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 | Nickel-Cadmium | |||||||||
 | Nickel-Metallhydrid | |||||||||
 | Blei (Bleigel) | |||||||||
 | Litium (Tadiran, Litiom-Ionen) | |||||||||
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| Impulsstromladung | | Der Ladestrom ist konstant jedoch periodisch kurzeitig unterbrochen, beispielsweise zur näheren Bestimmung der Ruhespannung. Weiterhin ermöglicht die Methode mit gepulsten Strömen eine etwas höhere Laderate als bei der normalen Konstantstromladung vorgesehen wäre. Das Ladeverfahren ist eine vereinfachte Methode der (patentierten) Reflex-Ladung, eignet sich jedoch sowohl für Schnell- als auch Langsamladung. Ladegeräte, die über einen Automatikmodus verfügen und nur nach einem längeren Zeitraum den Ladestrom unterbrechen, zählen nicht zur Familie der Impulslader. |
| Reflexladung | | Diese Art des bereits in den späten 60er Jahren patentierten Ladeverfahrens zeichnet sich neben der herkömmlichen Ladestromunterbrechung durch einen sehr kurzen aber hohen Entladeimpuls aus. Das Verfahren findet vor allem bei hohen Ladeströmen Anwendung. Ziel ist es, die bei Schnellladung eintretende unerwünschte Sauerstoffbildung an der positiven Elektrode weitestgehend zu unterbinden. Die Sauerstoffblässchen bewirken einerseits einen hohen Zellendruck und der damit verbundenen Erhitzung sowie einen erhöhten Innenwiderstand, da durch die Blasen die Reaktionsoberfläche der Elektrode abnimmt. Daher eignet sich das Ladeverfahren auch für Zellen deren Nickelelektroden nicht gesintert (und damit eigentlich auch nicht für Schnellladung geeignet) sind. Ferner unterbindet die Lademethode (hauptsächlich zurückzuführen auf den hohen Ladestrom) die Bildung von Cadmiumkristallen auch bei nur teilentladenen NiCd-Zellen, so dass der Innenwiderstand gering bleibt und Spannungsabfälle bei der Entladung (lazy battery effect oder ugs. “Memory-Effekt“) vermieden werden. Bei geringeren Ladeströmen erscheint jedoch der Sinn von Reflexladung zweifelhaft.
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| Konstantspannungsladung | | Bei dieser Art der Lademethode ist die Ladespannung über den gesamten Verlauf der Ladezeit genauso groß, wie die Ladeschlussspannung des angeschlossenen Akkumulators. Dabei sinkt der Ladestrom im Zeitverlauf exponentiell, da sich der Akkumulator beim Laden wie ein zunehmender ohmscher Widerstand verhält. Ideellerweise wird der Ladestrom nicht unterbrochen, da er bei exakter Einstellung der Ladeschlussspannung so klein wird, dass der Akkumulator keine Überladung erfährt. Um die Ladezeit zu verkürzen, wird die Ladeschlussspannung meist um 0,05 – 0,1 V höher angesetzt. Dies setzt natürlich wieder eine rechtzeitige Unterbrechung des Ladestromes voraus um Gasungen zu unterbinden. Da die Ladeschlussspannung bei NiCd und NiMH nach Alter, Art, Zustand und Temperatur der Zellen erheblich variieren ist diese Lademethode eher bei Blei- oder Lithium-Ionen-Akkumulatoren vorzuziehen. Dort aber immer in Zusammenarbeit mit einer Strombegrenzung um Schäden durch hohe Anfangsladeströme zu vermeiden. Ladeschlussspannungen (Auswahl): Blei-Säure, Blei-Gel: 2,35-2,4V / 2,30-2,35V / Zelle, bei einem 12V Akku entsprechend Umax: 14,4V / 14,1V. Dadurch ist eine Überladung ausgeschlossen. Lithium-Ionen: starke Variation je nach Zellentyp (abhängig von Elektrodenmaterial und Elektrolyt), meist 4,1 - 4,2 V; Tadiran: 3,40 V. Bei Akkumulatoren ohne Überwachungselektronik („Watchdog“) strikte Einhaltung der Parameter! |
