Reparatur und Umbau eines "Zivan NG3" HF-Ladegeräts

Die Vorgeschichte

Da das Original-Ladegerät meines dänischen Eltrans-Kleinwagens nach und nach den Betrieb vollständig einstellte (...aber ´s brummt net...) mußte ein etwa 40 Jahre alter Schweißtrafo herhalten, um die zweimal 35 NC-Zellen wieder mit Saft zu füllen. Das klappt zwar problemlos, aber es blieb der Wunsch nach einer kleinen, leichten Stromquelle, die wieder im El mitfahren kann.
Das klobige Schweißgerät ist dazu viel zu schwer und nicht regelbar. "Primär getaktete Schaltnetzteile" erfüllen alle Ansprüche und sind heute Stand der Technik!

Ein Projekt mit umgebauten PC-Netzteilen habe ich wieder eingestellt. Es ist mir nämlich nie gelungen auch nur zwei gleiche Geräte zu finden. Daher wären vier bis fünf "Forschungsaufträge" nötig gewesen, um die jeweiligen Schaltungen und nötigen Umbauten der "Einzelstücke" zum Erreichen von ca. 60V zu ermitteln.

Hilfe kam schließlich von zwei Kumpels:
Yogi (Batterie-Service-Techniker) fand im Schrott einen abgerauchten Zivan NG3, 80V/27A und Bernhard erlärte sich bereit die nötige elektronische Forschungs- & Entwicklungsarbeit zu leisten. Dabei sollte nur die Funktion des eigentlichen Schaltnetzteils wiederhergestellt und eine einfache Einstellmöglichkeit für Spannung und Stromstärke geschaffen werden.
Die Kennliniensteuerung war uninteressant, da sie für 42V NC-Akkus sowieso nicht paßt.

Für meine Zwecke wäre natürlich ein NG3 mit 60V/35A richtig gewesen, aber der lag halt gerade nicht im Schrott. 27A sind aber auch schon ganz nett!

Noch ein Hinweis: Alle Bilder sind in voller Größe abgespeichert, man kann sie groß anzeigen lassen um Details zu erkennen!

Die Vorarbeiten

Der NG3 besteht aus einer Hauptplatine auf der das eigentliche Schaltnetzteil, ein 12V Hilfsnetzteil, die Lüfter und alle Anschlüsse angeordnet sind. Senkrecht dazu ist eine Steuerplatine mit 20 Anschlüssen eingelötet.

Bild4, vorher Bild5, ausgelötet

Diese Steuerplatine wurde ausgelötet und mit einer 20-poligen Pfostenleiste steckbar gemacht, so daß man mittels einer dazwischengesteckten "Verlängerung" an beide Platinenseiten herankommen kann, um zu messen.

Das war eine ekelhafte und langwierige Fummelei die ich aber selbstmachen konnte.

Die Ermittlungen

Ausgehend von der Pfostenleiste wurden Teile der Schaltung auf beiden Platinen aufgenommen:

Auf der Steuerplatine befindet sich ein "Pulsweitenmodulator", das IC UC3525BN, (Bild5, untere Reihe, 2. v.l., Datenblatt unter http://www-s.ti.com/sc/ds/uc3525b.pdf ) das über einen Ansteuertrafo an den Pins 13 & 14 die Leistungstransistoren auf der Primärseite des Haupttrafos taktet. An Pin 12 und 15 liegt über zwei 330kOhm Widerstände (R20 und 21) auf der Hauptplatine die Ausgangsspannung an. Die Pins 17 & 18 bekommen über einen Trafo eine dem Ausgangsstrom proportionale Spannung von ~0,1V pro A.
Über die Pins 7 & 8 liegt die Hilfsspannung von ca. 12V an. Damit wird auch über Pin 5 das Startrelais (siehe Bild2, l.u. und Bild3) betätigt.
Die Pins 1 & 2 liegen auf Masse.
(siehe auch Umbau-Schaltplan, Bild8)

(Auf der Steuerplatine sitzt übrigens auch die nicht erforschte Ladekennliniensteuerung.)

