Das Energieproblem von Vielzellenfliegern

Das Laden von Flugakkus mit vielen Zellen verlangt nach einer potenten Stromquelle. Wer hier die Autobatterie seines Autos nimmt wird sich wohl wundern, wiewenig Energie diese doch enthält. Die Batterie eines Kleinwagens mit z.B. 45Ah liefert mir meistens nur eine Ladung meines 30 Zellen Packs! Dann warnt das Ladegerät bereits Unterspannung an: Da ich mit dem Auto aber noch weiterfahren will, muß ich dann aufhören ...
 
Autobatterie 72 Ah Ein Notstromakku 26Ah Der 20 Ah NC Akku
Die Autobatterie im Vergleich zu einem 10 Zelligen RC2000 Akku Eine Notstrombatterie mit 26Ah Nennkapazität Der 20 Ah NC-Akku
Gewicht 18 kG 10 Kg 7 Kg
Nennkapazität 75 Ah 26 Ah 20 Ah
Nutzbare Kapazität Anfänglich 40Ah 14 Ah 22 Ah
Lebensdauer 10 Zyklen 30 Zyklen ? bisher 30 Zyklen ohne Nachlassen
Der erste Ansatz war, mit einer separaten Batterie zu arbeiten. Hier gibt es gleich mehrere Möglichkeiten. Da die Autobatterien relativ günstig sind (75Ah ca 150,-) probierte ich es zunnächst damit. Wenn die Batterie neu ist klappt das auch recht gut, und man bekommt ca 5 Akkupacks mit 30 Zellen damit voll. Allerdings liefert die 75 Ah Autobatterie gerade mal 40 Ah an das Ladegerät ab, bevor dieses wegen Unterspannung bei 10,4V abschaltet.

Mit Jedem Ladezyklus stand mir aber ein voller Akkupack weniger zur Verfügung, obwohl die Batterien immer sofort nach Gebrauch sorgfältig mit mäßigem Strom wieder aufgeladen wurden. Nach 5 Wochenenden war es dann soweit, daß die volle Batterie nicht mal ein 30zeller vollbrachte! Der nächste Akku mußte her.

Diesen Zyklus habe ich mit mehreren verschiedenen Akkutypen verschiedener Hersteller und Bauart durchlaufen wobei das Ergebnis zwar unterschiedlich ausfiel, aber keine Akkusorte konnte mich recht überzeugen. Offensichtlich halten diese Batterien die Hochstromentladung im vollen Zyklus nicht aus.

Lange Diskussionen mit verschiedenen »sog. Experten« und echten Experten bestätigten meine Obige These, bzw brachten kein Ergebnis. Somit fällt der Bleiakku als Ernergiequelle aus.

Die nächste Idee war, ein NC Akku an dessen Stelle zu verwenden, denn hier weiß ich aus Erfahrung daß dieser Akku hohe Ströme liefern kann, und dabei auch eine beachtliche Lebensdauer erreichen kann.

Ich besorgte mir 20 Zellen vom Typ KR-20000M. Diese haben eine Nennkapazität von 20Ah und eine reale Kapazität von ca. 24Ah. Ich verwende 2 Packs mit je 10 Zellen, die zum aufladen in Reihe geschaltet werden, um bei Benutzung parallelgeschaltet die 12 V für das Ladegerät zu liefern.

Es zeigte sich, daß die Zellen von dem Ladegerät nicht besonders gut entladen werden, da das Gerät bei 11 Volt nicht mehr volle Leistung erreicht, und kurz darauf abschaltet. Wenn die Akkus nach Gebrauch auf ca 0,8V/Zelle entladen wurden konnte ich noch ca 3 Ah in jedem Pack feststellen, die nicht genutzt werden konnten. Mit dieser Methode konnte ich 4 30-Zellen Packs einwandfrei Aufladen und hatte nach 5 Durchläufen noch kein bißchen Einbuße bermerkt, im Gegenteil, nach einigen Zyklen stieg die Kapazität sogar noch ein wenig an!

