Er werd mij gevraagd een eenvoudige lader te maken voor een zware Nickel-metaalhydride batterij. De lader moest snel werken, maar ook betrouwbaar zijn en de batterijen niet overladen.
Er bestaan 12V 7Ah loodbatterijen die bijvoorbeeld gebruikt worden in noodvoedingen en alarmsystemen. Dit zijn batterien die geladen moeten worden met een float charge: eerst een contante stroom, dan een constante spanning.
Maar er bestaan ook NiMH batterijen van 12V 7Ah. Deze kunnen volledig ontladen worden en gaan langer mee dan loodbatterijen, zeker als ze regelmatig ontladen worden. Deze batterijen kunnen door een hoge stroom geladen worden, maar ze mogen niet overladen worden. Het is zelfs beter een hoge laadstroom te gebruiken, daardoor wordt vermeden dat de batterijen "lui" zouden worden en een geheugeneffekt zouden opbouwen.
De lader werd gemaakt met onderdelen die ik toevallig bij mij had. Geen schakelende voeding maar een gewone transfo en transistoren die ik bij de hand had.
Als de batterij geladen moet worden, is het omdat die gebruikt is geweest, maar hoe sterk die ontladen is geweest is niet geweten.
We beginnen met een transfo van 18V 1A (uiteindelijk bleek dat de transfo een dubbel zo hoge stroom kon leveren). Er is een vermogensgelijkrichter voor het laden van de accu, en een gelijkrichter met filter voor de electronika. De gelijkgerichte en gefilterde spanning bedraagt maximaal 25V (dit is belangrijk want de op amp werkt met een maximale spanning van 30V).
NiMH accus zijn moeilijk te laden, zeker in een pack van 10 cellen. Als de batterij geladen is, dan wordt de toegevoegde energie in warmte omgezet en wordt de accu warmer. Daardoor zakt zijn inwendige weerstand en de klemspanning valt wat terug (zie detectie einde lading). Maar omdat de accu aangesloten wordt met klemmen (die soms geen goed contact maken), was het niet mogelijk de einde van de lading te bepalen door een terugval van de spanning. 10 cellen die in serie galaden worden vertonen geen duidelijke dip, waardoor deze methode minder aangewezen is, zelfs indien de contacten gesoldeerd zouden zijn.
Om te bepalen of de accus geladen zijn, wordt de temperatuurstijging gemeten. De schakeling is heel gevoelig en schakelt het laden uit bij een temperatuurstijging van minder dan 5°. Om de schakeling in alle omstandigheden correct te laten werken (ongeacht de omgevingstemperatuur) worden er twee NTC-weerstanden gebruikt. Deze zakken in weerstandswaarde bij het stijgen van de temperatuur. De weerstandsverandering is heel sterk, meer dan bij een Pt100, maar is niet lineair. Voor onze toepassing is dit geen bezwaar, we willen enkel weten wanneer de batterijen beginnen op te warmen.
De twee NTC's worden met elkaar vergeleken (het zijn geen twee identieke exemplaren, daarom dat de andere weerstanden niet identiek zijn). Bij een heel minieme temperatuursverhoging hebben we al een spanningsverschil van meer dan 10mV, en dit is voldoende om de op-amp te doen omslaan.
We stellen de schakeling éénmaal in zodat de rode led juist niet oplicht in rust. De schakeling is nu ingesteld en zal correct werken bij alle temperaturen. De instelling moet slechts éénmaal gebeuren. De condensator van 100µF aan de op-amp zorgt ervoor dat de schakeling niet automatisch begint te laden.
De mosfet gaat daardoor in geleiding en trekt de laadtransistor ook in geleiding. De laadstroom bedraagt juist meer dan 1A. Let op de schakeling die geen elko heeft op de voedingslijn voor het laadcircuit: dit is niet nodig, de gemiddelde laadstroom heeft zo de juiste waarde.
Als de accu geladen is, dan stijgt de temperatuur van de accu. Een heel minieme temperatuurstijging wordt reeds gedetecteerd en doet de op-amp omschakelen. De rode led gaat branden en de thyristor gaat in geleiding. De mosfet gaat uit geleiding en ook de eindtransistor. Er loopt enkel nog een zwakke stroom door de accu (de accu mag constant geladen worden met een stroom van 0.05C, in deze schakeling is dit 0.02C).
Als de temperatuur opnieuw daalt, dan klapt de op-amp weer om, maar de thyristor blijft in geleiding: de batterij wordt niet meer opnieuw geladen.
De NTC voor de batterij zit op een lange draad zodat de NTC tussen twee elementen geplaatst kan worden. Om meetfouten te vermijden is de NTC kabel vast gesoldeerd. De referentie-NTC wordt buiten de behuizing gemonteerd zodat de warmte van de transfo de meting niet kan verstoren.
Als je zo'n schakeling zou bouwen: kies NTC's met een hoge weerstandswaarde (1kΩ als richtwaarde). De weerstanden aan de positieve lijn moeten een waarde hebben die 10× hoger ligt (mijn sensoren hadden een weerstandswaarde van 300 à 400 Ω). De onderdelen zijn niet kritisch. Mocht de laadstroom in HIGH te hoog zijn, dan kan je de vermogenstransistor BD202 voorzien van een emitterweerstand van een paar ohms.
De gelijkgerichte voedingsspanning voor de electronica moet ongeveer 25V bedragen in rust (zonder batterij) en mag zakken naar 15V bij volle belasting (lading HIGH). Je kan gerust de twee elk's van 470µF vervangen door één van 1000µF (40V).
Lader voor alle types Nickel batterijen
12V - 4 tot 12Ah
De spanning en capaciteit zijn identiek aan loodaccus, maar de eigenschappen zijn verschillend, waardoor je een lader voor het ene systeem niet kan gebruiken bij het andere systeem.