PROBLEMSTELLUNG

LiPo-Zellen werden üblicherweise in Form von Packs verwendet. Dabei können LiPos in Reihe bzw. parallel geschaltet werden; ebenso ist die Kombination beider Verfahren möglich. Ein 2er Pack LiPo-Zellen in Reihe (2S) beispielsweise ergibt eine Nennspannung von 7.4 Volt und kann mit 8.4 Volt geladen werden.
Da in Reihenschaltungen durch alle Teilnehmer exakt der gleiche Strom fließt, werden beide Zellen gleichmäßig entladen bzw. geladen und haben somit auch zu jeder Zeit den gleichen Ladestatus. Soweit die Theorie.

In der Praxis sind LiPo-Zellen nie exakt gleich und driften daher langsam aber sicher auseinander. Dieses Auseinanderdriften macht sich durch verschiedene Leerlaufspannungen der einzelnen Zellen bemerkbar. Beim Laden des Packs kann es nun passieren, dass die vollste Zelle bereits ihre 4.2 Volt Ladeschlußspannung erreicht hat während die anderen Zellen noch unterhalb liegen. Das Laderät erkennt jedoch nur die Gesamtspannung und lädt folgerichtig weiter. Die bereits volle Zelle wird überladen. Ein Überladen von LiPo-Zellen muß unter allen Umständen verhindert werden, anderenfalls reichen die Folgen von der Schädigung der Zellen bis hin zur Explosion mit anschließendem Brand.

Die technische Lösung gegen Überladen von LiPo-Zellen ist recht einfach. Pro Zelle muß lediglich eine Elektronik angeschlossen werden, welche die Zellenspannung überwacht und auf 4.2 Volt begrenzt. Die Elektronik wandelt dabei überschüssigen Ladestrom in Wärme um. Ein solcher Spannungsbegrenzer wird als Balancer bezeichnet.

SCHALTUNGSBESCHREIBUNG

Die Schaltung besteht aus einem Regler, welcher die Eingansspannung (Istwert) mit dem Sollwert 4.2 Volt vergleicht. Wird der Sollwert überschritten greift der Regler mittels Leistungstransistor ein und begrenzt die Spannung auf den Sollwert.
Nun zu den Details.

Die Eingansspannung Vin gelangt über die Diode D3 in die Schaltung. Dadurch ist der Aufbau gegen Verpolen geschützt.

Im linken Teil des Schaltplans befindet sich ein LM-317. Dieser Spannungsregler wird als Referenzspannungsquelle benutzt und liefert an Pin2 eine geregelte Spannung von ca. 1.2 Volt. Diese 1.2 Volt gehen als Sollwert auf den Regler (LM-358, Pin 2).
Der LM-317 benötigt lt. Datenblatt einen Mindestlaststrom von ca. 10mA, daher der auf den ersten Blick sinnlos erscheinende R1.

Über den Spannungteiler R2/R3-R4 gelangt die Istspannung auf den Regler. Der Spannungsteiler ist so dimensioniert, das 4.2 Volt Akkuspannung 1.2 Volt am Reglereingang ergeben, also mit der Referenzspannung übereinstimmen.
Der eigentliche Regler, welcher auf die Abweichung von Ist und Soll reagieren muß, wurde mittels einer einfachen OP-Standardschaltung realisiert und besteht aus dem LM-358, C4 und R5. Es handelt sich dabei um einen sogenannten I-Regler. Herausragendes Merkmal dieses Reglertypes ist seine geringe Regelabweichung (fast 0).

Als letztes der Leistungsteil: Über R6 ist der Leistungstransistor T1 mit dem Reglerausgang verbunden. Aufgabe dieses Transistors ist die Ableitung des überschüssigen Ladestroms; er begrenzt die Akkuspannung auf den gewünschten Wert. C5 dient der Verlangsamung des Regelkreises und verhindert sein Schwingen.