Abschaltkriterien | |
| Zeit | Die Unterbrechung des Ladestromes nach einer definierten Zeit war zu Zeiten geringer Ladeströme eine geläufige Methode, lässt sie sich doch für einen konstanten Ladestrom einfach berechnen. Die Methode hat jedoch gravierende Nachteile: Der Akku muss vollständig entladen sein und der Ladestrom sollte das übliche Richtmaß C/10 nicht überschreiten um Ungenauigkeiten durch leichtes, aber schadloses Überladen auszugleichen. Üblicherweise sind jedoch beide Vorraussetzungen dem heutigen, rauen Modellbaueralltag nicht gegeben, so dass die Abschaltung nach Zeit oft nur noch eine Sicherheitsreserve nach Versagen anderer Abschaltkriterien (-delta U oder dU/dt) darstellt. |
| Spannung | Das „Spannungskriterium“ beruht nicht auf einem definierten Abschalten des Ladestromes sondern dessen exponentieller Abfall auf ein Minimum. Siehe hierzu das Ladeverfahren Konstantspannungsladung. |
| Temperatur | Aufgrund unerwünschter Elektrolyseprozesse nimmt der Ladewirkungsgrad gegen Ende des Ladevorganges erheblich ab. Ein Großteil der Ladeleistung wird dadurch zunehmend in Wärme umgesetzt – bei vollem Akkumulator sogar vollständig. So bietet es sich an, mittels eines Fühlers ab einer bestimmten Temperatur den Ladestrom abzuschalten. Das bringt jedoch einige Nachteile mit sich: Entweder der Akkumulator wird überladen, da die nötige Temperatur erst zu spät erreicht wird (z.B. bei geringer Umgebungstemperatur) oder die Erwärmung tritt zu früh ein (hoher Innenwiderstand nach langer Lagerung, zu hoher Ladestrom, hohe Umgebungstemperatur) und der Ladestrom wird zu früh unterbrochen. Daher gilt die Temperaturabschaltung moderner Schnelllader maximal als Sekundärkriterium (vergleichbar mit der Zeitabschaltung). Dennoch wird diese Abschaltung in vielen Werkzeugen mit Akkubetrieb (Vorteil: Zellentyp/zahl ändert sich nicht) verwendet – wenngleich ein merklicher Kapazitätsverlust nach wenigen 100 Zyklen in Kauf genommen wird. |
| -delta U | Bei annährender Vollladung von NiCd/NiMH-Zellen sinkt bei weiterlaufendem, konstantem Ladestrom die anliegende Spannung etwas ab. Diesen charakteristischen Spannungsrückgang erkennt der Ladeprozessor und unterbricht ab einer definierten Spannungsdifferenz (= -delta U) den Ladestrom. Dieser Spannungsrückgang ist nur ausgeprägt, wenn der Ladestrom entsprechen hoch ist (ab etwa 0,3 C). Weiterhin sollte die Spannungsdifferenz einstellbar sein, da bei NiMH-Zellen der Spannungsrückgang nicht so stark ausgeprägt ist, wie bei NiCd-Zellen (10 - 20 mV bzw. 20 - 30 mV). Daher eignen sich (ältere) NiCd-Schnellladegeräte nicht zwingend auch für NiMH-Zellen. Umgekehrt werden NiCd-Zellen nicht ganz vollständig geladen, wenn die Spannungsdifferenz zu niedrig definiert ist (z.B. für NiMH-Zellen); sie nehmen jedoch dadurch keinen Schaden. In modernen Ladegeräten wird oft eine empfindliche Abschaltung mit anschließender Erhaltungsladung oder eine unempfindliche mit einer definierten Zeitabschaltung kombiniert, so dass die Lebenserwartung der Zellen weitaus höher ist, als bei älteren Ladegeräten. Erläuterungen: Die bei annährender Volladung vermehrt einsetzende Sauerstoffproduktion an der positiven Elektrode führt zunächst zu einem kurzzeitig höheren Spannungsanstieg. Aufgrund der Sauerstoffbildung steigt der Zellendruck und damit verbunden auch die Temperatur. Dies hat zur Folge, dass der Innenwiderstand etwas herabsinkt und somit (gemäß des Ohmschen Gesetzes) auch die Klemmenspannung geringfügig abnimmt. |
