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http://finder.conrad.de/tipps_tricks/view/Artikelinfos/elector_akku/akku.html 16.06.2005 14:51:24

Praxistipp Elektronik: Akku-LadeverfahrenPräsentiert von ELEKTOR, dem Magazin für Elektronik und Computertechnik

Hoch entwickelte portable Geräte wie Mobiltelefone,

Camcorder, Laptops und MP3-Spieler wären nicht das,

was sie sind, wenn die zugehörigen Akkus fehlten. Auch

die Akku-Technik entwickelt sich weiter, und mit ihr die

Verfahren, moderne Akkus zu laden und zu pflegen.

Energie-Sammler

Oft ist es zweckmäßig, den Lade- und Entladestrom eines

Akkus im Verhältnis zu seiner Kapazität auszudrücken.

Wenn die Akku-Kapazität C zum Beispiel 1 Ah (eine

Ampere-Stunde) beträgt, ist mit dem Ladestrom C/10 ein

Strom von 1 Ah/10 h = 100 mA gemeint. Die Kapazität C

ist das Energie-Fassungsvermögen des Akkus, das der Akku unter bestimmten genormten

Betriebsbedingungen besitzt. Die Energiemenge, die (theoretisch!) im geladenen Akku gespeichert ist,

erhält man, indem man die Kapazität C (in Ah) mit der Nennspannung des Akkus (in V) multipliziert. Das

Ergebnis ist eine Größe, die aus einem Zahlenwert und der Einheit "Wattstunde" (Wh) besteht.

Tabelle 1. Energiedichte

Typ Zellenspannung (nom.) Energiedichte (typ.)

Blei/Schwefelsäure 2,1 V 30 Wh/kg

Nickel-Cadmium 1,2 V 40...60 Wh/kg

Nickel-Metall-Hydrid 1,2 V 60...80 Wh/kg

Lithium-Ionen (rund) 3,6 V 90...100 Wh/kg

Lithium-Ionen (prismatisch) 3,6 V 100...110 Wh/kg

Lithium-Ionen (Polymer) 3,6 V 130...150 Wh/kg

Das Verhältnis zwischen der speicherbaren Energiemenge (in Wh) und dem Gewicht (oder Volumen)

eines Akkus wird Energiedichte genannt. Hohe Energiedichte bedeutet, dass der Akku gemessen an

seinem Gewicht (oder Volumen) eine hohe Energiemenge speichern kann. Tabelle 1 gibt eine Übersicht

über die Energiedichte in Wattstunden je Kilogramm (Wh/kg) der für mobile Geräte am häufigsten

eingesetzten Akku-Typen. In Tabelle 2 sind wichtige Eigenschaften der drei gegenwärtig

gebräuchlichsten Akku-Grundtypen zusammengefasst: Nickel-Cadmium (NiCd), Nickel-Metallhydrid

(NiMH) und Lithium-Ionen (Li-Ion). Dazu ist anzumerken, dass Nickel-Cadmium-Akkus wegen des

enthaltenen Schwermetalls Cadmium mittelfristig nicht mehr auf dem Markt sein werden.

Tabelle 2. Wichtige Eigenschaften

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Eigenschaft Nickel-Cadmium Nickel-Metall-Hydrid Lithium-Ionen

Energiedichte niedrig mittel hoch

Energieerhaltung niedrig mittel mittel

Lebensdauer hoch hoch hoch

Preis niedrig mittel hoch

Sicherheit hoch hoch mittel

Umweltverträglichkeit niedrig mittel mittel

Ladeverfahren

Neue Akkus oder Akku-Packs (Akkus, die aus mehreren Zellen bestehen) sind in der Regel nur teilweise

geladen oder sogar vollständig entladen. Deshalb müssen sie vor dem ersten Einsatz geladen werden,

wobei das Ladeverfahren an den Akku-Typ angepasst sein muss. Während des Ladevorgangs müssen

der Ladestrom und die Ladespannung so eingestellt sein oder kontinuierlich gesteuert werden, dass der

Akku zu keiner Zeit beschädigt werden kann.

