\nKonstant- Spannung-Ladeverfahren arbeitet und den Akku vor \u00dcberladung sch\u00fctzt. Beim
\nEntladen des Akkus \u00fcber die Verbraucher sorgt ein Tiefentladeschutz daf\u00fcr, dass die
\nEntladeschlussspannung des Bleigel-Akkus nicht unterschritten wird, um den Akku zu
\nschonen und damit seine Lebensdauer zu optimieren.
\nDa einige Verbraucher, die bei Stromausfall weiterbetrieben werden sollen, eine Versorgungsspannung
\nvon 5 V ben\u00f6tigen, wird die Ausgangsspannung des Akkus mit Hilfe eines
\nKonstant-Spannungsreglers heruntergesetzt. Die anderen Verbraucher werden direkt \u00fcber
\ndie Akkuspannung versorgt.
\nSimone Weidner
\n<\/em><\/ins><\/ins><\/ins><\/p>\n
Es wurde zuerst eine Recherche von Schaltungsentw\u00fcrfen und M\u00f6glichkeiten der Akkuversorgung Zwischen Netzteil und Notstromversorgung besteht eine Schnittstelle, die Spannung von Schaltungsentwurf<\/strong><\/p>\n Laderegler<\/p>\n Ein Laderegler ist eine elektronische Schaltung (h\u00e4ufig als IC realisiert), die das Ladeverfahren Abbildung 13: Ladereglerschaltung<\/p>\n Der Laderegler soll den Akku kontinuierlich puffern, d.h. die Spannung des Akkus konstant Bei einem 12 V-Akku muss die Ladespannung UAkku durch Dimensionierung des Widerstandes Tiefentladeschutz (Theorie)<\/strong><\/p>\n Akkumulatoren nehmen bei Tiefenentladung Schaden. Jeder Akkumulator besitzt eine F\u00fcr den Tiefentladeschutz wurde eine bereits bekannte Schaltung verwendet, welche Abbildung 14: Tiefentladeschutzschaltung<\/p>\n Dimensionierung und Simulation Der Laderegler wurde in LTSpice aufgebaut, die Simulation konnte jedoch nicht abschlie\u00dfend UAkku = R5 + R4 \/ R5 *1,25V<\/p>\n Da der Widerstand R5 mit 270 bekannt ist und eine Ladeschlussspannung von 13,8V Tiefentladeschutz<\/strong><\/p>\n Der Arbeitspunkt des Bipolar-Transistors Q1 wird \u00fcber das Potentiometer eingestellt. Die Schaltung funktioniert mit einer Hysterese von ca. 1,2V-1,3V, was bedeutet, dass Abbildung 15: Simulation der Tiefentladeschutzschaltung<\/p>\n Testaufbau<\/strong><\/p>\n Laderegler<\/p>\n Der Testaufbau des Ladereglers erfolgte auf einem Breadboard. Nach erfolgreichem Aufbau R= U\/I = 13,8V \/ 0,5A = 27,6 Ohm<\/p>\n eingestellt wurde. Bei einer minimalen Tiefentladeschutz<\/strong><\/p>\n Der Aufbau des Tiefentladeschutzes erfolgte ebenfalls auf einem Breadboard. Zun\u00e4chst <\/p>\n Platinenentwurf und Layout<\/strong><\/p>\n Bevor das Layout der Platine entworfen werden konnte, mussten die beiden Teilschaltungen Beim Entwurf des Platinenlayouts musste man der Funktionalit\u00e4t und Sicherheit halber Aufgabe der Notstromversorgung ist die Gew\u00e4hrleistung der Stromversorgung des automatischen Gew\u00e4chshauses bei Netzausfall durch Akku-Betrieb. Dazu wurde parallel zum Netz ein 12 V\u2013Blei-Gel- Akkumulator geschaltet, auf den bei Netzausfall automatisch \u00fcber ein Relais umgeschaltet wird. Zum kontrollierten Laden des Akkus … Weiterlesen
\ndurchgef\u00fchrt.
