LiIon-Lader/Entlader

In nahezu jedem Haushalt liegt in irgend einer Ecke ein vormals gern benutzter, jetzt wegen defektem Akku verschmähter Akku-Tischstaubsauger herum, der möglicher Weise sogar schon mal durch beherzten Einbau von neuen Akkus reanimiert, dann aber am mitgelieferten Billigst-Ladegerät doch nur wieder “totgekocht” wurde.

In diesem Zustand sind die normaler Weise verbauten NiCd- oder NiMh-Akkus weit entfernt von ihrer vormaligen Leistungsfähigkeit, der Sauger muss permanent im Ladegerät verbleiben, damit überhaupt etwas geht.


Ich habe ebenfalls so eine Ecke und ich dachte, ich rüste so einen in die Tage gekommenen Krümeljäger einfach mal auf LiIon-Technologie um. Von der ist man ja gewohnt, dass so gut wie keine Selbstentladung auftritt, mithin der Sauger also immer einsatzbereit auf Brotkrumen lauert, auch wenn er längere Zeit nicht geladen wurde.

Nun hört man so das Eine oder Andere über die Lithium basierten Akkutechnologien, unter Anderem auch Explosions- oder zumindest Brandgefahr bei unsachgemäßer Handhabung beim Laden und Entladen.

Glücklicher Weise haben sich die Hersteller von integrierten Schaltkreisen dieser Problematik angenommen und es existieren ungezählte Lösungen zumindest für das Laden der LiIon- oder LiPo-Akkus.

Eine solche Lösung ist der LTC4054 von Linear Technology Corporation. Er enthält in einem fünfpoligen SMD-Gehäuse alle für das Laden einer einzelnen LiIon-Zelle notwendigen Schaltkreise inklusive umfangreicher Schutzschaltungen und dem Leistungsteil für die Steuerung des Ladestroms und der Ladespannung.

Ich habe also eine kleine Platine entworfen, die diesem IC als Herzstück ein Zuhause gibt, um das Ergebnis in meinen betagten Tischsauger zu implantieren.

In Realität wird der Baustein ziemlich nahe an diese Darstellung kommen

LiIon Lader V1, Top

Die vielen Durchkontaktierungen dienen der thermischen Anbindung der Unterseite der Platine an das IC um die entstehende Wärme besser auf die zur Verfügung stehende (winzige) Fläche zu verteilen. Prinzipiell ist das Layout einseitig, die Unterseite dient nur der besseren Wärmeabfuhr.

LiIon Lader V1, Bottom

Das Schaltbild ist recht übersichtlich

LiIon Lader V1, Schaltbild

Die gelbe LED signalisiert den Ladevorgang, sie erlischt, sobald der Akku voll geladen ist.
VCC kann z.B. mit einem preiswerten USB-Steckernetzteil verfügbar gemacht werden, andere Spannungsquellen mit 5 V Gleichspannung sind ebenfalls geeignet. Im Zweifelsfall kann der Akkusauger sogar an einem normalen USB-Port eines Computers geladen werden. Wenn das nicht universell ist, was dann? ;-)

Die Designunterlagen im EAGLE-Format V5.2 stehen hier zum Download zur Verfügung.

Die Schaltung wurde im Griff des Saugers eingebaut, wobei ich mir die Befestigung recht einfach gemacht habe. Die gelbe 3 mm-LED wird in ein passend gebohrtes Loch gesteckt und mit Sekundenkleber befestigt, die kleine Platine hängt einfach an den langen Anschlussbeinchen der LED und den Anschlussdrähten im freien Raum.

Ladeschaltung im Griff


Überwachung der Abschaltung

Bei Lithium basierten Akkus gibt es einen weiteren Punkt der Beachtung erfordert. Der Entladevorgang muss bei einer definierten Spannung beendet werden, weil der Akku sonst irreparablen Schaden davon trägt.
Die von NiMh- und NiCd-Zellen bekannte Regel, dass eine einzelne Zelle durch Tiefentladung nicht beschädigt werden kann, gilt hier also nicht.

Beim Betrieb des Akkusaugers muss demnach darauf geachtet werden, rechtzeitig Schluss zu machen.

Hier lassen wir uns wieder durch eine kleine Schaltung unterstützen, für die ich ebenfalls eine Platine entworfen habe.

