ?

[Kampi]

... Herdplatte mit 240 W ...Nennt sich das dann Mehrfachnutzen ? ? ?

Denke schon.......
Wenn man das im Winter macht spart man vielleicht Heizkosten O:)

@PICture
Wäre es dann nicht besser wenn man einen Konstantstrom nimmt wo man sicher sein kann das der Ladestrom erreicht wird?

[PICture]

@ oberallgeier

Theoretisch "regeneriert" ein gepulster Strom den geladenen Akku, wie es sich fachmänisch nennt, weiß ich leider nicht. O:)

@ Kampi

Natürlich ! :)

Bei gepulsten Ladestrom muss man praktisch oft wegen Wärmeentwicklung den max. Strom begrenzen und den theoretisch möglichen gewünschten Mittelwert nicht erreichen kann, weil der Elektrolyt dann "kochen" wird. Das ist ein deutliches Beispiel für Unterschied zwischen Theorie und Praxis. :)

MfG

[workwind]

Bei einem Innewiderstand von 100 mOhm (60A Autobatterie) ergibt sich während eines Pulses ein Strom von (24V-12V)/0.1Ohm = 120A, bei 3 Batterien sind das 360 Ampere. Um einen mittleren Strom von 20 Ampere zu erreichen muss der FET 1/18 der Zeit geschaltet sein. ABER: Das Netzteil muss Pulse von 360 A liefern können, und wohin soll man mit den 240 W Wärmeleistung??? Der 360A Puls bei 24Volt hat übrigens 8,6 kW!

Gepulstes Laden heisst ja nicht Spannungspulse sondern definierte Strompulse....

[avion23]

Man möchte zwar nicht direkt glatten Konstantstrom, aber auch keine PWM. Bei zu hoher Spannung fangen die Zellen an zu gasen, 24V sind definitiv zu hohe Spannung.

Informier dich erstmal wie ein Stepdown wandler funktioniert. Danach:
- mit nfet gegen Minus schalten, damit highside treiber vermeiden.
- Plus durchschleifen.
- Freilaufdiode dementsprechend anders anordnen.
- Treiber: ~10V für den Fet, 10Ω davor. Pegelwandler, emitterfolger gegen Masse und 10V.
- Spule: Schwarze Magie. Eine Woche googlen, dann hast du's. Frequenz würde ich nicht über 100kHz wählen.

20A * 12V würde ich übrigens nicht machen. Dan lohnt es sich direkt aus den 230V seine Spannung zu generieren.

[PICture]

Genau ! :)

Für meine fast immer gleiche Autobatterie (um 45 Ah) habe ich jahrelang die Festspannungmethode verwendet (gekauften kurzschlussfesten Spannungsregler mit 13.8 V und Strombegrenzung 8 A). Die PWM finde ich nur für ständig wechselnde Bleiakkus notwendig, sonst wäre es für mich unnötig kompliziert.

Für gewünschte 20A würde ich z.B. drei Netzteile mit innerer Strombegrenzung 8 A paralell schalten (eventuelle Ausgleichströme durch Spannungsabgleich eliminieren). Wenn möglich, würde ich jeden Akku einzeln laden, dann gibt es sicher keine Ausgleichströme.

Falls nur 24 V DC und kein Netzanschluß vorhanden ist, dann kann man es leider nicht machen. :(

@ workwind

Ich komme mit 360 A und 24 V über 1/18 der Periode auf nur knapp 173 W (Mittelwert), wie hast du über 8 kW ausgerechnet, ich kriege fur Spitzenwert nur ca. 3 kW ? ;)

MfG

[belgum]

@PICture

Ich wär' sehr an Einzelheiten zu Deinem erwähnten Lade-Schalt-Regler ohne Spulen interessiert. Und zwar möchte ich einen einfach nachbaubaren Laderegler für die ungeregelte Lichtmaschine (Permanentmagnetgenerator) eines Motorrades bauen. Die wirft je nach Drehzahl Drehstrom zwischen 14 und etwa 170 Vac bei 32A raus, was für Linearregler und integrierte Schaltregler viel zu viel ist um daraus 13-14 Vdc zu machen.

Der Bordnetzregler der aktuell verbaut ist, "regelt" durch KURZSCHLUSS der Lichtmaschine (!) mittels Thyristoren, die per Zenerdiode gezündet werden. Unfassbar, aber hier gut beschrieben: http://www.wbcnet.de/tips/limas.html . Wie zu erwarten, hält das weder der Regler noch die Lichtmaschine lange aus und beide gehen regelmäßig kaputt
(siehe viele Threads in http://www.cbr1000rr.de/fireblade_forum/board.php?boardid=3 ).

Am Bau von Schaltreglern MIT Induktivitäten bin ich schon gescheitert. Ohne Oszi hat man bei der Fehlersuche keine Chance. Und es darf auch nichts abzugleichen sein. Ich habe eine Schaltung mit MOSFET ohne Spulen in einer alten ELRAD (12'87) gefunden (kann ich wegen Copyright aber erst posten wenn ich sie abgezeichnet habe). Der darin als Komparator verwendete TAA861 ist mittlerweile teuer und schlecht zu bekommen. Auch sonst müsste ich die Schaltung ziemlich anpassen, was bei meinem fundierten Halbwissen wahrscheinlich zu einer Katastrophe führt.
Insofern käme mir eine erprobte Schaltung mit aktuellen Bauteilen sehr zu Hilfe.

Tschö, Gum

[PICture]

Hallo belgum!