\nF\u00fcr die Notstromversorgung stehen 6 Akkus des Typs Yuasa NPW45-12 zur Verf\u00fcgung,
\nwelche f\u00fcr dieses Projekt bereit gestellt wurden. Diese Blei-Gel-Akkus wurden als USV
\n(Unterbrechungsfreie Stromversorgung) f\u00fcr ein Serversystem in Potsdam verwendet und
\nsind derzeit Eigentum der Neuen Energien Zernsee GmbH & Co. KG. Die Verwendung
\nder Akkus wurde mit den Verantwortlichen dieses Projektes gekl\u00e4rt.
\nNach der \u00dcberpr\u00fcfung der Funktionsf\u00e4higkeit der Akkus bestand die Aufgabe darin,
\ndie Akkus in ein System mit einem Laderegler und einem Tiefentladeschutz sowie einer
\nSpannungsregelung zum Zweck der USV zu integrieren. F\u00fcr das Projekt wurde daf\u00fcr
\nderjenige Akku mit der aktuell gr\u00f6\u00dften Kapazit\u00e4t ausgew\u00e4hlt.
\nBenjamin Petrick<\/em><\/ins><\/ins><\/ins><\/p>\n
\nca. 24V aus der Gl\u00e4ttung. Liegt diese Spannung am Eingang der Notstromversorgung an,
\ntrennt einerseits das Relais K1 die Verbraucher vom Akku, andererseits wird der Akku
\ngeladen.
\nAu\u00dferdem dienen die beiden Schnittstellen (5 V und ca. 12 V) am Ausgang der Notstromversorgung
\nder Versorgung der Verbraucher. Diese Ausg\u00e4nge werden \u2013 wie auch die beiden
\nAusg\u00e4nge des Netzteils- \u00fcber den Bus auf der Netzteil-Platine mit den Verbrauchern
\nBew\u00e4sserung, Bel\u00fcftung, Beleuchtung und Steuerung verbunden.
\nEine weitere Schnittstelle der Notstromversorgung ist diejenige zwischen Platine und Akku.<\/p>\n
\nzum Aufladen von Akkumulatoren technisch umsetzt. Die Ladeverfahren sind
\ndabei zum Teil genormt.
\nH\u00e4ufig liegt die Spannung eines Erzeugers \u00fcber der Spannung eines voll geladenen Akkus,
\nsodass dieser bei Direktladung besch\u00e4digt werden k\u00f6nnte. Au\u00dferdem kann durch Tiefentladung
\neines Akkus durch zu starke Nutzung der Verbraucher die Akkulebensdauer
\nerheblich gesenkt werden. Um die Lebensdauer des Akkus zu verl\u00e4ngern, soll ein Laderegler
\nihn vor Tief- und \u00dcberladung sch\u00fctzen (Tiefentladeschutz ist im Projekt separat
\nintegriert). Das Ziel ist dabei stets den Akku innerhalb seiner Betriebsgrenzen vollst\u00e4ndig
\naufzuladen. Bei einem Blei-Akku mit 12 V Nennspannung liegen diese bspw. zwischen
\n9,9 V bis etwa 13,7 V. Im Projekt wurden 10,8V als Entladeschlussspannung und 13,8V
\nals Ladeschlussspannung gew\u00e4hlt.
\nZwecks Umsetzung gibt es verschiedene Strategien der Steuerung von Strom und Spannung.
\nDie wichtigsten Ladeparameter sind dabei Temperatur, Spannung, Kapazit\u00e4t,
\nZeit und Ladestrom. Im Projekt werden Blei-Gel-Akkus verwendet. Daf\u00fcr eignet sich
\ndie Anwendung des relativ einfachen Konstantspannungs-Ladeverfahrens, bei dem die
\nLadespannung UL \u00fcber den Ladezeitraum tL konstant gehalten wird. Die konstante
\nSpannung wird \u00fcber einen Strombegrenzer an den Akkumulator angelegt. Mit steigender
\nAufladung verringert sich die Differenz zwischen Ladespannung u nd Akkuspannung,
\nwas zu einem verringerten Ladestrom f\u00fchrt. Dieses Verfahren wird grunds\u00e4tzlich f\u00fcr
\nBlei-Akkus, Li-Ionen-Akkus und RAM-Zellen eingesetzt.<\/p>\n![\"\"](\"http:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/zuchthaus\/wp-content\/uploads\/sites\/22\/2018\/07\/Laderegler_v1.png\")
<\/p>\n
\nauf der Ladeschlussspannung halten, damit der Akku zu jeder Zeit in vollem Umfang
\neinsatzf\u00e4hig ist. Dazu wird bei Erreichen der Ladeschlussspannung der Ladestrom automatisch
\nzur\u00fcckgeregelt, sodass der angeschlossene Akku st\u00e4ndig auf dem eingestellten
\nSpannungsniveau gehalten wird.
