Schaltungspraxis - Akku-Ladegerät Kostengünstiges 20-W-Ladegerät für Bleiakkus

Eine kostengünstige Ladeschaltung lässt sich realisieren, indem eine DC/DC-Wandlerschaltung mit Operationsverstärkern ergänzt und im Rückkopplungsnetzwerk geringfügig modifiziert wird. Neben Konstantstrom- und Konstantspannungsladung kann die Schaltung auch für eine Erhaltungsladung genutzt werden.

Bleiakkumulatoren gibt es schon seit sehr langer Zeit, und obwohl sie deshalb als veraltet gelten könnten, werden sie auf der ganzen Welt immer noch sehr zahlreich in vielen Anwendungen eingesetzt. Dies liegt nicht allein daran, dass Bleiakkus kostengünstiger sind als andere Akku-Bauarten, denn sie sind außerdem sehr zuverlässig, robust und durchaus langlebig, und nicht zuletzt sind ihre Eigenschaften umfassend erforscht.

Zum Laden von Akkumulatoren wird in der Regel eine genau auf den jeweiligen Zellentyp abgestimmte Ladeschaltung benötigt. Im Fall von Bleiakkus muss die Ladeschaltung drei Ladekonzepte unterstützen. Zunächst gilt es die Zellen mit konstanter Stromstärke zu laden, bis die typische Zellenspannung erreicht ist. Anschließend muss auf Konstantspannungsladung umgeschaltet werden. Am Ende des Ladevorgangs schließlich ist eine Erhaltungsladung notwendig.

Bild 1 zeigt zwei Ladeprofile für Bleiakkus. Das mit durchgezogenen Linien dargestellte Profil (1) ist schwieriger zu implementieren. Um das Ladeende zu erkennen muss die Zeit t, der Zeitpunkt bei dem die Ladestromstärke auf den Wert 0,07 × C zurückgeht, gemessen werden. Das Ladeverfahren hat aber den Vorteil, dass die Zelle in kürzerer Zeit vollständig aufgeladen wird. Außerdem ist dieses Profil günstiger für die Lebensdauer der Zelle. Mit weniger Kosten zu realisieren ist dagegen das mit unterbrochenen Linien dargestellte Profil (2), es wurde für das Referenz-Design [1] einer Ladeschaltung ausgewählt, um einen Bleiakku mit sechs Zellen zu laden. Die Schaltung (Bild 2) erfüllt alle zuvor genannten Anforderungen. Ursprünglich war sie für das Laden der Bleiakkus in gewerblichen Notausgangsbeleuchtungen vorgesehen. Die Ladeschaltung wurde mit einer ohmschen Last, einer elektronischen Last und einem Bleiakku, ein AGM-Bleiakku des Typs NP 5-12 von Yuasa (12 V, 5 Ah), geprüft.

Wegen des recht einfachen Ladeprofils von Bleiakkus lassen sich die notwendigen Spannungs- und Stromkurven leicht reproduzieren. Hierzu kann ein DC/DC-Wandler durch eine zusätzliche Messschaltung ergänzt werden, die mit dem Regelkreis des Controller-IC verbunden wird. Als Controller dient in der Ladeschaltung der TPS40210 von Texas Instruments, ein Schaltregler-IC für Aufwärtswandler mit stromgeführter Regelung. Er wird in einer SEPIC-Schaltung (Single Ended Primary Inductor Converter) eingesetzt, die das Laden des Akkus mit Eingangsspannungen ermöglicht, die kleiner, gleich oder größer als die maximale Klemmenspannung des Akkus sind. Damit ist es möglich am Eingang der Ladeschaltung eine Spannung zwischen 9 V und 36 V zu nutzen und in eine maximale Ausgangsspannung von 13,8 V zu wandeln. Der einstellbare Ladestrom ist auf einen Höchstwert von 1,5 A begrenzt.

Eine geringfügige Modifikation am Regelkreis des Controller-ICs zum Erzeugen zweier Fehlersignale ermöglicht den Einsatz des Schaltnetzteils zum Laden von Bleiakkus, wobei die zuvor beschriebenen Anforderungen erfüllt werden. Die SEPIC-Schaltung wird zu diesem Zweck durch den zweifachen Operationsverstärker TLC272 von TI ergänzt. Einer der beiden Operationsverstärker (OP1) ist dabei als Impedanzwandler mit Verstärkungsfaktor eins beschaltet und dient als Puffer für das rückgekoppelte Messsignal der Ausgangsspannung als Ist-Größe. Der andere Operationsverstärker (OP2) wird zum Messen des Stroms in der Ausgangsspule genutzt. Da der durchschnittliche Strom in der Ausgangsinduktivität gleich dem Ausgangsstrom ist, ist der zweite Operationsverstärker (OP2) als Integrator beschaltet, dessen Ausgangssignal dem Rückkopplungsnetzwerk des Controller-ICs zugeführt wird. Beide Operationsverstärker geben ihr Ausgangssignal – über Dioden in einer Oder-Verknüpfung entkoppelt – über das Rückkopplungsnetzwerk auf den Reglereingang für die Ist-Größe des Controller-ICs. Abhängig vom jeweiligen Ladestatus des Akkus ist eines der beiden Signale dominant.