Reflexlader für Fahrakku (Einschubplatine)

Wichtige Schaltungsänderung für alle, die einen Zellenwahlschalter benutzen !
Ich habe erfahren, das mehrere Reflaxlade ICs ICS1702 bei Verwendung der vorgeschlagenen Schaltung und des Zellenwahlschalters beim umschalten auf 1 Zelle defekt wurden. Als Grund vermute ich eine zu hohe Spannung am Pin Vin. Deshalb habe ich die Schaltung um eine Schutzdiode an Pin 18 (Z-Diode 2,7 V, ZD2) und dem Strombegrenzungswiderstand R53 ergänzt. Da der Pin Vin einen sehr hohen Innenwiderstand besitzt, beeinflusst der Strombegrenzungswiderstand R53 das Messergebnis praktisch nicht. Da mein altes Platinenlayoutprogramm leider nicht mehr zufriedenstellend arbeitet, gibt es von der neuen Version keine neues Layout. Benötigt wird die Schutzschaltung aber nur in Verbindung mit der 1 Zellen Schalterstellung des Wahlschalters! Die beiden Bauteile kann man aber noch problemlos auf der Platine plazieren.

Da bei ausgeschaltetem Reflexlader und bereits angeschlossenem (mehrzelligen) Akku ebenfalls eine zu hohe Spannung an Vin gelangen kann, darf man den Akku erst nach dem einschalten anschliessen!

Reflexladung / Ladeprinzip
Das Prinzip der Reflexladung (meines Wissens patentiert) besteht aus einem Ladeimpuls, gefolgt von einem kurzen Entladeimpuls mit relativ hohem Strom. Danach eine kleine Pause, in der die Akkuspannung gemessen wird, um das Ladeende zu erkennen. Bei dem von mir eingesetzten IC dauert ein Ladeimpuls ca. 1050ms, der Entladeimpuls 5ms. Der Entladestrom sollte 2,5 mal den Wert des eingestellten Ladestromes betragen.

Der Vorteil des Reflexladeprinzips ist ein weitgehendes verschwinden des Memoryeffektes eines NC Akkus, da der kräftige Entladeimpuls gewissermassen die Reserven des Akku "aufweckt". Es ist daher auch möglich einen teilentladenen Akku aufzuladen ohne das dieser Überhitzt.

Wichtig ist eine exakte Erkennung des Ladeendes, was von dem eingesetzten IC jedoch zuverlässig erledigt wird. Durch die Reflexladung ist es ausserdem möglich, die Schnelladezeiten deutlich zu verringern. Das IC lässt sich auf bis zu 4 fachen Ladestrom, also eine Akkuladung in 15 Minuten einstellen. Vorausgesetzt das Ladegerät gibt den entsprechenden Strom auch her. Der Akku selbst wird dabei kaum warm und ist ohne weiteres Fertigladen auch zu ca. 90% aufgeladen.

Mit dem hier vorgestellten Lader habe ich diese 4C auch schon ausprobiert, verwende normalerweise jadoch maximal 2C (30 Minuten) um die Akkus doch etwas zu schonen.

Näheres zum Reflexladen könnt Ihr dem Datenblatt ICS1702 entnehmen.

Die Schaltung besteht im Prinzip aus 4 Blöcken:

• der Ladesteuerung und Überwachung, rund um das IC ICS1702
• der Ladeendstufe
• der Entladeendstufe
• der Lademengenmessung

Ladesteuerung
Als 1. Schritt wurde die Grundschaltung des Reflexlade IC ICS1702 aus dem Schaltungsvorschlag zu einem  Evaluation Board" der Fa.Galaxy weitgehend übernommen und nur auf die gewünschten Ströme und Zellenzahlen angepasst. Insbesondere wichtig sind hier die Widerstände R29/R30 und R40/R41.
Trotzdem sollte eine weitgehende Flexibilität bezüglich Ladezeiten und –modi erreicht werden, um auch zukünftigen Akkutypen gerecht zu werden. Dies habe ich durch Jumper berücksichtigt.
Das IC überwacht die Akkuspannung und falls gewünscht die Akkutemperatur und steuert die beiden Endstufen. Über 4 LED wird der Ladestatus angezeigt. Ich verwende derzeit die Ladezeiten mit 30Min und 60Min und 2C bzw. 1C Ladestrom.
Die für die gewünschten Lademodi erforderliche Jumperstellung kann in allen Variationen dem Datenlatt entnommen werden. die von mir am häufigsten verwendete Schnelladung mit 2fachem Strom erfordert nur einen Jumper: JP1 auf LOW Pegel gesteckt (Pin SEL0 auf LOW), alle anderen Jumper bleiben offen.