Ich freue mich natürlich wegen deiner Interresse an solchen Schaltungen, kann ich dir aber leider nichts fertiges anbieten, da ich mich damit vor zig Jahren beschäftigt habe und Schaltpläne nur in meinem Kopf "sammle". Deswegen habe ich zum Glück nicht zu viele dabei ... :)

Wenn du jedoch sowas bauen willst, bin ich bereit dir bei Anpassung/Entwicklung zu helfen. Es scheint aber bei deinen Spannungen und Strömen nicht einfach zu sein.

Ich habe mich mit Ladeschaltungen wenig beschäftigt, denke aber, dass dort nur Strom geregelt werden soll und die Schaltung eine gepulste Konstanststromquelle (KSQ) darstellen müsste.

Die Lösung mit Kurzschliessen der Lichtmaschine ist für mich die schlechtmöglichste. Mir scheint eine Schaltung mit zuschaltbarem per Komperator der Akkuspannung "dummy" Last (z.B. eine Glühbirne) und gepulster KSQ als besser zu sein.

Vielleicht reicht es bei deiner bisheriger Schaltung nur den Kurzschlussstrom mit einem Lastwiderstand zu begrenzen. Das kann ich aber leider ohne Schaltplan nicht beurteilen.

Zum Verständnis habe ich ein Blokdiagram eines Spanungsreglers mit quasi-PWM (variable Frequenz) im Code skizziert, wobei Uh die Histerese vom Komperator (K) ist. Je kleiner die Hysterese, um so höher die Schaltfrequenz ist. Die Eingangsspannung Ui muss selbstverständlich grösser als die Ausgangspannung Uo sein. Damit lässt sich also nur step-down Regler realisieren.

MfG


RS S
___ _/
+-|___|-o/ o-------------+---+------------> Uo = Ur +/- Uh
| A | |+ A
/+\ | | === |
(Ui ) RH2 | /-\ C | Uo
\-/ | ___ | | |
| +-|___|-+ | === ===
=== | | | GND GND
GND | VCC | |
| + | RH1 |
| |/| | ___ |
| /+|-+-|___|-+
+--< K|
\-|-+
|\| |
=== /+\
GND(Ur )
\-/
|
===
GND

(created by AACircuit v1.28.6 beta 04/19/05 www.tech-chat.de)

[belgum]

So! Sorry, daß es so lange gedauert hat, aber dieses EAGLE... Kaum vorstellbar, daß jemand mit sowas produktiv arbeiten kann. Aber immerhin für so kleine Sachen kostenlos benutzbar. Hoffentlich sind keine Fehler mehr drin (in der Zeichnung).

Oben links gehen die ungesiebten 14-170 Vdc von der Lichtmaschine aus einem Drehstrom-Brückengleichrichter rein. Rechts gehts zum Bordnetz des Moppeds und dem Bleiakku raus. Unten ist gemeinsame Masse.

http://img696.imageshack.us/img696/7532/54662996.png (http://img696.imageshack.us/i/54662996.png/)

Prinzipiell habe ich wenig Bedenken, daß die Schaltung als Bordspannungsregler brauchbar ist. Aber sie soll von anderen im Moppedforum nachgebaut werden können.
Größtes Problem sind die verwendeten Halbleiter, die kaum noch zu kriegen sind.

- Vom TAA861 gibts wohl einen DDR-Clone namens B861, und den hat angeblich jemand durch einen LM358 ersetzen können, erklärt das aber nicht genauer. Ich bin leider völlig außerstande zu beurteilen, ob er in diesem Schaltregler ebenfalls als Ersatz funktioniert. Ich hab ihn hier schon mal eingezeichnet weil EAGLE ohnehin keine 6-beinigen OPs mehr zur Auswahl hatte.

- Der BUZ32 verträgt für den Anwendungsfall zu wenig Strom und zu wenig Spannung. Den wollte ich entweder durch 3 bis 5 parallel geschaltete IRFP460 oder einen einzelnen IXFK 64N50P (500V 64A, gibts bei Reichelt für knapp über 10,- EUR) ersetzen. Ist das okay oder gibts besser passende Teile?

- Der BF422 ist noch zu kriegen. Muß da an den umliegenden Widerständen was verändert werden wenn man den MOSFET und den OPAMP austauscht? Wie siehts mit der Spannungsfestigkeit aus?!

- C2 ist der Puffer. Der ist ursprünglich für die max. 9 Ampere des BUZ32 dimensioniert. Wie groß sollte bzw. darf man den machen für 32 Ampere? Soll/darf daneben noch ein kleinerer induktionsarmer Kondensator um die Spikes besser zu glätten?

- Mit welcher Art von Drossel, die NICHT ALS ENERGIESPEICHER FUNKTIONIEREN SOLL/DARF, kann man am Ausgang die Spikes glätten? Brauche ich da eine ganz normale Ringkerndrossel oder eine "stromkompensierte" ?! Wo käme die genau hin, VOR oder HINTER C2 ?

Naja, schaut mal drüber und sagt was dazu.

Tschö, Gum

[Mandi Nice]

Hallöchen

Danke Euch für die rege Diskussion.

Ich werde die Akkus nun einzeln laden.
Brauche nun aber eine Up- und Downwandler und habe dafür einen neuen Threat angefangen :

https://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=55566

hmg
Mandi

[hardware.bas]

Wäre dann reine PWM als Akkuladestrom eine gute Alternative, wenn man alles FÜR und WIDER abwägt? Das würde mich auch interessieren und wäre elektronisch gesehen eigentlich ideal! Da ich ich jedoch von Elektrochemie und Akkumechanik keine Ahnung habe, überlasse ich diese Bewertung einem Akkuspezialisten. VG Micha