Die Schaltung unterscheidet zwei Zustände: Der Balancer ist aktiv bzw. ist nicht aktiv.
Nachfolgend zwei Beispiele für die Arbeitsweise der Schaltung:

• Fall 1: Es liegen 4.15 Volt an, der Balancer ist nicht aktiv.
  Der Sollwert des Reglers beträgt 1.2 Volt, der Istwert am Regler liegt knapp unterhalb von 1.2 Volt. Die Spannung am (+) Eingang des LM-358 ist niedriger als die Spannung am (-) Eingang. Der Ausgang des LM-358 beträgt demzufolge 0 Volt und der Transistor bleibt gesperrt. Nichts passiert.

• Fall 2: Es liegen 4.21 Volt an, der Balancer ist aktiv.
  Der Sollwert des Reglers beträgt 1.2 Volt, der Istwert am Regler liegt knapp oberhalb von 1.2 Volt. Die Spannung am (+) Eingang des LM-358 ist höher als die Spannung am (-) Eingang. Der Ausgang des LM-358 beginnt demzufolge verzögert (C4!) Richtung maximaler Ausgangsspannung (ca. 3.5 Volt) zu laufen.
  Ab ca. 2 Volt Reglerausgangsspannung wird der Transistor leitend und beginnt mit der Begrenzung der Eingangsspannung Vin. Begrenzt er zuviel, läuft die Reglerspannung wieder Richtung 0 Volt. Nach dem sogenannten Einschwingvorgang (Nachteil des I-Reglers) ist der Sollwert gleich dem Istwert und die Einganspannung Vin ist exakt auf 4.2 Volt begrenzt.
  Kleinere Änderungen gleicht der Regler permanent ohne weitere Einschwingvorgänge aus.

Eine Status-LED wurde über einen weiteren OP realisiert. Der Balancer ist aktiv, sofern T1 leitend ist. Dazu muß der Reglerausgang aber deutlich über 1.2 Volt liegen. Diese Spannung wird zur Bedienung der Status-LED abgefragt. Bei mehr als 1.2 Volt am Reglerausgang betätigt der OP-Ausgang Pin7 über R8 eine LED.

AUFBAU

Wir empfehlen die Herstellung entsprechender Platinen. Sofern die von uns vorgeschlagenen Platinen vorliegen, ist der Aufbau nach Bestückungsplan vorzunehmen. Bis auf R3 können alle Bauteile in beliebiger Reihenfolge eingelötet werden.
Ob IC2 gesockelt oder eingelötet wird ist reine Geschmackssache. Tatsache ist jedoch, dass jede Steckverbindung eine potentielle Störquelle darstellt.

Beim Bestücken sollte sorgfältig vorgegangen werden, ein verkehrt eingelötetes Bauteil wieder auszulöten ist recht aufwendig. Bei fehlender Erfahrung kann die Platine dabei Schaden nehmen.
Ein Aufbau auf Lochraster ist problemlos möglich, ist aber aufwendiger und vor allem fehleranfälliger.

IN BETRIEBNAHME

Zur Inbetriebnahme wird ein Multimeter sowie ein regelbares Netzteil mit Strombegrenzung benötigt. Das Netzteil wir auf ca. 10 Volt eingestellt, die Strombegrenzung sollte bei ca. 250 mA liegen.

Die Schaltung kann jetzt an das Netzteil angeschlossen werden. Sollte die Netzteilspannung zusammenbrechen, liegt ein Bestückungsfehler/Kurzschluss vor. Der Ruhestrom der Schaltung in dieser Phase beträgt wenige mA und ist daher an den Netzteilinstrumenten (sofern vorhanden) nicht zu bemerken.