Lade- Entladeendstufe
Die beiden Endstufen für Lade- und Entladestrom sind weitgehend identisch aufgebaut. Unterschiedlich ist der Strommesswiederstand. In der Ladestufe sind dies 3*0,15 Ohm Widerstände in Parallelschaltung (0,05 Ohm), da dort ein Strom bis zu 12A mit 97% Taktung bei Schnelladung fließen kann. Dies entspricht einer Verlustleistung von etwa 7W, so dass auch 2 0,1 Ohm Wiederstände mit 5W Belastbarkeit ausreichend wären, zugunsten einer bessern Temperaturbilanz habe ich aber ertwas reichlicher dimensioniert. In der Entladestufe ist dieser Widerstand 0,02 Ohm groß, was den 2,5 fachen Strom bedeutet. Die Belastung steht dort aber nur mit durchschnittlich. 0,5% Taktung an, so dass ein 0,2 Watt Widerstand ausreichen würde. Wichtiger ist hier, dass ein entsprechender Strom fliessen kann, die Anschlußleitungen also entsprechend dimensioniert sind und der Widerstand den Strom auch durchlassen kann. Etzwas grösser dimensioniert, oder mit Widerstandsdraht ausgeführt schadet hier also nicht.
Beide Operationsverstärker (Lade- und Entladestufe) werden von dem gleichen Sollsignal (Trimmpoti P1) versorgt. Dadurch ist der Entladestrom immer genau 2,5 mal so hoch wie der eingestellte Ladestrom (Datenblattvorgabe des Reflexlade IC), falls der Akku und die Beschaltung den Strom hergeben.. Um nicht die ganze Verlustleistung an dem Entladetransistor zu verheizen, ist noch ein 0,1 Ohm Widerstand (R5) eingebaut.
Die Ladestromeinstellung wird wie oben beschrieben mittels eines Trimmpotis auf der Platine vorgenommen. Zu diesem Zweck ist ein 3mm Loch unter dem Trimmpoti gebohrt, damit nicht jedesmal der Kühlkörper abgeschraubt werden muss. Dies ist praktikabel allerdings nur mit einer Kartenverlängerung oder einem provisorischen Adapter außerhalb des Gehäuses möglich. Wer einen einfacher einstellbaren Ladestrom benötigt, legt die Potianschlüsse auf ein Poti auf der Frontplatte.
Die Verpolungsschutzdiode D7 (es ist eine Doppeldiode, damit der maximale Strom problemlos verkraftet wird) ist zusammen mit den Endstufentransistoren auf dem Kühlkörper (Typ SK72) montiert, als Verkabelung sollte Silikonkabel in angemessener Dimensionierung verwendet werden. Die Bauteile auf dem Kühlkörper müssen unbedingt mit Isolierscheiben und ggfs. Kunststoffschrauben montiert werden, damit keine Kurzschlüsse entstehen!

Rund um OP2 ist eine Temperaturüberwachung des Endstufentransistors aufgebaut. Der Temperatursensor PTC1 sollte per Sekundenkleber zwischen den Beinen von TR4 von unten auf den Kühlkörper geklebt werden.

Im Ruhezustand der Ladeschaltung, also z.B. wenn kein Akku angeschlossen ist, sind beide Steuersignale (Pin 1 und 2) low. Über die Dioden D4 und D1 werden jetzt beide Wege (Laden und Entladen) gesperrt. (Tr2 und Tr1, deshalb auch die beiden Emitterdioden D6 und D3 um das Emitterpotential um die Diodenspannung anzuheben).
Wird nun z.B. das Ladesignal high (Pin 1), kann die Stromregelung ganz unbeeinflusst über OP1, Tr2 und Tr4 erfolgen. Genauso funktioniert das Entladen, gesteuert über Pin 2.