Der aufmerksame Leser meiner Homepage wird sofort die Ähnlichkeit dieser Schaltung zu dem Akku-Entlader für NiCd-Akkupacks erkennen ;-)

LiIon_Stop V1, Schaltbild- Click für volle Auflösung
 

Diesmal habe ich auch eine Platine spendiert

LiIon_Stop V1, Platine - Click für volle Auflösung

Auch hierfür gibt es die Eagle-Designunterlagen, diesmal mit EAGLE V4.13 erstellt (lässt sich mit EAGLE V5.2 öffnen).

Beim gedachten Einsatz im Akkusauger wird der Eingang der Schaltung mittels des vorhandenen Schalters am Staubsauger mit Spannung versorgt. Ist die Eingangsspannung hoch genug, schaltet der Komparator über den Transistor T1 das Reedrelais ein das dann den Motor einschaltet. Sinkt die Eingangsspannung - hier die Akkuspannung - im laufenden Betrieb, wird früher oder später der Abschaltwert erreicht, der mit dem Poti R4 bzw. nach experimenteller Festlegung der Schwelle, mit den beiden Widerständen R5 und R6 definiert ist. In diesem Fall sperrt der Transistor, das Relais fällt ab und der Motor bleibt stehen.

Durch wiederholtes Einschalten wird man den Motor noch das eine oder andere Mal überreden können, erneut anzulaufen, da die Schaltung sich nicht merkt, dass sie schon mal angesprochen hatte, das sollte man aber im Interesse eines langen Akkulebens vermeiden. Der Akku muss jetzt zuerst wieder geladen werden.


Nachtrag

Der erste Praxistest hat ergeben, dass das vorgesehene Reedrelais vollkommen ungeeignet ist, einen solchen Tischstaubsauger zu befeuern. Messungen haben gezeigt, dass der Motor zwischen 12 und 16 A zieht, es ist also eine echte Aufgabe, ein Relais zu finden, das diesen Strom tragen kann und dessen Erregerstrom dennoch klein genug ist, um von dem vorgesehenen Treibertransistor angesteuert zu werden.

Ich werde an dieser Stelle weitere Möglichkeiten untersuchen.

Weiter ist die Verdrahtung im Staubsauger nicht trivial.
Hohe Ströme haben wir ja schon erkannt. Jetzt zeigt sich, dass die Spannungsmessung für die Abschaltung nicht an einer beliebigen Stelle des Plus-Strangs (z.B. am Motor) sondern direkt am Akku erfolgen muss. Außerdem muss darauf geachtet werden, dass der Motorstrom nicht über das Kabel fließt, über das die Spannungsmessung erfolgt.

Beachtet man diese Regeln nicht, wird man mit wildem Geklapper des Relais belohnt, da die Spannung am Motor durch den hohen Strom sofort zusammenbricht und zum Abschalten führt, worauf hin die Spannung wieder hoch genug wird, das Relais anziehen zu lassen, usw...

So also nicht.


Modifikationen

Um die oben beschriebenen Nachteile der ursprünglichen Schaltung zu eliminieren habe ich einige Änderungen einfließen lassen, die durch geschicktes Arrangement auf der bereits existierenden Platine Platz finden.

Das Reedrelais ist rausgeflogen, da es ohnehin nicht geeignet ist, den Motorstrom zu schalten. In den jetzt freien Löchern finden zwei Dioden und ein Elko Platz. Ein Loch musste zusätzlich in der Massefläche links des M-Anschlusses gebohrt werden, hier kontaktiert der Minus-Anschluss des Elkos.

Die Leiterbahn zwischen E und roter 1 wurde zwischen den beiden Reedrelais-Anschlüssen aufgetrennt, in die die erste Diode eingesetzt wurde. Sie trennt den neuen Kondensator und den Rest der Schaltung vom Schalter und damit von den Störungen des Motors. Die zweite Diode ist die Freilaufdiode für die Relaisspule. Sie wurde notwendig, da das Reedrelais wegfiel, das eine Freilaufdiode eingebaut hatte.
(Die Bezeichnungen E, 1, M im Text oben beziehen sich auf das weiter oben gezeigte Platinenlayout).