Die Schäden

Alle Siebelkos hinter dem Netzgleichrichter waren total ausgetrocknet.

Bild1, Elko geöffnet

Das 12V Hilfsnetzteil war teilweise abgeraucht.

Bild 2, 12V Hilfsnetzteil auf Hauptplatine

Zwei NTCs am Startrelais waren beschädigt, der vordere zerbrochen, der hintere abgeraucht. (Die Teile dienen zur Begrenzung des Einschalt-Stromstoßes bei leeren Elkos.)

Bild 3, Startrelais, defekte NTCs

Reparatur

Die Reparateure (Schaltnetzteil-Profis) haben nun zunächst den Pulsweitenmodulator, das zentrale Teil jedes Schaltnetzteils extern mit Betriebsspannung versorgt und kontrolliert, daß er einwandfrei arbeitet. Erst dann wurde der Leistungsteil überprüft, repariert und wieder in Betrieb genommen

Die eingetrockneten Elkos (ELNA LP5, 350V / 560uF D=35mm, H=43mm) wurden gegen 5St. Epcos B43504-A9477-M, 470uF/400V ausgetauscht. Dieser Typ paßt mechanisch. Hinweis der Spezialisten: "Wichtig ist, das die C's eine hohen Ripple-Strom können (2-3A) sonst werden sie warm und versagen!"

Aus der NG3-Hauptplatine wurden folgende Teile aus dem Bereich des abgerauchten 12V-Hilfsnetzteils ausgelötet:

D21 = ? (Schutzdiode?), ?/V28-200 (Logo) 004
C30 = Elko 470 mikroF/25V (Elna)
Trafo N14451 ? Nordelettronica
R27 = 47Ohm
R28 = 47Ohm
D22 = BZX-85 C-13-926
"T15" = Widerstand 1Ohm (1/2W ?)
C31 = Elko 100mikroF 25V (Elna)
CN15 = 2 Stifte
dahinter:
C29 = "I04" (?)
Q6= IC: 4N35-000ATK63
C28 = "I04" (?)
C26 = AV.1K 400 (?)
C25 = Elko 10mikroF / 400V
D15 = Glas, winzig, weggeplatzt
D16 = Motorola MUR|180E|007
D17 = Motorola MUR|180E|946
D18 = Glas, winzig, "GD"
D19 = Glas, winzig, "ZPD 0,2"
D20 = LT941 / 1N5819

Die Bauteile des abgerauchten 12V-Schaltnetzteils wurden entfernt, da nicht sichergestellt ist, daß die Platine im verbrannten Bereich noch einwandfrei isoliert. Die 12V-Hilfsspannung muß deshalb extern zugeführt werden.
Zum Einbau eines neuen 12V-Hilfsnetzteils steht ein 55mm hoher Bereich mit den in der nebenstehenden Skizze gezeigten Abmessungen zur Verfügung.
Als Ersatz wurde ein Stecker-Schaltnetzteil "Egston NVEFS 53151", mit folgenden Daten verwendet:
In: 230V~ 50Hz 100mA, Out: 3-12V= 800mA

(gibt's bei Conrad)
Grundfläche 12V Hilfsnetzteil

Das Egston Netzteil kann man ganz leicht mit einem Schraubenzieher "knacken".
Und so siehts innen drin aus:

Egston NVEFS 53151, Bauteile Egston NVEFS 53151, Netzeingang

Die NTCs gabs bei:
Bürklin OHG, Elektronik
Schillerstr. 41
80336 München
Telnr : (089) 55875-0, Verkauf (0 89) 5 58 75-1 10, Fax: (089) 55875-421

Epcos NTC B57364-S121-M , Bestell-Nr. bei Bürklin: 80 E 6712

Leider verkauft Bürklin nicht an Privatpersonen, man muß sich jemand suchen der eine Firma hat!