Um die Akkus aber doch voll auszunutzen beschloß ich die Zellenzahl auf 12 zu erhöhen, denn so kann ich die Zellen tiefer entladen. Außerdem leistet das Ladegerät bei besserer Eingangsspannung einfach deutlich mehr. Daher geht das Laden auch um einiges schneller als zuvor. Leider arbeitet das Ladegerät aber nicht mit Spannungen >15V, da hier eine Interne Abschaltung in Kraft tritt. Nach Aussage von Schulze Technikern arbeitet ein »internes Netzteil an seiner Leistungsgrenze«. wenn aber nun ein 12 zelliger Akku richtig voll und unbelastet ist liefert er ca 18V und der Lader schaltet ab. Es muß also ein Spannungsregler her der die Spannung bei vollem Akku und in den Leerlaufphasen des Ladegerätes auf 15V begrenzt, der aber bei Belastung keinen Spannungsverlust mehr hat. Diesen Regler nenne ich einfach mal »zero Drop« Regler.

Da das Ladegerät bis zu 45A aufnimmt, muß dieser Regler einiges aushalten. Es kommt aber erleichternd hinzu, daß die Akkuspannung bei Belastung etwas einbricht. Dadurch wird der Regler immer dann voll durchschalten, wenn viel Strom benötigt wird und daher nur wenig Verluste verursachen.

Mein Regler ist mit 18 Mosfets vom Typ BUZ11 augebaut, und verliert damit bei einem Strom von 25A nur 37mV im voll durchgeschalteten Betrieb. Die vielen Einzeltransistoren wurden gewählt um die Wärme besser an den Kühlkörper abgeben zu können. Das ist wichtig, wenn der Akku ganz voll ist und viel Leistung verlangt wird. Dann können bis zu 60W Wärme entstehen.

Nach den ersten Tests stellte das Gerät seine prinzipielle Funktionstauglichkeit unter Beweis. An einem sehr heißen Frühlingstag (35 Grad) hatte ich aber Probleme mit der Spannungskonstanz. Die Spannung stieg um ca 200mV an, was dazu führte daß das Ladegerät beleidigt abschaltete. Daher mußte die Referenzspannung besser stabilisiert werden. Ich hab dann auf meinem Altplatinenstapel mal eine Suche gestartet, und bin auf einen LM299 gestoßen. Der ist schon fast etwas zu genau, das kann aber nicht schaden!

Das Datenblatt der Referenzspannungsquelle hab ich hier gefunden : http://www.national.com/pf/LM/LM299.html Dort finden sich jede Menge genauer Hinweise über dieses Bauteil.

Hier nun die Schaltung des Gerätes:


 

Die Endstufe des Gerätes ist der Einfachheit halber nur mit drei Transistoren gezeichnet. Der Reale Aufbau besteht aus 18 ! parallel geschalteten Buz 11!

Der Abgleich ist denkbar einfach. Der Eingang wird mit einem regelbarem Netzgerät verbunden und der Ausgang wird z.B. mit einer Autobirne belastet. Das Netzteil vor dem Verbinden auf 14,8V einstellen. Die Ausgangsspannung wird nun mit dem Trimmer auf 14,5V abgeglichen. Fertig.

In der Praxis hat sich gezeigt, daß das Gerät kaum warm wird, da die Akkuspannung bei entsprechender Belastung ausreichend weit einbricht. Diese Lösung scheint das derzeit mögliche Optimum an Gewicht und nutzbarer Leistung für das Laden vieler Zellen zu sein. Der gesamte Aufbau aus Akkus Ladegerät und Regler findet bei mir in einer Startkiste platz, die sich noch gut mit einer Hand Tragen läßt und auch noch ein klein wenig Werkzeug aufnimmt. So kann ich mit dem Hubschrauber alles was ich zum Fliegen (8mal) benötige mit einem mal tragen.

13.10.2000 Raimund Hilz hat die Schaltung nachgebaut, und dabei gleich perfektioniert. Hier Seine Version:



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