\nBlei-Akkus mit 12V Nennspannung werden im Bereitschafts-Parallelbetrieb mit einer
\nKonstantspannung von 13,8 V gespeist. Die Ladegrenzen liegen im Allgemeinen zwischen
\n10,5 V bis 13,8 V. Aus Sicherheitsgr\u00fcnden wird in diesem Projekt als untere Grenze eine
\nEntladeschlussspannung von 10,8 V gew\u00e4hlt.
\nJe nach Ladezustand flie\u00dft ein unterschiedlich gro\u00dfer Strom in den Akku, was schnell zu
\n\u00dcberlastung f\u00fchren kann. Daher muss f\u00fcr die Begrenzung des maximalen Ladestroms
\ngesorgt werden.
\nDie ausgew\u00e4hlte Schaltung ist f\u00fcr eine weitgehend konstante Umgebungstemperatur
\nkonzipiert, was im Projekt gegeben ist. Die Konstanthaltung der Spannung erfolgt \u00fcber
\neinen einfachen Spannungsregler. Ein einfacher L\u00e4ngswiderstand in der Stromzuf\u00fchrung
\n\u00fcbernimmt die Aufgabe der Strombegrenzung, indem er \u00fcber einen geringen Spannungsabfall
\neinen Transistor ansteuert. Dadurch wird der Ladestrom auf 0,5 A begrenzt, womit
\nAkkus der Gr\u00f6\u00dfenordnung von ca. 1 bis 2 Ah abgedeckt sind .
\nIm Detail betrachtet, stammt die Ladespannung vom Spannungsregler LM317, dessen
\nAusgangsspannung einstellbar ist. Zwischen den Anschl\u00fcssen A und Ref des ICs liegen damit gerade 1,25 V (genau interne Referenzspannung). Ber\u00fccksichtigt man Q1 und R1
\nbis R3 nicht, gilt f\u00fcr die Ladespannung:<\/p>\nU Akku= (R5 + R4) \/ R5 * 1,25V<\/code><\/p>\n
\nR4 auf 13,8 V eingestellt werden. Damit das IC \u00fcberhaupt arbeiten kann, muss
\ndie Eingangsspannung Uein um ca. 3 V \u00fcber der Ausgangsspannung liegen, also bei ca.
\n16,8 V.
\nZur Ladestrombegrenzung dient der L\u00e4ngswiderstand R2\/R3. Ohne ihn k\u00f6nnte so viel
\nLadestrom in den Akku flie\u00dfen, wie das Netzteil und das IC1 hergeben, d.h. max. ca. 1,5
\nA. So entsteht jedoch bei jedem Stromfluss ein Spannungsabfall \u00fcber R2\/R3. Wenn er 0,6
\nV erreicht, schaltet Q1 durch und zieht, parallel zu R4, vom Punkt zwischen R5 und C3
\nStrom ab. Dadurch geht die Ausgangsspannung geringf\u00fcgig zur\u00fcck, sodass der Ladestrom
\nmax. 1 A wird. Je gr\u00f6\u00dfer der Stromf\u00fchlerwiderstand, desto kleiner der Ladestrom, da
\ndie Basis\/Emitter-Spannung von 0,6 V fr\u00fcher erreicht wird. Der Vorwiderstand R1 sorgt
\nf\u00fcr eine weichere Regelkennlinie, d.h. die Ansteuerung von Q1 erfolgt ohne scharfen
\n\u00dcbergang.