Umbau der Steuerplatine:

Das Pulsweitenmodulator-IC UC3525BN wurde ausgelötet. An seine Stelle kam ein IC-Sockel und mit Hilfe von zwei weiteren ineinandergesteckten IC-Fassungen, (einer davon mit langen Pins) wurde eine "hochgesetzte" Zusatzplatine angebracht (Bild6).

Dabei wurde die Verbindungen von
Pin 1 ("INV" > U_out über Spannungsteiler)
Pin 2 ("NI" > Referenzspannung über Poti) und
Pin 9 ("COMP")
zur Steuerplatine unterbrochen !!

Bild6 Bild7, Beschaltung UC3525BN

Der Schaltplan des Umbaus:

Das obere gestrichelt umrandete Feld zeigt in der Mitte die 20-poligen Pfostenleiste, den zentralen Punkt der Schaltung. Zum besseren Verständnis sind einige Zivan-Original-Bauteile mit eingezeichnet.
Die Teile links von der Pfostenleiste sitzen auf der kleinen Steuerplatine, die rechts davon auf dem "Mutterbrett".
Zwischen den gestrichelt umrandeten Feldern sind die Verbindungen zur neuen Zusatzplatine zu sehen. Die schwarz gezeichneten laufen über die Steckverbindungen des IC-Sockels, die beiden roten Leitungen gehen "außen herum", sie sind auch in Bild6 zu erkennen.

Bild 8, Schaltplan

Das untere, gestrichelt umrandete Feld zeigt den Schaltplan der neuen "Huckepack"-Platine (Bild6), die in den Sockel des Pulsweitenmodulators UC3525BN gesteckt ist.

Die Funktion

Beim Einschalten ist zu beachten, daß die Hilfsspannung, die zwischen 10 und 16V betragen darf, nicht vor der Netzspannung anliegen darf.

Durch das Abklemmen der Pins 1,2 & 9 des Pulsweitenmodulators von der Kennliniensteuerung ist die Strom und Spannungsregelung sowie alle Kontrollfunktionen des NG3 lahmgelegt. Stattdessen können -wie bei einem Labornetzteil- an zwei Potis durch eingestellte Referenzspannungen Spannung und Strom des NG3 begrenzt werden.

Nach einem Hinweis in den handschriftlichen Notizen der Umbauer beträgt die Spannung am Ausgang der Stromkontrolle ca. 0,1V/A

Die NG3-Originalfunktionen wie Ladekennlinien-Steuerung, Batterieerkennung, Temperaturkontrolle u.s.w. sollten wiederhergestellt sein, wenn das IC UC3525BN wieder direkt in die Fassung gesteckt und der Umbau damit rückgängig gemacht wird.
Um das zu testen bräuchte man allerdings eine 80V-Bleibatterie!

Tests

Um festzustellen was der umgebaute NG3 treibt, wurde aus dicken 10 Ohm Widerständen eine veränderliche Last gebastelt und damit folgende Meßwerte ermittelt