| dU/dt | Neben der reinen Spannungskurve bilden einige Ladeprozessoren intern deren numerische Ableitung (dU/dt = Spannung U abgeleitet nach der Zeit t). Nimmt diese Ableitungskurve den Wert 0 (die Spannungskurve also ihren maximalen Wert) an, kommt es zur Unterbrechung des Ladestroms – unabhängig vom angeschlossenen Zellentyp (NiCd oder NiMH) und ohne leichte Überladung, wie beim –delta U-Verfahren. Da im Moment des Abschaltens der Akkumulator jedoch noch nicht zu 100 % geladen ist, folgt eine Übergangsladung mit geringem Strom (C/10) bevor in den Erhaltungslademodus übergegangen wird. |
Ladezeitberechnung |
| Die Ladezeit für eine (oder mehrere Zellen in Serie, also hintereinander) lässt sich sehr einfach berechnen, wenn man die (nominelle) Zellenkapazität hat und den Ladestrom kennt, mit dem man laden will. Vorweg sei jedoch erwähnt, dass die Konstantstromladung nicht optimal ist und nur zum Formieren neuer oder lange gelagerten (mehrere Monate) Zellen sinnvoll ist. Vorraussetzung ist außerdem, dass der Akkumulator leer ist. Der Ladestrom sollte nicht deutlich höher als C/10 sein. Z.B. bei einer 1700mAh-Zelle also nicht unbedingt über 170mA.
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Begriffe | |
| C | Kapazität der Zelle (1000 mAh = 1 Ah). Der Wert gibt an, wie viele Stunden ein bestimmter Strom von der Zelle geliefert werden kann. 1Ah bedeutet also, dass 1 Stunde lang 1 A geliefert werden kann. Oder 1/2 Stunde 2 A. Die Kapazitätsangabe bezieht sich oft auf einen bestimmten Strom, denn der Wirkungsgrad einer Zelle nimmt mit steigenden Strom ab. Eine 1 Ah-Zelle kann nicht 1/100 Stunde lang 100 A liefern, sondern nur weniger (wie viel ist wiederum von der Zelle und der Technologie abhängig). Die Kapazitätsangabe bezieht sich bei Bleiakkumulatoren i.d.R. auf einen Entladestrom von C/10 (also bei 10stündiger Entladung) oder C/20, bei NiCd/NiMH auf ca. C/2 oder C/5. Im Zweifelsfalle ist das Datenblatt ausschlaggebend. |
| C/10, 4C, ... | Da absolute Zahlenangaben von Lade- oder Entladeströmen in Zusammenhang mit Zellen spezifizierter Kapazität wenig aussagen, wird der Strom meistens als Vielfaches (C/10 = 1/10 *C) der Zellenkapazität angegeben. Bei Betrachtung der physikalischen Einheiten, ist dies offensichtlich nicht richtig, da die Einheit „Stunde“ sich nicht wegkürzt. Dennoch sagt diese Zahl auf den ersten Blick etwas über die Belastung des Akkumulators aus. |
| Formieren | Werden mehrere neue Zellen zu einem Akku-Pack seriell zusammengeschaltet, gibt es aufgrund von Exemplarstreuung bei der Fertigung einige Unterschiede beim aktuellen Ladestand. Um vorzeitige Tiefentladungen/Umpolungen einzelner Zellen beim Entladen zu vermeiden, und um die Spannungskurven für das spätere Schnellladen anzugleichen, müssen alle Zellen auf ein „gemeinsames Niveau“ gebracht werden. Dazu wird der Verbund 2 - 3 Zyklen mit C/10 15 h lang geladen und mit mäßigem Strom (C/10 – 1C) entladen. Der etwas höhere Ladefaktor bewirkt zwar eine leichte (aber schadlose) Überladung einzelner Zellen, sorgt jedoch gleichzeitig für eine rasche Angleichung. Dieses Prozedere sollte auch während des normalen Gebrauchs alle 5 - 10 Zyklen (je höher die Belastung im Alltag desto öfter) oder nach längerer Lagerung wiederholt werden. Nur so werden einzelne Zellen vor dem frühzeitigen Ausselektieren bewahrt und optimale Lade-/Entladekurven erzielt. |