\nDie Kondensatoren C1 und C2 am Eingang dienen zur St\u00fctzung der eingespeisten
\nSpannung, wobei C2 hochfrequente Anteile kurzschlie\u00dft. Der Elko C3 verhindert, dass
\nsich kurzzeitige Lastschwankungen am Ausgang auf die Spannung am Referenzeingang
\nauswirken. C4 underdr\u00fcckt die Schwingneigung des schnellen ICs.
\nIntegrierte Spannungsregler reagieren sehr empfindlich auf Falschpolung (Ua>Ue). Daher
\nsch\u00fctzt eine R\u00fcckw\u00e4rtsdiode D1 ihn vor solchen unzul\u00e4ssigen Betriebszust\u00e4nden. Der
\nAkku kann sich hier\u00fcber auch bei Netzausfall nicht entladen, da Uein von einem Br\u00fcckengleichrichter
\nstammt.
\nSimone Weidner<\/em><\/ins><\/ins>
\n<\/ins><\/p>\n
\nbestimmte vom Hersteller angegebene Kapazit\u00e4t. Diese wird beim verwendeten \u201eYuasa
\nNPW45-12\u201c-Akku bei etwa 10,8V erreicht. Je nach Zustand der Batterie ver\u00e4ndert sich
\ndie Kapazit\u00e4t, bei Erreichen der Entladeschlussspannung. Um den Akku zu sch\u00fctzen, darf diese Spannung nicht unterschritten werden. F\u00fcr eine l\u00e4ngere Lebensdauer sollte
\ndiese Spannung auch nicht erreicht werden. In der verwendeten Schaltung wurde diese
\nSpannung f\u00fcr etwa 11V eingestellt. Durch das Relais wird die Tiefenentladung des Akkus
\nerst hinzugeschaltet, wenn das Netz keine Spannung mehr liefert.
\nBenjamin Petrick<\/em><\/ins><\/ins>
\n<\/ins><\/p>\n
\nspeziell f\u00fcr 12V Blei-Akkus erprobt wurde. Sobald der Akku seine Entladeschlussspannung
\nerreicht, sperrt der n-MOSFET, wodurch der Kontakt zwischen Akku und Verbraucher
\nunterbrochen wird, sodass weiteres Entladen verhindert und der Akku vor Tiefentladung
\ngesch\u00fctzt wird.
\nAyhan T\u00fcrk<\/em><\/ins><\/ins><\/p>\n![\"\"](\"http:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/zuchthaus\/wp-content\/uploads\/sites\/22\/2018\/07\/Tiefentladeschutz.png\")
<\/p>\n
\n<\/strong>
\nLaderegler<\/p>\n
\ndurchgef\u00fchrt werden, da der LM317 nicht als Modell verf\u00fcgbar war.
\nAnschlie\u00dfend wurde ein Testaufbau der Schaltung auf dem Breadboard gepr\u00fcft.
\nDer Widerstand R4, welcher in der recherchierten Schaltung ein Potentiometer ist, wurde
\ndurch folgende Formel dimensioniert:<\/p>\n
\nf\u00fcr den Akku gefortert ist, kann man die Formel nach R4 umstellen, sodass man einen
\nWert von 2700 erh\u00e4lt. Der am n\u00e4chsten liegende Normwiderstand hat einen Wert von
\n2,7 k und wurde f\u00fcr die Schaltung als Festwiderstand integriert.
\nSimone Weidner<\/em><\/ins><\/ins><\/p>\n
\nQ1 und der Mosfet M1 sind immer gleichzeitig aktiv, somit bestimmt der Arbeitspunkt
\nvon Q1, in welchem Intervall die Schaltung Strom an die Last abgibt. Q2 ist inaktiv
\n(Strom flie\u00dft von der Basis zum Kollektor), wenn Q1 aktiv ist. Ist die Last aktiv, bildet
\nsich die Maschengleichung aus UR4 + UR5 = UR8 + UQ2 = ULast. Durch R5 ist einstellbar,
\nwie gro\u00df die Differenz zwischen Beginn des Entladens und Ende des Entladens ist. R5
\nwurde mit 100 so gew\u00e4hlt, dass der Akku erst ab einer Spannung von 12,2V entladen
\nwird. Das Potentiometer ist auf 10.8V als Entladeschlussspannung eingestellt.