Die beschriebenen Maßnahmen sind auf den beiden nachfolgenden Fotos gut zu erkennen:

LiIon-Stop Platine nach Änderungen von unten

Die beiden im oberen Bild sichtbaren Drähte führen zur Erregerspule des Relais. Die Auftrennung der oberen Leiterbahn ist gut zu erkennen, der linke Teil ist mit dem darunter liegenden Lötauge verbunden. Die Verbindung vom Kollektor des Transistors ist mit einer Drahtbrücke auf der Oberseite der Platine realisiert (auf dem nächsten Foto links neben dem Kondensator zu erkennen).

LiIon-Stop Platine  nach Änderungen von oben

Die beiden in diesem Bild sichtbaren Drähte führen Masse und geschaltetes Plus an die Schaltung. Der rechte Anschluss des Kondensators steckt in dem oben beschriebenen Loch in der Massefläche.

Da in der geänderten Schaltung die Flussspannung der Diode von der Akkuspannung abgezogen werden muss, muss der Schaltpunkt des Komparators neu eingestellt werden. Ich habe dazu den Motor von der Schaltung getrennt (um Störungen zu verhindern) und ein einstellbares Netzgerät anstelle des Akkus angeschlossen.
Mit dem Poti wird der Abschaltpunkt auf 3,2 V am Eingang der Schaltung eingestellt. Zur Kontrolle wird die Spannung - gegebenenfalls mehrfach - anschließend langsam von oben kommend an diesen Punkt heran gefahren und die Spannung dabei gemessen. Das Relais sollte zuverlässig abfallen, wenn die Schaltschwelle erreicht ist.

Ich bin mir der Tatsache bewusst, dass diese Abschaltspannung ziemlich niedrig gewählt ist, aber bei dem verwendeten Akku (eine Einzelzelle “LITHIUM ION MANGAN 18650 V1” von Conrad, wie sie in Akku -Werkzeugen üblich ist) bricht die Spannung im Betrieb bereits auf etwa  3,4 V zusammen, eine “gesunde” Entladeschlussspannung von 3,6 V ist also illusorisch.
Da im Datenblatt des verwendeten Akkus die Entladekurven aber bis unter 3,0 V reichen, gehe ich davon aus, dass mein Akku zumindest nicht direkt kaputt geht, wenn ich den Betrieb bei 3,2 V beende.

Um ohne viel Trennen und Verbinden die neue Schaltung nachbauen zu können, habe ich die Version 1.2 der Schaltung aufgelegt, die zum Download (als EAGLE .brd- und .sch-Datei ) zur Verfügung steht. Diese Version ist mit EAGLE V5.2 erstellt.

Einen praktischen Test der neuen Schaltung habe ich mir erspart, wer einen Nachbau erfolgreich zum Fliegen bekommt, darf mir gerne Feedback geben. Das gilt natürlich genauso für einen potentiellen Misserfolg ;-)

Die restliche Verdrahtung im Staubsauger wurde ebenfalls wie oben beschrieben modifiziert.
Alle Masseverbindungen gehen jetzt sternförmig vom Minus-Anschluss des Akkus aus, der Schalter schaltet nur noch die Versorgungsspannung der Abschaltplatine, der Motorstrom geht vom Akku direkt über das Relais zum Motor, Lastkreis und Steuerkreis sind also klassisch getrennt, wie das von Anfang an hätte sein müssen :-)

Achtung!
Dieser Umbau kann nur bei Akkustaubsaugern durchgeführt werden, die original mit 3 NiCd- oder NiMh-Zellen befeuert werden. Sind im Original mehr Zellen eingebaut, was im Interesse eines kleineren Motorstroms bei gleicher Leistung durchaus wünschenswert ist, dürfte die Spannung der einzelnen LiIon-Zelle nicht ausreichen.


Bleibt noch zu erwähnen, dass der Tischstaubsauger nach diesen Modifikationen saugt als gäbe es kein Morgen mehr. Ich überlege ernsthaft, eine Pulsweiten modulierte Leistungsregulierung einzubauen, denn der Sauger mit Nachbrenner frisst jetzt durchaus auch mal die Tischmitteldecke, wenn man nicht aufpasst... na ja, zumindest versucht er, sie einzusaugen ;-)


 

 

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