| Ladefaktor | Der Ladefaktor gibt den Wirkungsgrad einer Zelle beim Laden an – also wie viel Strom tatsächlich eingeladen werden muss, um eine bestimmte Menge Strom wieder "herauszubekommen". Der Ladefaktor beträgt in der Regel 1,3 - 1,4 bei NiMH und 1,4 - 1,5 bei NiCd bei einem Ladestrom von C/10. Bei höheren Ladeströmen (C/1 und darüber) sinkt der Ladefaktor auf den Wert 1,2 - 1.3. Bei niedrigen Ladeströmen und Lademethoden bei denen der Ladefaktor eine Rolle spielt (Konstantstromladen) kann ruhigen Gewissens der höhere Wert verwendet werden. |
| Pushen | Beim sogenannten pushen werden die Akkus mit Hilfe eines Kondensators (mehrere 10000µF) und einer hohen Spannung (ca. 60V) "geladen". Der hohe Strom (mehrere 100…1000A) verschweißt den internen Zellenverbinder besser und sorgt so für einen niedrigeren Innenwiderstand. Andere Zell-chemische Vorgänge werden zwar behauptet, konnten aber nicht nachgewiesen werden. Eine genial einfache Anordnung zum Selber-Pushen findet man hier:  http://www.elektroflug.de/Verschiedenes/pushen.htm |
| „Memory-Effekt“ | Der bei NiCd-Akkus berühmt berüchtigte „Memory-Effekt“ symbolisiert umgangssprachlich fast schon den herannahenden Zellentod und wird oft in Zusammenhang mit irreparablen Kapazitätsverlust erwähnt. Dies ist grundlegend falsch, denn erstens ist der geläufige „Memory-Effekt“ reversibel und zweitens geht keine Kapazität verloren. Das Phänomen, dass der Akkumulator beim Entladen viel zu früh „leer“ ist, wird treffender durch die englischen Bezeichnung „lazy battery effect“ oder „voltage depression“ umschrieben. Für diese Erscheinung ist in erster Linie die Kristallisationsneigung des Cadmiums an der negativen Elektrode des Nickel-Cadmium-Akkumulators verantwortlich. Kristalle haben eine kleine Reaktionsoberfläche, so dass die chemische Reaktion beim Entladen (bei der das reine Metall Cadmium zu Cadmiumhydroxid umgewandelt wird) der Zelle „länger dauert“. Physikalisch gesehen, befindet sich in der Zelle eine Art Widerstand, der mit einmal größer wird. Je größer dieser Widerstand desto mehr Spannung fällt an diesem ab und umso weniger Spannung steht dem angeschlossenen Verbraucher zur Verfügung (Gesetz der Reihenschaltung!). Jetzt wird klar, warum der ein oder andere Verbraucher seinen Dienst quittiert, obwohl noch Cadmium (also Restkapazität) zur Verfügung steht: Der Innenwiderstand ist zu hoch und der Akkumulator ist „lazy“ (= träge), da er nur unzureichend Spannung zur Verfügung stellt (~ „voltage depression“). Nun ergeben sich zwei wichtige Fragen: 1. Was fördert einen hohen Innenwiderstand? 2. Wie lässt sich der Innenwiderstand wieder senken oder gering halten? zu 1.: Hierzu zählen in erster Linie Teilentladungen. Die Stelle oder Schicht, bei der kein Cadmium mehr „abgebaut“ worden ist, sondern durch frühzeitiges Laden wieder etwas „draufgepappt“ wurde, ist (trivial ausgedrückt) physikalisch dichter (-vergleichbar mit einem Kristall) als normal. Folglich wird beim Entladen genau an der Stelle der Innenwiderstand höher und die Spannung kleiner – als ob sich der Akkumulator diese Stelle „gemerkt“ (-> Memory) hat. Treten diese Entladungen wiederholt bis zur gleichen Stelle auf, tritt dieser „Memory-Effekt“ immer mehr in Erscheinung. Kleine Ladeströme (weniger als C/10) fördern die Kristallbildung. Sie geben den