			1. Messung: Umax auf 55,5 V eingestellt				2. Messung: Spannung bei 1,43 Ohm auf 36V reduziert
Widerstände	R	R gem.	Ugem.	I gem.	LED	Bemerkungen	Ugem.	I gem.	LED	Bemerkungen
7 parallel	1,43 Ohm	1,50 Ohm	40,6 V	27,00 A	rot	maximale Strombelastung erreicht!	36,0 V	23,20 A	rot	12V-Netzteil zieht 0,58A
6 parallel	1,67 Ohm	1,70 Ohm	43,1 V	23,70 A	rot		38,0 V	21,00 A	rot
5 parallel	2,00 Ohm	2,10 Ohm	46,0 V	22,00 A	rot		40,7 V	18,70 A	rot
4 parallel	2,50 Ohm	2,50 Ohm	49,0 V	18,40 A	rot		44,5 V	16,20 A	rot
3 parallel	3,33 Ohm		51,0 V	14,30 A	rot		48,9 V	12,90 A	rot
2 parallel, 2 in Serie dazu parallel	4,00 Ohm	4,10 Ohm	51,8 V	12,00 A	gelb	Strombegrenzung ist angeblich auf 10A eingestellt. Falsch!!!
2 parallel	5,00 Ohm	5,10 Ohm	52,8 V	9,40 A	gelb		51,4 V	8,90 A	gelb	12V-Netzteil zieht 0,44A
3 s + 3 s	6,67 Ohm				gelb	Messung nötig w.g. Knick in Kurve
3S+2S	8,33 Ohm	8,40 Ohm	55,3 V	6,20 A	gelb
2S+2S	10,00 Ohm	10,20 Ohm	55,3 V	4,70 A	gelb		55,3 V	4,70 A	gelb	Werte gleich wie bei 1. Meßreihe
4P+1	12,50 Ohm	12,60 Ohm	55,4 V	4,00 A	grün
3P+1	13,33 Ohm	13,50 Ohm	55,3 V	3,50 A	grün
2P+1	15,00 Ohm	15,10 Ohm	55,3 V	3,00 A	grün		55,4 V	2,90 A	grün
2 in Serie	20,00 Ohm	20,10 Ohm	55,4 V	2,20 A	grün
3 in Serie	30,00 Ohm				grün
4 in Serie	40,00 Ohm				grün
5 in Serie	50,00 Ohm		55,5 V	0,90 A	grün	Strommessung ungenau w.g. Zangenamperemeter (200A)

Bei den Messungen war folgendes zu beobachten

1.) Die an der Steuerplatine des NG3 vorhandene Leuchtdiode wechselt mit der Spannung die Farbe.
Beim Original-NG3 bedeuten die Farben laut Handbuch:
rot= Beginn der Ladung
gelb= Batterie zu 80% geladen
grün= Batterie zu 100% geladen

2.) Die Lüfter für die Leistungshalbleiter schalten mit dem Farbübergang von rot nach gelb die Drehzahl herunter. Sie werden vom 12V-Hilfsnetzteil versorgt, das bei maximaler Belastung 0,6A liefern muß. Das verwendete Egston-Netzteil schafft das.
(Natürlich wurde das Hilfsnetzteil nach der Inbetriebnahme ausgesucht. Bei den ersten Tests mußte ein Labornetzteil herhalten.)

Das Ganze ergibt folgende Ladekurven:
Ladekurven bei Umax=55,5V

Die blaue Kurve zeigt die erste Meßreihe, bei der orangen Kurve wurde der Strom am Poti "Imax" (siehe Schaltplan) reduziert, da mit der ursprünglichen Einstellung unterhalb von 1,43Ohm Lastwiderstand der Maximalstrom (27A) des Zivan NG3 überschritten wurde.
Dabei muß man sehr vorsichtig sein, sonst fängt der Trafo an kreischende Geräusche von sich zu geben.

Wie aus den beiden Kurven zu sehen ist, verändert die Einstellung des Potis "Imax" die Steigung der Kurve bevor bei 55,5V die Spannungsbegrenzung einsetzt. Besser wäre es, wenn nur der Maximalstrom auf 27A begrenzt würde, aber meine Elektronik-Kenntnisse reichen nicht aus um sowas zu verwirklichen.

