Für das Laden des Akkus gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten. Im Internet findet man viele Meinungen, Vorschläge und Techniken, wie ein Akku mehr oder weniger gut geladen werden kann. Alles in allem dreht es sich um die Beantwortung folgender Fragen:
Ohne jetzt alle Möglichkeiten komplett zu behandeln, kann ich schonmal sagen, dass mein Algorithmus eine Mischung verschiedener Ideen ist und die Parameter durch Ausprobieren zustande kamen. Ich habe mich mit einem Entwickler von einem kommerziellen Ladegerät unterhalten, eine Menge von Beschreibungen von Ladegeräten gelesen und meine langjährige Erfahrungen mit verschiedenen Ladegeräten in der Praxis eingebracht. Wenn jemand den Lader nachbaut, würden mich natürlich seine Erfahrungen damit und Verbesserungsvorschläge interessieren.
Das Erkennen der Akkukapazität hat mir ziemliche Probleme bereitet. Nach einigem Testen habe ich folgende Möglichkeit genommen:
In den ersten Minuten des Ladevorgangs wird beobachtet, wie stark die Spannung am Akku steigt. Steigt sie nur wenig, wird der Ladestrom erhöht. Gestartet wird immer mit einem niedrigen Strom. Um defekte bzw. altersschwache Akkus zu erkennen, berechne ich zusätzlich den Innenwiderstand des Akkus. Dies macht man dadurch, dass man die Leerlaufspannung mit der Spannung unter Last vergleicht und daraus den Wert errechnet. Ein altersschwacher Akku hat einen hohen Innenwiderstand, der zur Begrenzung des Ladestroms führt. Übrigens reicht die Messung des Innenwiderstands nicht allein, um den Ladestrom zu bestimmen. Es ist zwar so, dass ein Akku mit geringer Kapazität einen höheren Innenwiderstand hat als ein Akku mit großer Kapazität. Zusätzlich hat aber ein NiMH Akku ebenfalls einen höheren Innenwiderstand als ein NiCd und ein altersschwacher Akku ebenso.
Der Ladestrom wird also in den ersten Minuten angepaßt. Nach dieser Anfangsphase bleibt der Ladestrom konstant, da eine spätere Änderung wiederum die Spannungskurve beeinflussen würde und damit die Abschaltkriterien.
Ein Akku leidet grundsätzlich darunter, wenn man ihn mit sehr hohem Strom (z.B. in 15 Minuten) lädt und die Anforderungen an die Ladeenderkennung werden größer. Der maximale Ladestrom bei meinem Akkulader beträgt 2 A und die übliche Ladezeit etwa 1,5 - 2 Stunden. Jede Sekunde wird entsprechend dem Reflexladen ein kurzer Entladeimpuls eingelegt (auch wenn der Vorteil dieses Entladeimpulses mitunter in Frage gestellt wird).
Eine oft verwendete Technik ist das delta peak bzw. -dU Abschaltverfahren. Das bedeutet, dass das Laden beendet wird, wenn der Akku durch Erhitzung und des negativen Spannungskoeffizienten einen Spannungsrückgang verursacht. Dieses Verfahren ist auch eines meiner Abschaltkriterien. Da der Abschaltpunkt hier aber recht spät ist (der Akku wird schon etwas überladen), habe ich eine Gradienten- bzw. Spannungskurven-Auswertung eingeführt. Zunächst einmal die Spannungskurve eines üblichen Ladevorgangs:
Das Laden ist in verschiedene Phasen unterteilt (die mein Lader mit unterschiedlich gefüllten Akkusymbolen anzeigt). In der ersten Phase findet das schon beschriebene Einstellen des Ladestroms statt. In der zweiten Phase sinkt die Steigung der Spannungskurve. Schließlich kommt es zum 1. Wendepunkt (die Steigung wird wieder größer). Hier beginnt Phase 3. Ab hier wird die bisher maximale Steigung abgespeichert. Irgendwann kommt es zum 2. Wendepunkt in der Spannungskurve. Hier ist die maximale Steigung erreicht. Wenn nun nach diesem Zeitpunkt die Spannung auf einen bestimmten Bruchteil dessen absinkt, wird das Ladeende erkannt.