\nDie hohen Wiederst\u00e4nde sorgen f\u00fcr einen geringen Leerlaufstrom. In der Simulation
\nflie\u00dfen im Zener-Diodenstrang maximal 440 mA. \u00dcber R1 flie\u00dfen zwischen 1 und 2mA.
\n\u00dcber die Zener-Diode f\u00e4llt immer eine etwa gleich gro\u00dfe Spannung von 4.1V ab.
\nBenjamin Petrick<\/em>
\n<\/ins><\/p>\n
\nerst wieder angefangen wird zu entladen, wenn der Akku seine Nennspannung von 12V
\nerreicht. Um dies zu verdeutlichen, wurde eine Simulation in LTSpice durchgef\u00fchrt.
\nDie gr\u00fcne Kurve entspricht der Akkuspannung und soll als sein Ladezustand gedeutet
\nwerden. Der Sinus spiegelt das Laden und Entladen des Akkus dar. Die rote Kurve ist die
\nSpannung am Verbraucher bzw. der Last. Zu sehen ist, wie diese die Spannung des Akkus
\nin einem Intervall von 12,2V \u2013 10,8V \u201ckopiert\u201c und, sobald die Entladeschlussspannung
\nvon 10,8V unterschritten wird, auf 0V f\u00e4llt. Nun kommt die eben erw\u00e4hnte Hysterese ins
\nSpiel, welche daf\u00fcr sorgt, dass erst ab der Nennspannung von 12,2V wieder entladen wird,
\num ein andauerndes Hin- und Herladen und Entladen an der 10,8V-Schwelle zu vermeiden.<\/p>\n![\"\"](\"http:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/zuchthaus\/wp-content\/uploads\/sites\/22\/2018\/07\/tief_sinus.png\")
<\/p>\n
\nwurde die Schaltung vom Tutor abgenommen und getestet.
\nIm ersten Schritt wurde die Ausgangsspannung an offenen Klemmen bei verschiedenen
\nEingangsspannungen zwischen 14,5V und 17V getestet. Diese wurde wie erw\u00fcnscht
\ndurch den LM317 konstant auf 13,8V gehalten, was der Ladeschlussspannung des Akkus
\nentspricht.
\nAnschlie\u00dfend wurde die Schaltung unter Last getestet. Aus Sicherheitsgr\u00fcnden wurde
\nvorerst statt des Akkus ein Schiebewiderstand an den Laderegler (max. 330 , 1,3 A) angeschlossen, der auf<\/p>\n
\nEingangsspannung Uein = 14,5 V wurde eine Ausgangsspannung Uaus = 12,4 V gemessen,
\nda unter Last ein Strom \u00fcber den Widerstand flie\u00dft und so die Spannung etwas geringer
\nwurde. Damit wurde gezeigt, dass die Schaltung auch unter Last angemessen funktioniert.
\nSchlie\u00dflich wurde ein etwas entladener Akku mit ca. 11,2V Klemmspannung angeschlossen,
\num den Ladevorgang unter realen Bedingungen zu testen, w\u00e4hrend auf den Ladestrom
\nund die Akkuspannung geachtet wurde. Die Eingangsspannung wurde auf Uein = 16,8
\nV eingestellt. Das f\u00fchrte dazu, dass die Spannung am Akku allm\u00e4hlich stieg, w\u00e4hrend
\nder Strom kleiner wurde. Dabei lag der Ladestrom am Anfang noch bei ca. 0,5A und
\nwurde durch die Funktionsweise des Ladereglers immer kleiner, je n\u00e4her der Akku seiner
\nLadschlussspannung kam.
