Powerpack im Wohnwagen

Wie kann ich einen Powerpack im Wohnwagen während der Fahrt am Bordnetz laden?

Ausgangspunkt:
Handelsübliche Powerpacks dienen zur Stromversorgung unabhängig von einen Fahrzeug. Weiterhin können sie als Starthilfe dienen. Meist gibt es noch zusätzliche Funktionen wie z.B. Kleinkompressor, Lampe, 220v-Inverter, USB-Lader. 

Akkupack        Rückwand mit Kompressor

Alle diese Powerpacks haben eines gemeinsam. Sie werden mit einen Steckernetzteil geladen und können so auch überladen werden. Eine Ladung im Fahrzeug ist schwierig, da zum Laden höhere Spannungen benötigt werden um z.B. die Sicherheitsdiode zu überwinden, die verhindert dass in das Ladegerät ein Rückstrom fließt. Deshalb liefert das verwendete Steckernetzteil auch 15V nominal. Im Leerlauf war die Spannung noch höher...

Zielvorstellung:
Ich möchte eine Ladeelektronik in das Gehäuse des Powerpacks integrieren, die folgende Aufgaben erfüllt:
  1. Laden des Akkus bis zur Ladegrenze
  2. Erhaltungsladung um das Powerpack ständig an der Ladespannung zu belassen
  3. Laden auch bei Spannungen unter 12v um im Wohnwagen zu funktionieren
  4. Schonende Ladung für ein langes Akkuleben
Realisierung:
Da die meisten Netzteile zum Laden der Akkupacks ca. 500mA liefern habe auch ich 500mA als Nominalwert vorgesehen. Eine Erhöhung des Ladestroms bis ca. 1A wäre wünschenswert, da bei den meist verwendeten 17Ah-Akkus die Ladezeit nicht zu groß werden sollte.

Akku                               Ladegerät Lieferumfang

Der Innenraum des verwendeten Powerpacks aus dem Supermarkt bot erstaunlich viel Platz um zusätzliche Elektronik einzubauen.

Platzangebot im Innenraum   Detail Innenraum

Schnell war ein passender Stepup-Wandler gefunden. Der erste Test an einer Ohmschen Last war ernüchternd: Bei einer Versorgungsspannung von 11v und einer Ausgangsspannung von 15v waren gerade mal 800mA drin, dann bricht die Ausgangsspannung zusammen. (Sicherheitsabschaltung) Da hat der Hersteller mit 3A ganz schön viel versprochen. Es ist wohl wie mit den Schnäppchen im Supermarkt: "Bis zu 3A." Was heist, dass nur unter ganz speziellen Bedingungen die 3A erreicht werden. - Nun gut, die 800mA reichen mir ja. Dafür ist der Kühlkörper so groß bemessen, dass er kaum handwarm wird. Damit kann ich auf eine Zwangsbelüftung verzichten.

Step-up Wandler
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Für die Regelung stellte ich mir einen Mikroprozessor vor, der mittels Stromsenke und FET eine stromgeregelte PWM realisiert. Der kann dann auch gleich Kontroll-LED steuern und beim Erreichen der Ladeschlussspannung auf Erhaltungsladung (Trickle) umschalten.

Hier nun das Blockschaltbild:
Blockschaltbild
Die Entkopplung zeigte sich notwendig, da der Stepup-Wandler sonst den µP stört. Sie besteht aus einem Widerstand und einem Elko.

Die Ausgangsspannung wird direkt mit dem Akku verbunden, eine Entkopplungsdiode ist im Reglermodul enthalten. So wird erreicht, dass der µP auch wirklich die Batteriespannung kontrolliert um ein Überladen zu verhindern. Leider ist mir das Foto der fertig aufgebauten Platine abhanden gekommen, so habe ich eine unbestückte und die bereits eingebaute Platine fotografiert. Dazu das Schaltbild.

