Stromsenke für das PowerCube.

Einleitung:

Seit Ende Juli 2004 lade ich meine Akkus fast nur mehr mit dem Lader PowerCube des Herstellers www.lomcovak.cz , das ich über www.thommys.com bestellt habe.

Kurz die technischen Daten:

Laden: bis 49 Volt, bis 10 Ampere bei 300 Watt.
Entladen: bis 10 Ampere bei 150 Watt.

Das Problem war, dass die Entladung nur über eine Strom-Rückspeisung in Auto Akku durchgeführt wird. Wird das PowerCube nun an einem Netzteil betrieben ist ein Entladen natürlich nicht möglich. Angekündigt ist ein sogenannter "Entlade-Widerstand" der zwischen Netzteil und PowerCube gesteckt wird und damit ein Entladen am Netzteil möglich wird. Bis heute (Ende September) war jedoch so ein Entlade-Widerstand nicht lieferbar.

Wie soll so ein Entlade-Widerstand funktionieren?
Die Aufgabe war den Rückspeisestrom abzuleiten um einen Spannungsanstieg am Netzteil über 14 Volt zu verhindern, da dann das PowerCube das Entladen beendet.
Es musste daher eine Stromsenke, in etwa eine leistungsfähige Zener-Diode, entwickelt werden, die bei ca. 13,5 Volt 10 Ampere Strom ableiten muss. Es sind daher ca. 135 Watt an elektrischer Leistung in Wärme umzuwandeln. Eine ausreichende Kühlung ist daher unbedingt notwendig.

Nach einiger Überlegung über die Realisierbarkeit baute ich einen Prototyp (Bild 1) der aus vier Leistungs-Mosfets (Bild 2), angesteuert von einem Operationsverstärker, bestand. Damit der Kühlkörper nicht zu gross ausfiel, wurden zwei Axiallüfter zur Zwangskühlung auf den Kühlkörper (Bild 3) montiert.

Nach einigem Testen wurde noch eine Temperatursteuerung der Lüfter mit einem NTC hinzugefügt und die Anzahl der Leistuns-Mosfets auf sechs Stück erhöht um eine bessere Temperaturverteilung zu erreichen. Nach dem ein Schaltplan (Bild 4) und ein Platinen Layout (Bild 5) mit dem Programm Eagle der Fa. www.cadsoft.de erstellt wurde ging es zum Bau des endgültigen Gerätes. Ein Metallgehäuse aus Aluprofilen und entsprechende Anschlusskabel incl. Steckbuchsen zum Anschluss des PowerCubes vervollständigten das Projekt.

Bild 1 (Prototyp, Platine)

Bild 2 (Prototyp, Kühlkörper-Rückseite)

Bild 3 (Prototyp, Lüfter)

Bild 4 (Schaltplan)

Bild 5 (Platinen Layout)

Projekt:
Die Stromsenke für das PowerCube ist fertig gebaut (Bild 6-9).

Bild 6

Bild 7

Bild 8

Bild 9

Die Eagle-Dateien kann man unter den folgenden Links herunterladen.

Schaltplan
Platine
Bauteilliste

Achtung: Der Schaltplan und die Platine sind nicht "konsistent", das heisst, Änderungen müssen jeweils am Schaltplan und der Platine extra vorgenommen werden. Die Platine ist aber elektrisch korrekt ausgeführt.


Beschreibung:
Die Stromsenke besteht im wesentlichen aus den 6 paralell geschalteten Leistungs-Mosfets, die durch den Operationsverstärker IC1 (A) gesteuert werden. Überschreitet die Eingangsspannung den mit R24 eingestellten Wert so wird über die Leistungs-Mosfets soviel Strom abgeleitet, dass die Spannung am Eingang konstant gehalten wird.
Der Operationsverstärker IC1 (B) steuert über den NTC und den Mosfet Q9 die beiden Lüfter. Die Einschaltschwelle kann mit R25 eingestellt werden.
Die LED dient nur zur Funktionskontrolle und leuchtet wenn die Mosfets angesteuert werden.

Hinweise zum Nachbau:

Achtung ! Obwohl diese Schaltung bei mir ohne Probleme funktioniert haftet jeder, der diese Schaltung nachbaut und in Betrieb nimmt, selbst für Schäden die durch die sachgemässe oder unsachgemässe Verwendung entstehen können. Da mit Verlustleistungen bis ca. 150 Watt gearbeitet wird können auch hohe Temperaturen entstehen, die eventuell zu Schäden führen können.