Jetzt wird das Multimeter (Meßbereich Spannung, 20 Volt) nahe der Platine an die Versorgungsspannung angeschlossen. Das Multimeter zeigt die Netzteilspannung an.
Nun muß durch Probieren der passende Wert für R3 ermittelt werden. Dazu einfach mit der Hand nacheinander die Werte 1k, 1k2, 1k5, 1k8, 2k2 an die entsprechende Stelle auf der Platine halten. Am Multimeter erscheint jeweils die Begrenzungsspannung des Balancer. Der Wert, welcher die beste Näherung an die gewünschte Spannung ergibt, kann anschließend eingelötet werden. Dabei ist folgendes zu beachten:

Die Ladeschlußspannungen der einzelnen Ladegerätehersteller differieren etwas. Orbit liegt bei 4,20 Volt/Zelle, Schulzegeräte liegen lt. den uns vorliegenden Informationen bei 4,25 Volt/Zelle (Siehe Schulze-Homepage). Damit das Ladegerät nicht zum Ladeschluß hin in die Balancer reinläd sollte die Balancerspannung ca. 10 - 20 mV über der Ladegerätespannung liegen.

Jetzt können einige Versuche unter Vollast gefahren werden. Dazu muß der Transistor allerdings über ein Kühlblech verfügen. Das Netzteil auf 0 Volt stellen, maximalen Strom wählen (max 4A!) und die Spannung langsam hochdrehen. Der Balancer muß bei der festgelegten Spannung schlagartig einsetzen.

An dieser Stelle noch ein Hinweis zur eigenen Sicherheit. Während der Inbetriebnahme ist der Einsatz eines Netzteils mit einstellbarer Strombegrenzung obligatorisch. Im Fehlerfalle fließen ansonsten Kurzschlußströme, welche die Schaltung in Sekundenbruchteilen zerstören.
Eine zu Testzwecken angeschlossene LiPo-Zelle könnte in Brand aufgehen. LiPo-Zellen dürfen erst dann angeschlossen werden, wenn die Schaltung am Netzteil einwandfrei funktioniert. Die ersten Ladevorgänge mit Balancer sollten nur unter Aufsicht mit parallel angeschlossenem Voltmeter durchgeführt werden.

KENNLINIE (LOGARITHMISCH !!)

PRAKTISCHER EINSATZ

Die Platinen lassen sich über die 4 Eckbohrungen bequem stapeln und so in ein Gehäuse einbauen. Da mehr als zwei Kabel mit dem Akkupack verbunden werden müssen, fällt die übliche Goldsteckerlösung aus. Es können Multiplexstecker bzw. SUB-D Stecker verwendet werden. Man sollte das Ladegerät mit dem Balancerpack verbinden und von dort aus über besagten Mehrpoolstecker auf ein passendes Ladekabel gehen. Fertigt man pro Packgrösse ein passendes Ladekabel an, ist ein fehlerfreier Umgang mit den Lipos garantiert.

STÜCKLISTE

Nachfolgend die für den Balancer benötigten Teile. Es handelt sich um Standardbauteile, welche in jedem gut sortierten Elektronikgeschäft zu bekommen sind.

Es ist ohne weiteres möglich, von unserer Liste abweichende Komponenten zu benutzen. Dann sollten allerdings gute Elektronikkentnisse vorhanden sein. Desweiteren sollten die Auswirkungen der durchgeführten Änderung mit entsprechenden Meßgeräten beurteilt werden.

PLATINE AUS "Der Modellflieger"

TIFF: 57,15 mm * 44,45 mm	TIFF: 57,15 mm * 44,45 mm

PLATINE VON akkuRAT

TIFF: 47,14 mm * 35,69 mm	TIFF: 47,14 mm * 35,69 mm

HINWEIS

Die hier abgebildeten Grafiken liegen im JPG-Format vor. Hinter jeder Grafik befindet sich ein hochauflösendes TIF. Dieses TIF kann mit jedem Grafikprogramm importiert, skaliert und anschließend ausgedruckt werden. Mit einem handelsüblichen Laserdrucker lassen sich auf lasertauglichen Folien reprofähige Ergebnisse erzielen.
Da das Routing bewußt in dicken Leiterbahnen erfolgte, eignet sich die Balancerplatine hervorragend für erste, eigene Ätzversuche.

November 2004, AK & UF