\nIn der folgenden Abbildung ist eine Momentaufnahme des Ladeprozesses zu sehen, bei der der Akku auf 13,12V aufgeladen wurde, w\u00e4hrend der Ladestrom auf 0,228A gesunken
\nist, was unseren Erwartungen entprach.<\/p>\n![\"\"](\"http:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/zuchthaus\/wp-content\/uploads\/sites\/22\/2018\/07\/Ladeprozess.png\")
\nAbbildung 16: Momentaufnahme des Ladepzozesses<\/p>\n
\nhatte die Schaltung nicht funktioniert, bis vom Tutor bemerkt wurde, dass die Leitungen
\nder Versorgungsspannung am Breadbord nicht miteinander verbunden waren. Nachdem
\ndies nachgeholt wurde, hat die Schaltung letztendlich funktioniert.
\nDas Potentiometer wurde per Trial and Error so lange eingestellt, bis die gew\u00fcnschte
\nSpannung erreicht wurde, an der der Tiefentladeschutz \u201dgreift\u201d und der Ausgang von der
\nLast getrennt wird, indem der Mosfet sperrt, was in diesem Fall ca. 10,8V betrug. Der
\nWidertandswert lag danach bei ca. 2500.
\nIm Folgenden ein Bild des Tesaufbaus der Tiefentladeschutzschaltung:<\/p>\n![\"\"](\"http:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/zuchthaus\/wp-content\/uploads\/sites\/22\/2018\/07\/tief_schutz_aufbau.png\")
\nAbbildung 17: Testaufbau der Tiefentladeschutzschaltung<\/p>\n
\n(Laderegler + Tiefentladeschutz) in EAGLE-Schematics zusammengef\u00fcgt werden.
\nDies geschah unter der Ber\u00fccksichtigung, dass noch ein Relais zus\u00e4ztlich dazukam, welches
\ndie Notstromversorung je nach vorhandener Netzspannung in Einsatz bringt oder nicht.
\nAu\u00dferdem kamen zur Sicherung noch eine 6,3A-Sicherung und eine Diode hinzu. Um
\nam Ausgang sowohl 12V als auch 5V f\u00fcr die anderen Gruppen zur Verf\u00fcgung zu stellen,
\nwurde ein 7805-Spannungsregler angeschlossen, an dem die 5V abgegrifen werden k\u00f6nnen. Die fertige Gesamtschaltung sieht demnach wie folgt aus:<\/p>\n![\"\"](\"http:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/zuchthaus\/wp-content\/uploads\/sites\/22\/2018\/07\/fertige_schaltung_v2.png\")
\nAbbildung 18: Gesamtschaltung<\/p>\n
\nauf einige Punkte achten. So sollten Leiterbahnen, die den Entladestrom f\u00fchren, bzw. alle Leiterbahnen, die mit hoher Stromst\u00e4rke belastet werden, breiter gew\u00e4hlt werden, um diese nicht zu besch\u00e4digen
\noder gar zu zerst\u00f6ren. Die Leiterbahnen sollten auch immer mit einem 45 Grad-Winkel verlegt werden um
\nbesseren Stromfluss zu gew\u00e4hleisten. Au\u00dfnahme hier sind die Leiterbahnen, die direkt zu
\nBauteilpads hin- oder von ihnen wegf\u00fchren.
\nF\u00fcr genug Platz f\u00fcr die K\u00fchlk\u00f6rper der ICs sollte auch gesorgt werden, was hier mehr
\noder weniger erfolgreich geschah. Der Mosfet und der Spannungsregler sind etwas zu
\nnah beieinander. Befestigt man den K\u00fchlk\u00f6rper f\u00fcr eines der beiden Bauteile jedoch
\nandersrum orintiert, finden beide auf der Platine Platz (Hinweis vom Tutor).
\nDa die Schaltung auch drei Ground-Potentiale besitzt, mussten drei Polygone um die
\nPlatine gezogen werden, um jede der drei Massefl\u00e4chen separat zu erstellen.
\nAn Stellen, wo es Sinn macht, wurden L\u00f6cher f\u00fcr die Messpins gebohrt.
\nDas endg\u00fcltige Layout sieht nach Beachtung (fast) aller Punkte wie folgt aus:
\nAyhan T\u00fcrk<\/em><\/ins><\/ins><\/ins><\/p>\n![\"\"](\"http:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/zuchthaus\/wp-content\/uploads\/sites\/22\/2018\/07\/layout.png\")
\nAbbildung 19: Endg\u00fcltiges Layout<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"