Intelligentes 9-V-NiMH-Ladegerät: Konstantstrom, dV/dt-Abschaltung, Erhaltungsladung (v1)

Bauteile

Ladeprinzip (NiMH, 9-V-Block = 6–8 Zellen à 1,2 V)

• Konstantstrom (CC): Einstellbarer Ladestrom (z. B. 30–170 mA). Spannung wird per DAC + OpAmp + LM317 so geregelt, dass über dem Shunt (10 Ω) die gewünschte Spannung abfällt (I = V_shunt / 10 Ω).
• Abschaltung: –dV/dt-Erkennung: Während des Ladens wird die Batteriespannung minütlich geloggt. Fällt die lineare Regression über 5 Minuten negativ → Batterie voll.
• Erhaltungsladung (Trickle): C/40 (z. B. 170 mAh / 40 = 4,25 mA) für max. 6 min (einstellbar bis 10 h).
• Sicherheit: Hard-Limits: MAX_CURRENT = 200 mA, MAX_VOLTAGE = 15 V. Relais trennt Batterie bei Fehler/Ende.

Schaltungsbeschreibung

1. DAC (MCP4725) liefert 0–5 V über I²C (Adresse 0x60).
2. OpAmp (LM358) als nicht-invertierender Verstärker: Gain = 1 + R4/R3 = 1 + 6,8k/3,3k ≈ 3,06 → 0–15,3 V am LM317-ADJ-Pin.
3. LM317 hält 1,25 V zwischen ADJ und OUT → Ausgangsspannung 1,25–16,5 V. 1-kΩ-Widerstand (R6) sichert Mindestlast (3,5 mA). Elko C1 (100 µF) stabilisiert.
4. Strommessung: Shunt 10 Ω im Plus-Pfad. Spannung daran → Arduino A2 (0–5 V = 0–500 mA).
5. Spannungsmessung: Teiler 5,1 kΩ / 20 kΩ (1:5) vom Batterieplus → Arduino A0 (max 16 V → 3,2 V).
6. Relais trennt Batterie vom Ladekreis (Öffner-Kontakt = sicherer Default).
7. LCD per I²C (Adresse 0x27, YwRobot-Modul nutzt NewLiquidCrystal-Library).

Software-Zustandsautomat

Der Sketch (aufgeteilt in charger.ino, main.ino, hw.ino, lcd.ino, calculations.ino) implementiert folgende States:

• INITIALIZATION → NO_BATTERY / BATTERY_CONNECTED
• BATTERY_CONNECTED → Spannung prüfen (> 7 V) → CURRENT_RAMP_UP
• CURRENT_RAMP_UP → DAC-Schrittweise erhöhen bis Sollstrom erreicht → CHARGING
• CHARGING → CC-Regelung (Nachführung per DAC), –dV/dt-Überwachung (lineare Regression über 5 Min). Bei negativem Trend → FULLY_CHARGED
• FULLY_CHARGED → Ladezeit & Kapazität anzeigen → CURRENT_RAMP_DOWN
• CURRENT_RAMP_DOWN → Strom auf Trickle reduzieren → TRICKLE
• TRICKLE → Erhaltungsladung bis Zeitablauf → END_OF_TRICKLE → Relais aus → FINAL_STATE
• Fehlerzustände: OVERCURRENT, OVERVOLTAGE, REGULATION_FAILED, UNEXPECTED_CURRENT_FALL, UNABLE_TO_REACH_CURRENT → Relais aus, Anzeige, Halt.

Konfigurierbare Parameter (in charger.ino)

float target_current_mA        = 30;    // Ladestrom (mA)
float battery_nominal_capacity_mA = 170; // Nennkapazität (mAh)
float max_time_for_trickle_charge = 6;   // max. Trickle-Zeit (Minuten)

Ladestrom max. 1 C (hier 170 mA), min. C/10 (17 mA). Trickle-Strom = Kapazität / 40.

Anzeige (LCD)

• Zeile 1: Status / Meldung (z. B. „Charging -0.012“, „Completed 12:34“).
• Zeile 2: Aktuelle Werte: „8.45V 30.2mA 12“ (Spannung, Strom, Minuten).

Warnung & Haftung

Achtung: Falsches Laden (zu hoher Strom, falsche Zellenzahl, Alkaline-Zellen) kann zu Explosion, Brand oder Ausgasung führen. Nie unbeaufsichtigt laden! Nur für NiMH-Zellen geeignet (NiCd, Li-Ion benötigen andere Algorithmen). Der Autor übernimmt keine Haftung.

Weiterentwicklung (v2 geplant)

• Entladefunktion (Kapazitätsmessung).
• Zyklusbetrieb (Laden → Entladen → Laden).
• Automatische Zellenzahl-Erkennung.
• Temperaturüberwachung (NTC an Batterie).
• Logging auf SD-Karte.

Fazit

Ein anspruchsvolles, aber lohnendes Projekt für Elektronik-Begeisterte: Präzises Konstantstrom-Laden mit professioneller –dV/dt-Abschaltung, komplett mikrocontrollerbasiert. Die modulare Code-Struktur und detaillierte Dokumentation machen es als Lernplattform für Batteriemanagement hervorragend geeignet.