Wann man aufhören muss: Den Punkt finden, der „voll“ signalisiert

**US 5,196,780**, David R. Pacholok, eingereicht am **10. September 1991**, erteilt am **23. März 1993**, erloschen. Die Abbildung auf dieser Seite ist ihr eigenes Blatt 1: FIG. 1 ist die Spannungs-Zeit-Kurve mit markiertem Spitzenwert, und FIG. 2 ist das Blockdiagramm — FAST CHARGE und SLOW CHARGE Blöcke, das RC-Netzwerk zu einem Komparator und entlang der Unterseite **TH** und **TIMER**. Schreiben Sie die drei Abschaltkriterien aus, bevor Sie etwas aufbauen, denn die Anordnung ist die Erfindung, nicht eines dieser Kriterien für sich allein: 1. **−ΔV**, erkannt durch einen Kondensator, der über einen Widerstand vom Batterieanschluss geladen wird. Der Kondensator hinkt nach. Wenn er die Batteriespannung *überholt*, muss die Batterie die Umkehr bereits vollzogen haben. Kein Differenzierglied, kein Rauschproblem. 2. **Ein Timer**, etwa achtzehn Minuten bei Schnellladung. Falls das Spannungssignal nie eintrifft, endet die Ladung trotzdem. 3. **Ein Thermostat**, eingestellt auf **40 °C bis 60 °C**, direkt an den Zellen selbst. Werden sie aus irgendeinem Grund heiß, endet die Ladung. Danach ist zu beachten, was nach der Abschaltung geschieht: Die Schaltung schaltet nicht ab, sondern wechselt in eine **Erhaltungsladung**, die die Selbstentladung ausgleicht, ohne zu überladen. Ein Ladegerät, das einfach stoppt, hinterlässt einen Akku, der bis Donnerstag wieder leer ist. Die Quellen für dieses Beispiel sind einwandfrei und die Zahl ist verifiziert. Wo eine spätere Stufe sagt, eine Zahl habe nicht festgelegt werden können, ist das eine Aussage über diese Stufe und keine Gewohnheit.

Sie können einen Detektor für ein Signal, das Sie nie gesehen haben, nicht sinnvoll bauen. Zeichnen Sie zuerst das Signal auf. Legen Sie eine entladene NiMH-Zelle in eine Halterung. Stellen Sie das Labornetzteil auf konstanten Strom bei **1C** ein – 2 A für eine Zelle mit 2.000 mAh – mit einer Spannungsgrenze von 1,8 V, damit eine schlechte Verbindung keine Überraschung erzeugen kann. Kleben Sie das Thermoelement mit Klebeband an die Zellhülle. Protokollieren Sie die Klemmenspannung auf **vier Stellen** genau und die Temperatur der Zellhülle jede Minute. Vier Stellen sind keine Pedanterie: Das gesamte Signal, nach dem Sie suchen, beträgt etwa 10 mV, daher kann ein dreistelliges Messgerät, das 1,48 V anzeigt, es überhaupt nicht erkennen. Erwarten Sie über etwa eine Stunde: - einen schnellen Anstieg in den ersten Minuten, während sich die Zelle polarisiert; - eine lange, langsam ansteigende Mitte; - einen **Peak**, danach einen Abfall in der Größenordnung von 5–15 mV bei einer einzelnen Zelle; - **stark ansteigende Temperatur** ungefähr ab demselben Zeitpunkt. Beenden Sie den Ladevorgang am Peak oder bei 45 °C, je nachdem, was zuerst eintritt. Markieren Sie in Ihrem Protokoll, wo der Peak lag und wie viele Millivolt der Abfall betrug. Das ist die Zahl, die Ihre Schaltung auflösen muss, und bei einem Zwölfzellenpaket ist sie zwölfmal größer, weshalb die −ΔV-Abschaltung bei einem Paket weit besser funktioniert als bei einer einzelnen Zelle.

Baue jetzt Pacholoks Detektor auf dem Steckbrett auf. Er besteht aus vier Teilen. 1. **Das RC-Glied.** Ein Widerstand vom Batterieanschluss zu einem Kondensator gegen Masse. Wähle R und C so, dass R×C die Zeitkonstante ist, die du in Schritt 4 gewählt hast – 470 kΩ mit 470 µF ergeben etwa 220 Sekunden, also knapp vier Minuten. Verwende einen Folienkondensator oder einen Elektrolytkondensator mit geringem Leckstrom; ein undichter Kondensator ist ein zweiter, ungeplanter Widerstand, und er hält die Kopie dauerhaft unten. 2. **Der Komparator.** Ein LM393, mit der Batteriespannung an einem Eingang und dem Kondensator am anderen. Sein Ausgang kippt in dem Moment, in dem der Kondensator gewinnt. 3. **Etwas Hysterese.** Ein hochohmiger Widerstand vom Ausgang zurück zum nicht invertierenden Eingang, etwa ein Megaohm, damit der Ausgang sauber umschaltet, statt an der Schwelle zu flattern. Ohne ihn lösen Sie wiederholt bei Millivolt-Rauschen aus. 4. **Der Schalter.** Der Komparatorausgang steuert das Gate des Logic-Level-MOSFET, der den Ladestrom führt. Logic-Level ist wichtig: Ein gewöhnlicher MOSFET schaltet bei einer 5-V-Gatespannung nicht vollständig durch und verheizt die Differenz als Wärme. Testen Sie es zuerst ohne Batterie. Legen Sie den Funktionsgenerator mit einem sehr langsamen Dreieck an den Eingang – einige Minuten pro Zyklus, ein bis zwei Volt Spitze-Spitze – und prüfen Sie, dass der Ausgang kurz nach jedem Scheitelpunkt kippt und nicht davor. Ein Signalgenerator, den Sie nach Belieben umkehren können, ist ein weit besserer Test als eine Zelle, die sich nur einmal pro Stunde umdreht. Legen Sie dann Ihre aufgezeichnete Zellkurve real davor. Beobachten Sie die Kondensatorspannung auf einem Oszilloskopkanal und die Zelle auf dem anderen; der Schnittpunkt ist sichtbar, und genau darum geht es in dieser Schaltung.