Cadmiumatomen genügend „Zeit“ sich regelmäßig anzuordnen. Gefürchtet ist hierbei die Bildung von Dendriten (lange, spitze Kristalle), die u.U. den Separator (Trennschicht zwischen den beiden Elektroden) durchstoßen können und die Zelle damit nachhaltig schädigen oder zerstören. Im Unterschied zum vorhergehenden Fall, scheint der Akkumulator über die ganze Entladung „träge“ zu sein. Die bei langen Lagerzeiten in geladenen Zellen (allgegenwärtige) Selbstentladung führt dazu, dass zuerst lose, poröse Cadmiumschichten oxidiert werden. Übrig bleiben die dichteren Stellen, die wiederum einen hohen Innenwiderstand beim weiteren Entladen darstellen. zu 2.: Der Akkumulator sollte ab und zu vollständig entladen werden, um potentielle Kristalle abzubauen. NiCd-Zellen können einzeln schadlos auf eine Zellenspannung von 0 V tiefentladen werden. Einzelne Langzeiterfahrungen zeigten, dass auch Packs problemlos mit einer Glühlampe vollständig entladen werden können. NiCd-Zellen sind relativ robust in Bezug auf Umpolungen. Als sicher gilt die Methode, jede Zelle einzeln mit einem durch den Schrumpfschlauch gestochenen Widerstand kurzzuschließen. Hohe oder zumindest gepulste Ladeströme sorgen für einen „fitten“ Akkumulator. Bei längeren Lagerzeiten sollten NiCd-Zellen im entladenen Zustand aufbewahrt werden. Niedrige Lagertemperaturen(z.B. im Kühlschrank) sind vor allem bei geladenen Zellen empfehlenswert, da sie weitestgehend die Selbstentladung unterbinden. Der Elektrolyt (Kaliumhydroxid) ist frostsicher. Vor erneuter Benutzung sei die Erwärmung auf Betriebstemperatur angeraten. Obwohl der NiMH-Akku aufgrund des fehlenden Cadmiums als „Memory-Effekt“-resistent gilt, sollte auch dieser erfahrungsgemäß entladen werden. Allerdings sollten NiMH-Zellen nicht tiefentladen werden. (Über den Grund wäre ich in Form einer E-Mail sehr dankbar, Daniel.) Als sehr wirkungsvoll haben sich daher Si-Dioden (eventuell mit einem Vorwiderstand zur Strombegrenzung) zum Kurzschließen herausgestellt, da die Klemmenspannung dabei nicht unter 0,7 V (je nach Diode) sinkt. Ferner sollten NiMH-Zellen zumindest im teilgeladenen Zustand gelagert werden. Auch hier bietet sich ein kalter Keller oder der Kühlschrank an. Der Innenwiderstand eines Akkus erhöht sich aufgrund der abnehmenden Ionendurchlässigkeit des Separators mit seinem Alter auch irreversibel. Beschleunigt wird dieser Prozess durch hohe Temperaturen, wie sie bei extremer Belastung durch unzulässige Entladeströme/Ladeströme oder starker Überladung entstehen. Der zum Verlust aktiver Masse verantwortliche „chemische Verschleiß“ der Elektroden sorgt mit zunehmenden Alter für eine (echte) Kapazitätsminderung. Auch hier trägt Fehlbehandlung in Form von wiederholtem Überladen dem Prozess bei. |
| Selektieren | Beim Selektieren werden die Zellen nach Spannungslage, Innenwiderstand und Kapazität vermessen und entsprechend zu Akku-Packs zusammengestellt. Oft (aber nicht nötigerweise) sind selektierte Zellen gepusht. |
FAQ |
