Blei-Batterien: Lade-Methoden plus kleine Hilfsschaltung zum Nachrüsten
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Welche Lade-Verfahren gibt es und warum können manche Ladegeräte schädlich sein? Plus einfache kleine Hilfsschaltung (Batterie-Lade-Regler) zum Nachrüsten von 12V-Kfz-Ladegeräten, so dass sie automatisch abschalten nach Erreichen der Ladeschluss-Spannung. Zusätzlich ist damit eine Wiederholungsladung zuschaltbar. Ebenso ist durch die Schaltung ein Verpolungsschutz und Kurzschlussschutz gegeben.
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Hilfsschaltung zum Nachrüsten von 12V-Ladegeräten
Ladegeräte arbeiten oftmals mit erhöhter Spannung und schalten nicht ab, wenn die Batterie voll geladen ist, sondern laden so lange weiter, bis sie entfernt werden. Wird die Ladezeit überschritten, kann es zu einer Überladung kommen und die Batterie unter Umständen Schaden nehmen. Die Schwierigkeit besteht darin, dass man den Ladezustand der Batterie meist nicht kennt, davon aber die Ladezeit abhängt.
Diese kleine Hilfsschaltung vermeidet ein Überladen der Batterie, indem sie bei Erreichen der Ladeschluss-Spannung von 14,7 Volt das Ladegerät bzw. die Ladung automatisch abschaltet.
Bedienung / Funktionsweise
Normal-Ladung:
Das Ladegerät mit der Schaltung an die Batterie anklemmen.
Die Leuchtdioden zeigen die Spannung der Batterie an (siehe Tabelle unten). Drückt man dann den Taster, wird die Batterie einmalig geladen. Die Abschaltung erfolgt automatisch bei Erreichen der Ladeschluss-Spannung von 14,7 V.
Die Ladung kann jederzeit ein weiteres Mal per Tastendruck aktiviert werden.
Wiederholungs-Ladung:
Hält man beim Anschließen an die Batterie den Taster gedrückt und lässt ihn erst los, wenn die Batterie angeschlossen ist, hat man in den Wiederholungsladungsmodus geschaltet. Die Ladung muss dann einmalig manuell gestartet werden. Anschließend übernimmt die Automatik: Die Ladung endet bei 14,7V. Sinkt die Batterie-Spannung auf 12,6V beginnt die Ladung automatisch wieder und endet ohne Weiteres Zutun wieder bei 14,7V. Das wiederholt sich solange, bis die Batterie vom Ladegerät getrennt wird.
Stromausfall:
Ein Stromausfall spielt keine Rolle. Sobald die 230V-Netzspannung wieder vorhanden sind, wird die Ladung automatisch an derjenigen Stelle fortgesetzt, wo das Netz unterbrochen wurde. Das gilt gleichermaßen für Normal-Ladung und Wiederholungs-Ladung. Es sind keine weiteren Schritte erforderlich.
Verpolungsschutz und Kurzschluss-Schutz:
Sofern das Ladegerät sekundärseitig geschaltet wird, ist zudem ein Verpolungsschutz und ein Kurzschluss-Schutz gegeben. Es macht also nichts, wenn sich die Klemmen des Ladegeräts berühren oder versehentlich falsch angeschlossen werden. In solchen Fällen kann man die Ladung nicht starten. Das gilt für Normal- und Wiederholungsladung.
Schaltet man das Ladegerät dagegen nur primär-seitig, liegt es in der Natur der Sache, dass es bei dieser Beschaltung keinen Verpolungsschutz geben kann.
Um auf den Verpolungsschutz nicht zu verzichten, könnte man 2 Relais verwenden, eines primär und eines sekundär. Damit ließe sich der Leerlaufstrom komplett einsparen, während zugleich der Verpolungsschutz erhalten bleibt.
Schaltung
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Achtung:
Wer Probleme mit Wechselspannungsanteilen des Ladegeräts hat, sollte einen zusätzlichen Kondensator 10...100µF (je nach Wechselanteil), 16V (auf Polarität achten), hinzufügen. Siehe Schaltplan. Wer die Schaltung schon aufgebaut hat, kann das C auch nachträglich parallel zur 5,1V-Zener-Diode einfügen.
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Bitte beachten:
Der Transistor muss ausreichend Strom für das verwendete Relais liefern können. Bsp. Bei einem 30mA Relais, wäre ein Transistor mit mind. 100mA angebracht.
Das Relais wiederum muss ausreichend Schaltleistung haben für den Ladestrom zur Batterie, z.B. ein ausreichend dimensioniertes Kfz-Relais. Kfz-Relais werden in der Regel gut handwarm, sind aber für den Dauerbetrieb ausgelegt. Wer nicht sekundär steuern möchte, kann auch primär steuern (Details siehe weiter unten).
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Die Schaltung ist seit über 1 Jahr im Dauerbetrieb problemlos im Einsatz. Nicht autorisierte Änderungen am Schaltplan können die Funktionalität beeinträchtigen. Es wird daher empfohlen, die Schaltung gemäß dem Original-Schaltplan aufzubauen.