Ein −ΔV-Detektor allein ist eine Schaltung, die stillschweigend versagen kann, und die Fehlerart ist eine Ladung, die niemals endet. Füge die anderen beiden hinzu. **Der Thermostat.** Verwende den eigenen Thermistor des Akkupacks, wenn du den TH-Pin aus Stufe 3 hast, oder einen 10-kΩ-NTC, der an die Zelle geklebt wird. Schalte ihn in einen Spannungsteiler mit einem festen Widerstand und führe den Abgriff in die zweite Hälfte des LM393; stelle die Referenz mit dem Potentiometer so ein, dass der Komparator bei etwa **45 °C** auslöst. Kalibriere ihn, nimm es nicht einfach an: Erwärme den Thermistor mit der Heißluftpistole auf der niedrigsten Stufe, während du das Infrarot-Thermometer beobachtest, und passe an, bis die Auslösung dort liegt, wo du sie haben willst. Verdrahte den Ausgang dieses Komparators so, dass er das MOSFET-Gate **unabhängig** davon abschalten kann, was die −ΔV-Hälfte meldet. **Der Timer.** Der 555 im monostabilen Modus mit einem langen RC-Glied ergibt Pacholoks achtzehn Minuten. Berechne R und C für deine eigene Laderate, statt seine zu übernehmen: Achtzehn Minuten sind richtig für die Rate, die sein Ladegerät verwendete, und ein Timer, der auf die falsche Rate eingestellt ist, ist schlechter als keiner, weil er jede gute Ladung vorzeitig abbricht. Teste nun jede Schaltung **allein**. Trenne die −ΔV-Hälfte und beweise, dass der Thermostat die Ladung stoppt. Trenne den Thermostat und beweise, dass der Timer dies tut. Eine Redundanz, die du nie einzeln getestet hast, ist keine Redundanz, sondern drei Schaltungen und eine Hoffnung. Füge schließlich den Langsamladepfad hinzu: einen Widerstand, der nach dem Abschalten einen Erhaltungsstrom fließen lässt, etwa bei C/40. Miss ihn mit dem Multimeter und vergleiche ihn mit der Selbstentladungsrate der Zelle.

**Urheberschaft.** US 5,196,780, David R. Pacholok, angemeldet am 10. September 1991, erteilt am 23. März 1993, abgelaufen. Die Zeichnung auf dieser Seite stammt vom Patent selbst. **Warum 1991 und nicht 1961.** Der −ΔV-Effekt war lange vor diesem Patent bekannt; Zellhersteller hatten ihn seit Jahren in Anwendungshinweisen beschrieben. Was fehlte, war ein Weg, einen Abfall von wenigen Millivolt auf einem Signal zu erkennen, das auf mehr als einem Volt liegt, und zwar günstig genug, um es in ein Verbraucherladegerät einzubauen, und zwar ohne Mikrocontroller. Der RC-Verzögerungstrick ist die Antwort auf den Teil „günstig genug“, und er ist wirklich elegant: Er ersetzt einen Differenzierer, der Rauschen verstärkt, durch eine Verzögerung, die es unterdrückt. **Was es für Bastler änderte.** Vor einer zuverlässigen Abschaltung betrug die sichere Laderate über Nacht C/10, weil der Rekombinationszyklus dies unbegrenzt aufnehmen konnte. Danach wurde Schnellladen alltäglich, und ein Schnellladegerät macht einen Zwei-Akku-Arbeitsablauf möglich: einer im Werkzeug, einer im Ladegerät, ohne Wartezeit. Der Akku von Stufe 3 und das Ladegerät dieser Stufe ergeben nur zusammen Sinn. **Ehrliche Grenzen.** −ΔV ist ein Signal der Nickelchemie und existiert bei Lithium-Ionen nicht, deren Spannung nur steigt; Lithiumzellen werden mit einer Konstantstrom-Konstantspannungs-Ladung und anschließend über einen abfallenden Strom beendet, also ein völlig anderes Verfahren. −ΔV wird außerdem schwieriger, je älter ein Akku wird, weil das Maximum abflacht, und bei einer einzelnen Zelle ist es aus dem Grund, den Schritt 2 nennt, kaum brauchbar. Und das ganze Verfahren beruht auf der Annahme, dass die Zellen eines Akkus gemeinsam vollständig geladen werden, was, wie Stufe 7 zeigt, nicht der Fall ist.