Zusätzlich gibt es einige Sicherheits-Abschaltkriterien (die bei einem normalen funktionstüchtigen Akku eigentlich nicht zum Auslösen kommen). Zusammengefaßt gibt es insgesamt die folgenden Abschaltkriterien:
In der ersten Phase findet keine Abschaltung des Ladevorgangs durch Auswertung der Spannungskurve statt, da hier manchmal noch Spannungsschwankungen auftreten. Ein Überladen durch diese paar Minuten ist nicht möglich, weil ein Akku mit sehr hoher Spannung (nahe der Volladung) sowieso nicht geladen wird, sondern für diesen eine Erhaltungsladung gestartet wird.
Im folgenden noch eine reale Spannungskurve, die den Daten entsprechen, die der Lader über die serielle Schnittstelle ausgibt. Der technisch interessante Teil sind die letzten Minuten des Vorgangs.
Beim Entladen wird der Akku über den angeschlossenen Widerstand entladen. Der Entladevorgang ist beendet, wenn die Spannung unter 0,9V fällt. Dies klingt soweit einfach, aber trotzdem macht der Lader noch einiges mehr.
Die Spannung des Akkus wird ohne Last und unter (Voll-)Last (also beim Entladen) gemessen. Aus diesen Spannungen kann der Innenwiderstand des Akkus berechnet werden. Dieser Wert läßt auch erkennen, wie fit der Akku noch ist. Ein neuer Akku hat einen geringeren Innenwiderstand, größere Akkus ebenso.
Unter der Belastung eines hohen Stromes bricht die Spannung eines Akkus zusammen. Deswegen wird aus dem Innenwiderstand wiederum berechnet, mit welchem Entladestrom der Akku entladen werden muss, damit seine Spannung nur auf die minimale Akkuspannung von 0,9 Volt abfällt. Ein Akku wird also nicht einfach mit höchster Geschwindigkeit entladen, weil es erstens dem Akku nicht so gut bekäme und auch die Kapazität nicht genau gemessen werden könnte. Zum Einstellen eines bestimmten Entladestroms wird dieser gepulst. Beim Entladen führen die Berechnungen dazu, dass ein voller Akku zunächst mit hohem, und dann immer niedrigerem Strom entladen wird, je näher er seiner Minimalspannung kommt. So kann der Akku genau bis zum Zeitpunkt der vollständigen Entladung entladen werden.
Ein weiterer Vorteil ist, dass sich der Entladestrom automatisch dem Akku bzw. der Größe des Akkus anpaßt. Man muss nicht angeben, ob nun ein Micro oder Mono Akku entladen wird, der Entladestrom wird auf einen verträglichen Wert automatisch justiert.
Beim Erhaltladen wird die Spannung des Akkus wieder auf einen Wert angehoben, den ein voller Akku hat. Die Idee ist, der immer vorhandenen Selbstentladung des Akkus entgegenzuwirken, um den Akku permanent in vollem Zustand zu halten. Da das Erhaltladen nur recht kurz abläuft, kann man die Abschaltkriterien, wie sie bei der normalen Ladung verwendet werden, hier nicht verwenden. Deswegen wird nur ein bestimmter Spannungswert als Abschaltkriterium benutzt.
Auch beim Erhaltladen wird der Innenwiderstand bestimmt und (entsprechend wie beim Entladevorgang) der Strom gepulst (sehr schnell im Bereich von ein paar ms). Die Selbstentladung eines Akkus beträgt etwa 1% am Tag, ein Nachladen eines Akkus nach z.B. 10 Stunden braucht etwa 5 Minuten, je nach Zustand des Akkus.
Bei tiefentladenen Akkus mit einer Spannung von < 0,9 Volt wird versucht, durch längere Strompulse im Bereich von 50ms den Akku wieder aufnahmefähig zu machen. Die Theorie besagt, dass auch kleine Kurzschlüsse im Akku für die absolute "Null-Spannung" verantwortlich sind und durch kurze, starke Stromimpulse (wobei der sich hier auf 2 A beschränkt) wiederbelebt werden können. Dieser ansonsten dem Erhaltungsladen ähnliche Vorgang wird ein paar Minuten durchgeführt und bei Erreichen von 0,9 Volt beendet.