Tabelle 3. Ladeverfahren für NiCd- und NiMH-Akkus

Ladeverfahren Eigenschaften Anschlüsse Ladezeit Lade-

strom

Erhaltungs-

laden

Ladeniveau

nach dem

Laden

Bild

semikonstanter

Strom

Gebräuchlichstes

Verfahren

Einfach, wenig

Aufwand

2 15 Std. 0,1 C - - 1

Zeitgesteuert

Zuverlässiger als

semi-konstanter

Strom

Ziemlich einfach,

wenig Aufwand

2 6...8

Std. 0,2 C

1/20...1/30

C ca. 120 % 2

-DV-Methode

Häufig

angewendet

Mehr Aufwand

2 1...2

Std.

0,5...1

C

1/20...1/30

C

ca.

110...120 % 3

dT/dt-Methode

Ziemlich

aufwendig, dafür

längere

Lebenserwartung

durch Schutz vor

Überladen

3 oder 4 1...2

Std. > 1 C

1/20...1/30

C

ca.

100...110 % 4

Bild 1. Die Akkus alltäglicher Gebrauchsgeräte wie Rasierer, Telefone

und Spielzeuge werden meistens mit semikonstantem Strom

geladen.

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Bild 2. Zeitgesteuert geladen werden häufig die Akkus von Geräten

wie Notebooks, Daten-Terminals und Mobiltelefonen.

Laden von NiCd-Akkus

Nickel-Cadmium-Akkus werden mit konstantem Strom geladen, dessen Höhe zwischen 0,05 C und mehr

als 1 C liegen kann. Einfachere NiCd-Ladegeräte werten häufig lediglich die absolute Zellen-Temperatur

aus, um das Ende des Ladevorgangs zu bestimmen. Die Temperatur ist jedoch kein zuverlässiges

Kriterium für das Fortschreiten des Ladevorgangs. Zuverlässiger ist die Methode, den so genannten "-

DV-Effekt" zu nutzen, er ist für NiCd-Akkus charakteristisch. Der Effekt besteht darin, dass die

Klemmenspannung wie in Bild 3 gezeigt kurz vor Erreichen des Lade-Endzustands absinkt. Der -DV-

Effekt tritt recht deutlich in Erscheinung, wenn der Ladestrom 0,5 C oder mehr beträgt. Ladegeräte für

NiCd-Akkus sollten sicherheitshalber stets auch die Zellen-Temperatur überwachen. Bei älteren Zellen

oder hintereinander geschalteten Zellen in unterschiedlichem Zustand kann der -DV-Effekt weniger

deutlich ausgeprägt sein.

Eine noch zuverlässigere Methode für das Erkennen des Ladeschlusses ist das Auswerten des

Temperaturanstiegs in Abhängigkeit von der Zeit (dT/dt). Das Anwenden dieser Methode wirkt sich

außerdem günstig auf die Akku-Lebensdauer aus, insbesondere wenn sie mit der -DV-Methode

kombiniert wird. Das schädliche und gefährliche Überladen wird damit zuverlässig vermieden.

Bild 3. Das -DV-Verfahren wird oft beim Laden von Akkus in

Notebooks, Mobiltelefonen und Camcordern angewendet.