Die Platine kann mit der Freeware Version von Eagle www.cadsoft.de  im Massstab 1:1 auf Inkjet-Klarsichtfolie ausgedruckt werden (nur die Layer für die Leiterbahnen, Dimensionen und die Lötpads einschalten). Dann mit der bedruckten Seite auf die Fotolack beschichtete Platine legen (Die Schrift muss dann seitenrichtig sein).

Als Mosfets können alle Typen mit einer Spannungsfestigkeit von ca. 30 Volt und einer Leistung von ca. 25 Watt verwendet werden. Der Kühlkörper muss die Verlustleistung mit Hilfe der Lüfter abführen können (meiner ist ca. 80mm x 150mm gross und besitzt alle 4 mm Rippen, Zwei Computerlüfter 60mm x 60mm).
Die Sicherung (KFZ Mini Fuse, 15A) wird direkt auf die zwei rechteckigen Lötpads am minus Anschluss aufgelötet. Die Anschuss Pads sind doppelt vorhanden, damit man die Versorgungsspannung durchschleifen kann (Die Stromsenke muss ja zwischen Netzgerät und PowerCube gesteckt werden).
Die Hochstrom führenden Leiterbahnen müssen dick verzinnt werden, oder besser noch, einen blanken Kupferdraht auflöten.
R1 bis R6 können flach auf die Platine gelegt werden (1mm Luft unterhalb schadet nicht), damit man die Platine knapp unter den Kühlkörper montieren kann. Die Leistungs Mosfets werden mit kurzen Kabeln einzeln an die Platine gelötet, da sie dann besser am Kühlkörper verteilt werden können. Auch Q9 und der NTC müssen am Kühlkörper montiert werden.

Abgleich:
Benötigt wird ein Spannungsmessgerät und ein einstellbares Netzteil mit Strombegrenzung.
Vor dem ersten Anschluss wird das einstellbare Netzgerät auf ca. 15 Volt und ca. 100 mA eingestellt und die Stromsenke angeschlossen. R24 wird nun so lange verdreht bis sich am Netzgerät eine Spannung von ca. 13.5 Volt zeigt. diese Spannung muss unbedingt ca. 1/2 Volt höher sein, als das Netzteil, an dem dann die Akkus geladen werden, und nicht höher als 14 Volt, da sonst das PowerCube beim Entladen abschaltet. Ein 13,8 V Netzteil eventuell auf 13 V herunterregeln.
Nun wird die Strombegrenzung am einstellbaren Netzgerät soweit hinaufgedreht bis ca. 2-3 Ampere angezeigt werden, die Spannung darf sich dabei nicht ändern. Man misst nun die Spannung an allen Source Widerständen der Leistungs-Mosfets (ca. 70 -100 mV) und kontrolliert ob alle ca. den gleichen Wert haben. Sollte hier ein grössere Unterschied sein, so haben die Leistungs-Mosfets eine zu grosse Exemplarstreuung, und es wird der Strom nicht gleichmässig unter den sechs Leistungs-Mosfets verteilt. Dies kann unter Umständen dazu führen, dass einer überhitzt. Hat man mehrere gekauft, so kann man sich die etwa gleichen zusammensuchen und den mit der grössten Streuung als Q9 für die Lüfter verwenden.
R25 wird so eingestellt, dass die Lüfter dann anlaufen, wenn der Kühlkörper schon etwas warm ist.

Fertig.

Als Abschluss noch ein Bild vom Display des PowerCube beim Entladen eines Akkus (16 Zellen NiCd 1500 mAh) mit 10 Ampere bei 17.93 Volt = 180 Watt Entladeleistung !!!!!

Hier das Bild vom Data-Log Programm des PowerCube.

Viel Vergnügen beim Nachbau. Würde mich auch über Kritik und Vorschläge freuen.

Hier ein paar Bilder der Stromsenke,
nachgebaut von Christian Rakob aus Hamburg:

Zum Vergrössern, auf das Bild klicken.

Andreas.
office@doktor-baumgartner.com

 

letztes Update: 07.04.2005