Durch den Widerstand der Ladekabel kann sich eine minimale Spannungsdifferenz ergeben, die jedoch vernachlässigbar gering ist.
Mit einem geeigneten Schalter könnte man den Relais-Ausgangskontakt überbrücken, falls das Ladegerät im Original-Zustand benutzt werden soll. Die Schaltung zeigt dann nur noch die Spannungen über die LEDs an. Das ist z.B. dann sinnvoll, wenn man die Starthilfe-Option eines Ladegeräts nutzen möchte. Sonst bräuchte man ein Relais, das den hohen Starthilfe-Strom handhaben kann.
Wenn die gelbe Leuchtdiode blinkt signalisiert das eine Batterie-Spannung von mehr als 15 Volt. Dann liegt eine Störung vor, z.B. unterdimensionierte Relais-Kontakte, die verklebt sind. In diesem Fall sollte man Relais und Schalttransistor auf Defekt prüfen. Um solche Störungen zu vermeiden, sollte man auf die Freilaufdiode parallel zum Relais auf keinen Fall verzichten. Der Microcontroller selbst ist durch Widerstand und Diode geschützt, ihm droht kein Schaden.
Generell empfehlen sich aus Gründen der Langlebigkeit Ladegeräte mit Trafo und Gleichrichter. Schaltnetzteile sind dagegen vergleichsweise empfindlich, auch was tiefe Temperaturen betrifft, und erreichen bei Weitem nicht die Lebensdauer von Trafo-/Gleichrichter-Ladegeräten.
Trafo-Ladegeräte haben im Leerlauf, ohne dass eine Batterie geladen wird, eine Leistungsaufnahme von ca. 20 bis 80 Watt (je nach Stärke des Ladegeräts). Dieser Verbrauch in Leerlaufzeiten muss nicht sein. Zum Strom sparen kann man das Ladegerät auch primär-seitig über ein Relais ein-/ausschalten. Wichtig ist, zuerst zu prüfen, ob der Gleichrichter auch in Ordnung ist. Das geht am einfachsten, indem man das Ladegerät, das nicht an die Steckdose angeschlossen ist, mit der 12V-Batterie verbindet. Dabei darf kein Rückstrom von der Batterie zum Ladegerät vorhanden sein. Dann könnte man es auch primärseitig schalten und sorglos im Dauerbetrieb einsetzen.
Dadurch ist das Ladegerät vom Netz getrennt, wenn nicht geladen wird, und hat folglich auch keinen Leerlauf-Verbrauch mehr. Das Ladegerät läuft dann nur noch, wenn eine Ladung manuell per Tastendruck oder automatisch durch den Microcontroller (Unterschreiten der Mindestspannung im Wiederholungsladungsbetrieb) ausgelöst wird.
Bei einem Testlauf mit einem kleinen 6A-Ladegerät konnten so auf 10 Tage mehr als 5,5 kWh (nur an Leerlauf-Verbrauch) eingespart werden. Auf das Jahr gerechnet entspricht dies einer Ersparnis von knapp 202 kWh. Bei einem kWh-Preis von 0,45 € macht das 90,90 €.
Bitte beachten: Schaltet man das Ladegerät nur primär-seitig, liegt es in der Natur der Sache, dass es bei dieser Beschaltung keine Verpolungsschutz geben kann. Um auf den Verpolungsschutz nicht zu verzichten, könnte man 2 Relais verwenden, eines primär und eines sekundär. Damit ließe sich der Leerlaufstrom komplett einsparen, während zugleich der Verpolungsschutz erhalten bleibt.
Optionale Erweiterung: Manchmal kann es sinnvoll sein, eine angegriffene Batterie mehrere Male nacheinander zu entladen und zu laden. Um dies zu automatisieren, könnte man ein 2-mal-Um-Relais verwenden - oder 2 Relais (Diode nicht vergessen). Das Ladegerät bleibt dabei unverändert angeschlossen. An den noch freien anderen Relais-Kontakt wird eine Last angeschlossen (z.B. eine Glühbirne 100mA, 700mA, 1/2/5A), die die Batterie wieder entlädt, sobald die Ladung abgeschlossen ist.
Die Relais-Kontakte mit der angeschlossenen Last beschaltet man so, dass während des Ladevorgangs die Last weggeschaltet ist und wenn der Ladevorgang beendet ist, die Last wieder zugeschaltet ist.
Die Batterie-Spannung wird nach wie vor vom Microcontroller überwacht. Ist die Entladeschlussspannung erreicht, beginnt der Ladevorgang. Ist die Ladeschlussspannung erreicht, endet die Ladung und die Entladung beginnt (Wiederholungsladung).
Bitte unbedingt beachten:
Netzspannung kann lebensgefährlich sein. Und auch Batterien, insbesondere Auto-Batterien, sind nicht zu unterschätzen. Bei nicht sachgemäßen Gebrauch können Brände entstehen.
Aus Missbrauchsgründen sind hex-Codes nicht zugänglich und werden nicht auch nicht per eMail versandt. Bei Interesse an einem beschriebenen Microcontroller bitte Anfrage per eMail senden.
13. Dezember 2021
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