Inbetriebnahme

Bei diesem Stand der Dinge wurden die Zusatzplatinen ordentlich befestigt, der Deckel so verändert, daß er sich trotz der mittels Steckfassung "hochgesetzten" Steuerplatine wieder draufschrauben ließ und eine Öffnung für den Zugang zu den beiden Einstellpotis geschaffen. Nun konnte der NG3 mit dem "Mini El City" verbunden und zum Laden der (inzwischen auf 36 Zellen á 43Ah veränderten) Nickel-Cadmium-Batterie verwendet werden.
Da sich die NC-Akkus anders verhalten als die Test-Widerstände und die Anzahl der Zellen zwischenzeitlich auf 36 (36*1,6V=57,6V max.) gestiegen war mußte die Einstellung der Potis "U_max" und "I_max" (siehe Schaltplan, Bild 8) nochmal leicht korrigiert werden. "I_max" wurde (bei leerer Batterie) hochgedreht, um einen möglichst hohen Ladestrom zu bekommen. Der NG3 startet nun bei einer Spannung von ~43V mit ~31A. Das scheint ihm aber nichts auszumachen. Der Strom sinkt rasch auf 27A ab, weil die Batteriespannung steigt.

Hier zeigt sich wieder mal wie wichtig ein Voltmeter im El ist: Wenn man fährt bis "garnichts mehr geht", d. h. daß die Batterie völlig leer ist, muß man mit dem Ladebeginn eine Weile warten, bis sich die Spannung wieder auf diese 43V "erholt" hat, sonst gefährdet man das Ladegerät!

Schwieriger ist die "richtige" Einstellung von "U_max". Geht man zu hoch wird die Elektronik des El gefährdet falls man den NG3 mal aus Schusseligkeit mit abgeklemmter Batterie einschaltet (schon getestet, zum Glück nix passiert).
Im Zusammenspiel mit meinem "Abschaltkästchen" (schaltet bei einstellbarer Spannung die Netzversorgung ab) wird außerdem die Batterie nicht richtig voll, weil zu schnell die Abschaltspannung ereicht wird und deshalb keine Ausgleichsladung für die schwächeren Zellen stattfindet. Zu niedrige Einstellung hat den gleichen Effekt, weil die nötige Ladeendspannung der Zellen nicht erreicht wird.
Hier habe ich einfach so nachjustiert, daß der Ladestrom bei voller Batterie einen halbwegs brauchbaren Wert annahm.

Einbau

Der NG3 wurde, wie man hier sehen kann, mit drei selbstgebastelten Schiebehaltern quer hinten auf der Sitzlehne befestigt. Er läßt sich so mit zwei Handgriffen abnehmen. Mir ist leider nichts besseres eingefallen (für Vorschläge bin ich dankbar). Ein Nachteil dieser Lösung ist, daß man die Sitzverstellung nicht mehr benutzen kann, weil die Lehne nun nicht mehr schwenkbar ist. Mit diesem speziellen Fahrzeug fahren aber sowieso keine Zwerge, und da macht das nix. Ärgerlicher ist schon, daß mitgeführte Plastik-Klappkisten (oder Bierkästen) nach hinten in das leere Gepäckloch abkippen.

Die elektrische Verbindung erfolgte mit dem passenden "Anderson"-Stecker am NG3 zu den Anschlüssen des alten Eltrans-Laders unter dem Sitz. So ist es möglich, die im El vorhandenen Shunts zur Ladestrommessung zu verwenden.

Alle Teile des Original-Laders und der sinnlose Kapazitätsmesser (~11kg) wurden ausgebaut.

Betriebserfahrung

Seit dem 27.2.05 werden meine 36 "Saft VHP 430 KH-3"-NC-Zellen vom Schrott nur noch mit dem NG3 geladen. Ein Verbrauch von 20km Fahrt ist nachdem ich die Strombegrenzung aufgedreht habe in ca. 1 Stunde wieder drin. Zur Ausgleichsladung drehe ich ab und zu an der Abschaltbox die Spannung auf 57V und lasse das Ding dadurch ein paar Stunden mit niedrigem Strom laufen. Obwohl ich (leider!) nicht in der Lage bin eine korrekte Ladekennliniensteuerung zu bauen, ist auf diese Weise ein problemloser Alltagsbetrieb möglich. Auch Nachladen unterwegs ist kein Problem, die gewählte Einstellung der Spannungsbegrenzung verhindert Schäden durch Überladung auch ohne Abschaltbox.

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