Entladestation für Li-Ion-Akkus

Grundlegende Anforderungen und Ausgangslage des Projekts

Testverfahren für Lithium-Ionen-Akkus: Das Testverfahren umfasst mehrere Schritte: die Messung des Innenwiderstands, die Beurteilung des Spannungsabfalls unter Last und die Bestimmung der Akkukapazität. Der Akku wird vollständig geladen. Nach 24 Stunden folgt ein Belastungstest mit 1A. In diesem Projekt verwende ich für Akkus mit einer Kapazität von 1500-4000mAh das folgende Kriterium: Bei einer Belastung mit 1A darf die Spannung nicht sofort unter 4V fallen. Geschieht dies, wird der Akku aussortiert. Akkus, die diesen Schritt bestehen, werden mit einer elektronischen Last auf 3V entladen, um ihre Kapazität zu messen. Die Messung des Innenwiderstands hilft außerdem, defekte Akkus bereits vor Lade- und Entladezyklen zu erkennen.
Sicherer Umgang mit aussortierten Akkus: Aussortierte Akkus enthalten weiterhin Restenergie. Eine Beschädigung oder ein Kurzschluss kann zu Überhitzung und Brand führen. Vor der Abgabe an eine spezialisierte Sammel- oder Recyclingstelle sollten die Kontakte mit nicht leitendem Klebeband isoliert oder die Akkus einzeln verpackt und vor Beschädigungen geschützt werden. In diesem Projekt wird die Restenergie zusätzlich durch kontrolliertes Entladen abgebaut.
Zweck der Entladestation:
- Die verbleibende Energie der Akkus sammeln und nutzen.
- Aussortierte Akkus kontrolliert tiefentladen, um ihre Restenergie vor der Abgabe an eine spezialisierte Recyclingstelle zu verringern.

Die Entladestation besteht aus zwei unabhängigen Fächern mit getrennten Anschlüssen an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses.

Fach zur Energierückgewinnung: In diesem Fach wird der Akku kontrolliert entladen, sodass seine Restenergie genutzt werden kann. Es verfügt über einen Verpolungsschutz auf Basis einer idealen Diode; die Akkuspannung lässt sich mit einem Voltmeter überwachen.
Tiefentladefach: Es dient dazu, aussortierte Akkus vor der Abgabe zum Recycling kontrolliert tiefzuentladen. Als Last dienen sechs parallel geschaltete Widerstände; eine LED zeigt an, dass die Entladung noch läuft.

Auf dem ersten Foto oben sind die folgenden wichtigen Komponenten abgebildet und nummeriert:

12mm Metalltaster ohne Rastfunktion - dient zum Einschalten des Voltmeters.
BMS 1S 10A - verhindert eine Tiefentladung des Akkus im Fach zur Energierückgewinnung und schützt funktionsfähige Zellen vor übermäßiger Entladung.
XL74610-Modul - arbeitet als ideale Diode und schützt die Gerätekomponenten vor Verpolung. Für das Modul werden bis zu 15A ohne Kühlkörper bei 12V und 25°C in einem 30-minütigen Test angegeben. Gewöhnliche Siliziumdioden und Schottky-Dioden sind hier wegen ihres höheren Spannungsabfalls weniger geeignet. Als Alternative zur idealen Diode kann man auch die hier beschriebene Schutzschaltung verwenden.
Voltmeter 2-wire 0.28in - zeigt die Akkuspannung an und wird per Tastendruck eingeschaltet.
USB boost module TPS61088 (input 2.8-4.5V) - unterstützt QC 2.0/3.0, FCP und AFC; auch DCP wird erkannt. Die maximale Ausgangsleistung beträgt bis zu 24W (5V/3A, 9V/2A, 12V/2A). Auf dem Modul sind Kühlkörper angebracht, um die Kühlung zu verbessern.
3mm grüne LED - zeigt die Tiefentladung des Akkus an.
Widerstand 100Ohm 0.25W (Amazon) (AliExpress) - schützt die LED und begrenzt ihre Helligkeit. Um die Helligkeit zu ändern, kann ein anderer Widerstandswert gewählt werden.
6 parallel geschaltete Widerstände 51Ohm 10W - der nominelle Ersatzwiderstand beträgt 8.5Ohm. Bei einer Spannung von etwa 3.4V beträgt der Strom ungefähr 400mA; während der Akku entladen wird, nimmt der Strom ab.

Das Gerät ist in einer durchsichtigen Kunststoffbox untergebracht, die normalerweise für Bürobedarf verwendet wird.

Zur Überwachung von Leistung, Spannung und Strom am USB-Ausgang kann zusätzlich ein USB-Wattmeter verwendet werden, beispielsweise HiDANCE HDC-085C.