Lademengenmessung
Ein weiterer Schaltungsteil ist die Lademengenmessung rund um den U/F Wandler RC4151. Dieses IC erzeugt je nach Spannung am Pin 7 eine proportionale Frequenz am Pin 3. Die Frequenz ja Volt Eingangsspannung wird mittels den Kondensatoren C16/C17 sowie den Widerständen R34 und P2 bestimmt. Da die Messpannung über den Stromfühler-Widerständen R1-R3 sehr gering ist, wird sie mittels des Verstärkers OP3, der auf eine 10 fache Verstärkung eingestellt ist auf ein passendes Niveau gebracht.
Zur Anzeige der aufgenommenen Lademenge, wurde ein preiswertes Zählermodul integriert. Die vom U/F Wandler IC erzeugten Impulse gehen auf einen Teiler (2 hoch 12, entspricht 1:4096) und werden dann auf das Zählermodul geleitet. Jetzt wird auch klar, warum das U/F IC auf 1136 Hz pro A eingestellt ist (C16/C17): (1136 (Pulse/Sekunde) * 3600 (Sekunden/Stunde) ) / 4096 = 998,4375 mAh, das heißt 1 mAh pro Takt hinter dem Teiler IC. Das Rücksetzen des Modules erfolgt automatisch, sobald der Akku abgeklemmt wird und das Lade IC mit dem suchen (polling) nach einem neuen Akku beginnt. Da das Zählermodul für 3V Spannung ausgelegt ist, benötigen wir noch die Z-Diode ZD1 und R39.

Schaltungsabgleich
Zum Abgleich der Lademengenmessung, sowie zur exakten Einstellung des Ladestromes entfernt man am besten das Lade IC (IC1) und legt den Pin 2 (Entladen) auf Masse bevor die Spannung wieder angelegt wird, da sonst ein Kurzschluss über Lade und Entladeteil entsteht!
Bevor jetzt der Lastwiderstand angeschlossen wird, stellen wir mit dem Poti P1 eine Spannung von 50mV am Pin 3 des IC4 ein. Jetzt den Lastwiderstand an den Ladebuchsen anschliessen und den Strom auf exakt 1A mittels des Trimmpotis P1 einstellen. Mit einem Frequenzmesser stellt man jetzt am Pin 3 des RC4151 die Ausgangsfrequenz fest. Bei 1A muss diese 1136 Hz sein. Da durch die Entladung der Reflexladung jedoch wieder etwas von der eingespeisten Kapazität verloren geht, muss hier ca. 1,25 % (0,5% *2,5 fachem Entladestrom) weniger, also ca. 1122 Hz eingestellt werden. Wer keinen Frequenzmesser, aber ein Oszilloskop besitzt, muss hier eine Periodendauer von ca. 0,9 ms einstellen. Natürlich gehts auch mit einem normalen Messgerät, einer Uhr und mit Geduld: Zähler anschließen, 1 Minute Strom fließen lassen, Anzeige muss 16 anzeigen. Mit dem Trimmpoti P2 so lange einstellen bis die Werte stimmen.

Da die von mir gemessenen, und mit Hilfe des Datenblattes ermittelten Impulszeiten usw. etwas den üblichen Bauteileschwankungen unterliegen, ist es auf jeden Fall ratsam, die Werte des aufgebauten Modules nachzumessen.

Ist die Lademessung abgeglichen, stellt man jetzt noch den später gewünschten Ladestrom exakt ein (50mV an Pin3 des IC4 pro Ampere Ladestrom), entfernt die Lötbrücke an Pin 2 und setzt das IC1 wieder ein. Das Lademodul ist einsatzbereit.

Im Schaltplan eingezeichnet ist auch eine Variante für unterschiedliche Zellenanzahlen, mit auf Drehschalter geführten Widerständen zur Umschaltung. Dann sollte man allerdings auch das Poti zur Stromeinstellung nach draußen führen.
Die im Schaltplan eingezeichneten Klemmen K19 -K22 sind nur Meßanschlüsse und haben derzeit keine weitere Funktion!

Schaltplan
Bestückungsplan
Stückliste
Platinenlayout Achtung: ZD2 und R53 sind nicht in diesem Platinenlayout vorgesehen, siehe den Hinweis zur Schaltungsänderung!