| F: Kann ich meinen Bleiakku auch am NiCd-Lader laden? A: Jein! Nur wenn die Akkuspannung überwacht und rechtzeitig abklemmt wird. Auch sollte der Ladestrom zum Ende hin niedriger werden. Das passiert aber bei Konstantstromladung nicht. Der Akku wird nicht optimal gewartet und neigt zum gasen. F: Wie lagere ich meinen Akku am Besten? A: Generell gilt, dass Akkus im kühlen (Kühlschrank) eine niedrigere Selbstentladung haben. Am Besten ist es aber nach wie vor, den Akku kurz vor Gebrauch zu laden. F: Soll ich den Akku voll, leer oder halbvoll lagern? A: Generell sollten Akkus voll gelagert werden. Eine Ausnahme bilden NiCd-Akkus, die besser leer gelagert werden. Werden die Akkus nur ein paar Tage gelagert, spielt das aber eher keine Rolle. Nach langer Lagerung brauchen die Akkus sowieso mehrere Zyklen um ihre volle Kapazität wieder zu erreichen. F: Kann ich meine NiCd-Zellen am Labornetzteil (oder Batterielader fürs Auto) laden? A: Nein. NiCds (und NiMH) sind nicht bei einer bestimmten Spannung voll. Allerdings kann man diese Zellen zum wiederbeleben auch mal damit laden, wenn der Strom nicht zu hoch ist, man die Zellentemperatur überwacht und rechtzeitig abschaltet. So ein Batterielader für's Auto liefert i.d.R. zu viel Strom, also lieber nicht machen. F: Wie heiß dürfen denn die Zellen beim Laden/Entladen werden? A: Für NiCd gelten 70 °C, für NiMH 50 °C als Maximum. Bleiakkus sollten nicht wärmer werden. Li-Akkus auch nicht (30 °C?). Genauere Temperaturen ergeben sich aus den Datenblättern der Hersteller. F:Was ist denn die richtige Spannung zum Abschalten bei Bleiakkus? A: Das hängt von der Verwendung ab. Im Pufferbetrieb (z.B. Alarmanlagen, Starterbatterie im Auto) ist die Zellenspannung niedriger, im Zyklenbetrieb (Laden/Entladen im Rhythmus von Tagen) höher. Bei Pufferbetrieb gelten 2.3 … 2.4 Volt, im Zyklenbetrieb 2.55 … 2.6 V. Wichtig beim Laden im Zyklenbetrieb ist, dass der Akku bei Erreichen der Ladeschlussspannung möglichst bald abgeklemmt wird! F: Mir pressierts und ich will meine Bleigelakku schnell laden, was darf ich ihm als maximalen Ladestrom zumuten? A: Nicht mehr als C/2! F: Mein NiCd-Akku wird bei hohen Entladeströmen (z.B. 10C) sehr schnell leer. Ich bekomme nur 1/4 der Nennkapazität raus. A: Vorausgesetzt der Akku ist für Hochstrom geeignet (ein RC2000 liefert z.B. problemlos 40A) und er hat bei einer Entladung mit C/1 die Nennkapazität dann liegt es wohl daran, dass er nicht schnell genug geladen wird. Nach dem formieren soll man sie ab dann mit mindestens 2…3C laden. Laden mit Strömen von nur C/10 führt zu solchen Effekten. |
Literatur |
| Kommt schon langsam in die Tage, aber wer einen guten Einblick haben will, schaut sich mal das Buch von Halaczek/Radecke "Batterien und Ladekonzepte" vom Franzis Verlag; ISBN 3-7723-4603-0 an. Besonders die beschriebenen ICs sind nicht mehr so ganz aktuell (meine Auflage ist von 1988. Ich weiß nicht, ob es eine überarbeitete Auflage gibt). Für Ottonormalmodellbauer verständlich erklärt: Dipl.-Ing. L. Retzbach: „Akkus und Ladegeräte“ erschienen 1985 im Neckar Verlag. Ich habe die inzwischen 12. überarbeitete Auflage 2000. |
Links |
| Datenblätter für Sanyo-Zellen (Suchmaske): http://www.sanyo-energy-europe.com/content/con_cells_product.php Datenblätter für Panasonic-Zellen (inklusive umfangreichem Informationsmaterial): http://www.panasonic.com/industrial/battery/oem/Datenblätter für GP-Zellen: http://www.gpbatteries.com/Für den Selbstbau eines Ladegerätes empfiehlt sich die FAQ der Newsgruppe de.sci.electronics (Punkt 'Akkus und Memory-Effekt'): http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.21Hier finden sich auch zahlreiche Links zu Herstellern von geeigneten Implementierungen. Tiefgründige Einblicke in verschiedene Ladetechniken: http://www.basytec.de/ladung/ladung.html |
Erläuterung: Ladestrombeispiel des ICS 1702 (siehe