Anmerkung: der 2. Treiber ist funktionslos. Die Leiterplatte ist eine Universalplatte für verschiedene Steuerungsaufgaben.
Leiterplatte
Schaltbild
Regelelektronik


      

Die Bauteile entstammen der Bastelkiste bzw. sind von Schrottplatten abgelötet. Über den Beschaffungspreis kann ich deshalb nichts sagen. T1 ist ein Mesh-FET mit integrierter Stromsenke, er wird leitend, wenn der Anschluss IN mit GND verbunden wird. Das übernimmt T3. Die Spannungsteiler werden gebraucht, da der Atmel-IC mit 1V Referenz gefahren wird, das ist nötig, da die Werte der Stromsenke recht klein sind. Zudem muss eine Schwingneigung der Stromsenke kompensiert werden. R12 ist eigentlich nicht nötig, er sorgt aber dafür, dass das Signal OUT in den PWM-Pausen sauber auf 0V absinkt.

Nun ist die Elektronik nichts ohne Software. Das Programm ist in Assembler geschrieben. Es arbeitet mit einer Counter-gesteuerten PWM von ca. 400Hz. Der Zyklus beginnt mit leitendem T1 und sperrt diesen, wenn der Wert von ST einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. So wird eine Konstantstromladung realisiert. Da alles nur getaktet ist, habe ich fast keine Verlustleistung und damit auch keine Wärmeprobleme. Dass dabei die Anfangsladung nicht sehr stark ist stört mich nicht, weil ich mit Ladezeiten von 24h rechne und der Akku meist voll ist.  Erreichen die Ladespitzen die Schwellenspannung von 14,2V welche ich absichtlich nicht zu hoch angesetzt habe, geht der Prozessor in den "Trickle"-Modus. Hier wird mit einem festen Tastverhältnis von ca. 1:10 (PWM) weiter geladen. Es sind auch kleinere Werte möglich, ich habe aber mit diesem Wert die besten Ergebnisse erzielt. Natürlich wurde das Programm individuell angepasst, vor allem die Auswertung der Messwerte, da ich alle Werte verifiziert habe. Dazu habe ich entsprechende Testprogramme verwendet. Auf ICP etc. habe ich verzichtet und stattdessen den Prozessor in einem Stecksockel platziert, so dass er zum Programmieren auf ein Programmiergerät gesteckt werden kann. Die Ausgangsspannung des Stepup-Wandlers habe ich bei dauernd durchgesteuertem T1 an eine ohmschen Last 12V/5W auf 14,4V eingestellt. Hier sind die Verluste aller im Stromzweig befindlichen Bauteile berücksichtigt. Wichtig ist noch, dass die Schaltschwelle bei erreichen der Ladeschlussspannung auch wirklich erreicht wird. Hierzu habe ich einen kleinen alten 12V-Akku verwendet, der relativ schnell die Ladeschlussspannung erreicht und den Verlauf der Ladung am Multimeter verfolgt.

Nachdem die Schaltung im Labor einwandfrei funktioniert hat, wurden die Module in das Gehäuse des Powerpacks eingebaut. Dazu wurden vorhandene Schraubverbindungen mit längeren Schrauben verwendet. Nur den Step-Up-Wandler musste ich allein festschrauben, dabei sind nun zwei Schraubenköpfe an der Gehäusewand sichtbar. Sie fallen aber nicht weiter auf.

Innenraum Fertg aufgebaut     Hier sitzt der Wandler     Steuerung (Prozessor)

Abschließend ließ ich den Powerpack an einer Autobatterie laden. Die Stromaufnahme im Trickle-Betrieb lag bei ca. 50mA und damit wurde die Spannung des Powerpacks über 4 Tage konstant auf 13,8V gehalten, nachdem sie vorher von ca. 12V auf 14,2V hochgelaufen ist. Die Spannung der 35Ah-Autobatterie hat dabei immer 12,3V betragen.

Versuchsaufbau Dauertest  

Alle Bilder sind selbst aufgenommen und Eigentum des Verfassers.
Unter Verwendung von Lightbox, created by Lokesh Dhakar under Creative Commons Attribution 2.5 License
Werner  Sonneberg im März 2015