Erstellt habe ich das Layout mit dem PCB Programm Pia von Andreas Waldherr. Auf seiner Homepage gibt es eine Demoversion, mit der auch gedruckt werden kann. Wer meine Layoutfiles für den Reflexlader dafür möchte, sende mir bitte eine eMail.

Bauteiletipps und "Spezialbauteile"

Beschaffung ICS1702:
Die Firma Galaxypower hat die Produktion und den Vertrieb der Reflexlade ICs Ende 2004 eingestellt! Das Reflexlade IC ICS1702 ist bei Reichelt und Conrad ncht mehr lieferbar.
 
Bis Ende 2005 war es noch im Kessler Katalog und bei ELV zu bekommen. Seit Anfang 2006 haben ihn beide Firmen nicht mehr !
Wer noch einen Lieferanten ausfindig macht, möge mir bitte diesen nennen.

Vor Aufbau der Schaltung also erst die Verfügbarkeit prüfen und ev. "Ersatzteile" beschaffen. Ich selbst habe keine ICS1702 auf Lager und kenne auch nicht den Lieferstatus diverser Händler!

Update vom Februar 2011: es gibt bei eBay einen Anbieter aus China der ICS 1702 Nachbauten in SMD Bauform anbietet (Suche nach ICS1702. Ich selbst habe weder etwas bestellt noch eine Info über die Funktionsfähigkeit dieser Chips erhalten, wollte die Infortmation aber gerne weitergeben. Wer es getestet hat, bitte Info an mich.

Zu beachten ist, dass das laden von 7 zelligen (8,4 Volt) Akkus nur bei Anschluss an Netzspannung möglich ist, da mindestens 14 Volt benötigt werden, bei den normalen 7,2 Volt Akkupacks gibt es aber keine Probleme.

Als einziges etwas schwerer zu beschaffendes Bauteil außer dem ICS1702 dürfte sich der 0,02 Ohm (kein Druckfehler) Widerstand herausstellen. Der Widerstandswert ist 2,5 mal kleiner als der Lastwiderstand in der Ladeversorgung. Dadurch wird der Entladestrom immer 2,5 mal so hoch sein wie der Ladestrom und beide Werte werden gleichzeitig mit dem Trimmpoti geregelt. Der im Layout vorgesehene Widerstand ist von der Fa. Bürklin. Ersatzweise kann natürlich z.B. ein Widerstandsdraht in passender Dimensionierung verwendet werden.

Die im Schaltplan eingetragenen Transistoren sind schon etwas "antiquiert". Beschaffbare Ersatztypen sind z.B. für BDX64 der MJ2955ISC, und für die BC109C der BC550C.

Achtung:
Das ursprünglich verwendete Zählermodul (Conrad) ist Stand 30.06.2002 von Conrad nicht mehr lieferbar.  Von Conrad gibt es neu zwei preiswerte kleinere Zählermodule mit 6 mm Anzeigenhöhe und eigener Batterie (4 oder 6 stellig). Diese Module arbeiten mit potenzialfreien Kontakten gegen Masse, und die Anzeige ist immer an. Dieses Modul kann problemlos an die vorgestellte Schaltung angeschlossen werden. Zum Schutz gegen zu hohe Eingangspegel sollte eine Diode (1N4148) mit der Kathode zum 4020 in die Zählleitung eingebaut werden. Beim Reset Anschluß wird genau so verfahren. Wer die eingebaute Batterie ersetzen möchte, tauscht die Zenerdiode ZD1 gegen einen 1,5V Typ aus.
Natürlich geht es auch ganz ohne Zählermodul, allerdings gibt die aufgenommene Lademenge eine ungefähre Aussage über die Akkuqualität, die ich nicht mehr missen möchte.

Achtung: ZD2 und R53 sind im angegebenen Platinenlayout nicht vorgesehen, siehe den Hinweis zur Schaltungsänderung!

Die Doppeldiode MBR2045 ist ebenfalls von Conrad, der Rest überwiegend von Reichelt Elektronik.

Die Bestellnummern der Spezialteile stehen in der Stückliste.

Provisionen bekomme ich von keiner der genannten Firmen. Wer alternative (preiswertere) Quellen für diese Bauteile kennt, möchte sie mir bitte mitteilen.