Das so genannte Schnellladen ist bei NiCd-Akkus effizienter als das langsame Laden. Wenn NiCd-Akkus

mit dem Strom 1 C geladen werden, geht während des Ladevorgangs nur wenig Energie in Form von

Wärme verloren. Der Wirkungsgrad beträgt ca. 91 %, so dass der entladene NiCd-Akku in etwas mehr

als einer Stunde geladen ist. Bei dem niedrigeren Ladestrom 0,1 C liegt der Wirkungsgrad bei nur 71 %,

der Akku ist erst nach 14 Stunden voll geladen. So lange ein NiCd-Akku noch nicht bis etwa 70 % seiner

Kapazität geladen ist, steigt seine Temperatur nur unwesentlich an; erst während der restlichen 30 %

wird mehr Wärme entwickelt. Einige Ladegeräte nutzen diesen Effekt und laden den Akku bis auf 70 %

seiner Kapazität in wenigen Minuten auf, indem sie sehr hohe Ladeströme durch den Akku schicken.

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Während der restlichen Zeit fließen niedrige Ladeströme, und danach wird auf Erhaltungsladen

(0,02...0,1 C) umgeschaltet.

Laden von NiMH-Akkus

Ladegeräte für NiMH-Akkus arbeiten fast immer mit der dT/dt-Methode, um das Ende des Ladevorgangs

zu bestimmen. Der -DV-Effekt ist bei NiMH-Akkus schwächer ausgeprägt als bei NiCd-Akkus, er hängt

ferner von der Akku-Temperatur und vom Ladestrom ab. Bei Ladeströmen unter 0,5 C ist der -DV-Effekt

fast nicht mehr erkennbar.

Bild 4. Das dT/dt-Verfahren ist vorwiegend bei stromintensiven

Geräten mit Akkus größerer Kapazität gebräuchlich.

Die Klemmenspannung neuer NiMH-Akkus kann während des Ladevorgangs zu willkürlichen Zeiten

springen, so dass der Ladevorgang vom Ladegerät möglicherweise zu früh beendet wird. Wenn keine

signifikante Spannungsänderung eintritt, versagt die -DV/dt-Methode. Der Akku wird dann unweigerlich

überladen, seine Lebensdauer wird verkürzt. Die Auswertung der Klemmenspannung liefert bei NiMH-

Akkus kein zuverlässiges Kriterium für das Beenden des Ladevorgangs. Parameter wie Temperatur,

Zellen-Alter und Ladezustand des Akkus bei Ladebeginn haben einen nicht zu vernachlässigenden

Einfluss. Deshalb dürfen NiMH-Akkus nicht mit Ladegeräten geladen werden, die zum Laden von NiCd-

Akkus vorgesehen sind, es sei denn, das NiCd-Ladegerät arbeitet nach der dT/dt-Methode. Da NiMH-

Akkus recht empfindlich gegen Überladen sind, dürfen während der Erhaltungsladung nur sehr niedrige

Ströme (maximal ca. 0,05 C) fließen.

Leider ist das Laden von NiMH-Akkus mit niedrigen Strömen keine Methode, mit der alle Probleme

umgangen werden können. Bei Ladeströmen von etwa 0,1...0,3 C sind die während des Ladevorgangs

auftretenden Effekte (z. B. Spannungs- und Temperaturänderungen) kaum noch messbar. Sie liefern

kein genügend zuverlässiges Kriterium für das Ende des Ladevorgangs. Wenn NiMH-Akkus langsam

geladen werden, besteht die einzige zuverlässige Methode darin, den Ladevorgang mit einem Timer zu

steuern.

Für NiMH-Akkus wird das Laden mit Strömen von ungefähr 1 C empfohlen (oder höher, falls vom

Hersteller erlaubt). Dabei müssen sowohl die Spannung (DV = 0) als auch die Temperatur (dT/dt)

ausgewertet werden, um ein zuverlässiges Kriterium für das Ende des Ladevorgangs zu erhalten.

Quellenhinweis: Gert Helles, Akku-Ladetechniken - Grundlagen, Verfahren und Praxis-Tipps,

Elektor 1/2005.

Den vollständigen Artikel können Sie als PDF-Dokument hier herunterladen.

Mehr Informationen auf der Elektor-Website www.elektor.de

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Artikel: LADEGERÄT AKKUTRAINER AT3plus 4X2300ER

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