Technische Referenz --- Ladegeräte & Batterien – Wichtiges
Der stetig wachsende Markt für tragbare Geräte führt zu einer steigenden Nachfrage nach Akkus mit verbesserter Leistung und längerer Lebensdauer. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wurden Kapazität und Leistungsfähigkeit wiederaufladbarer Zellen kontinuierlich gesteigert – von der Einführung kommerzieller Nickel-Cadmium- (NiCd) und Bleiakkumulatoren (SLA) in den 1960er-Jahren bis hin zu den jüngeren Nickel-Metallhydrid- (NiMH) und Lithium-Ionen-Akkus (Li-I oder Li+). Jeder Zelltyp hat seine Vorteile, doch die Entscheidung für den passenden Typ in einer bestimmten Anwendung hängt oft ebenso sehr von wirtschaftlichen Überlegungen wie von technischen Aspekten ab.
Batterie-Basics
Die Tabelle zeigt einige Betriebs- und Ladeeigenschaften der gängigsten Sekundärzellen. Die Leistung kann je nach Hersteller variieren, daher dienen diese Daten nur als Richtwerte. Die maximal zulässigen Ladeströme sind unterschiedlich. Aus diesen Werten und der Amperestundenkapazität (C) der Zelle lassen sich jedoch Schnellladezeiten anhand der angegebenen Formeln berechnen. Beachten Sie, dass es sich hierbei um Faustregeln handelt, die auf langjähriger Erfahrung beruhen, und dass die zurückgegebene Kapazität stark vom Ausgangszustand und Alter der Zellen abhängt.
| Merkmal | SLA(AGM) | NiCd | NiMH | Li+/Li-Polymer |
| Energiedichte (Wh/kg) | 30 | 40 | 60 | 100 |
| Betriebszyklen (typisch) | 300 | 800 | 500 | 800 |
| Betriebstemperatur (°C) | 0–35 | 0–45 | 0–40 | 0–50 |
| Maximaler Ladestrom (A) | 0,25 °C | 2C | 1C | 1C |
| Aufladungsmethode | Konstantspannung | Konstantstrom | Konstantstrom | Konstantstrom/Konstantspannung |
| Schnellladezeit (h) | C/A + 2 Stunden | C/A + 20% | C/A + 20% | C/A × 2 |
Passende Ladegeräte und Batterien
Nutzer wünschen sich ein Ladegerät, das Akkus möglichst schnell auflädt. Geschwindigkeit ist jedoch nicht der einzige Faktor bei der Entwicklung eines Ladegeräts. Kann der Ladevorgang über Nacht erfolgen, kann ein geeignetes Erhaltungsladegerät sehr kompakt sein, da es nur wenig Strom liefern muss. Es ist zudem in der Regel leicht, einfach zu transportieren und relativ kostengünstig herzustellen.
Verschlossene Bleiakkumulatoren benötigen eine strombegrenzte Konstantspannungsladung. Im Standby-Betrieb ist eine kontinuierliche Ladung mit 2,25 V/Zelle ausreichend. Bei dieser Spannung wird der Akku nicht überladen und kann dauerhaft angeschlossen bleiben, ohne Schaden zu nehmen. Für NiCd- und NiMH-Akkus entspricht dies einer Ladung über Nacht (14 Stunden) mit konstantem Strom von 0,1 C. Während die meisten Bleiakkumulatoren und NiCd-Zellen für eine Langzeit-Erhaltungsladung geeignet sind, muss der Ladevorgang bei NiMH-Akkus beendet werden, um Schäden zu vermeiden.
Welche Faktoren sind bei der Auswahl eines Schnellladegeräts zu berücksichtigen? Sehr hohe Schnellladeströme können die Lebensdauer der Zellen erheblich beeinträchtigen. Batteriehersteller weisen nicht unbedingt primär auf die verkürzte Lebensdauer und realistische Ladezyklen hin, und selbst wenn sie dies tun, sind die Details oft unklar. Erfolgreiches Schnellladen mit bis zu 2C erfordert die intelligente Überwachung der Batterieparameter in allen Phasen des Ladezyklus. Die neueste Generation intelligenter Ladegeräte kann die Auswirkungen von Schutzschaltungen sowie Schwankungen der Betriebstemperatur und des Kontaktwiderstands kompensieren. Ein wesentliches Merkmal von Schnellladegeräten ist die automatische Reduzierung des Ladestroms vor dem Einsetzen einer Überladung und dem damit verbundenen Anstieg von Temperatur und Druck.
Die Ladecharakteristika von NiCd- und NiMH-Zellen sind ähnlich, wobei NiMH-Zellen beim Laden mehr Wärme erzeugen und die Spitzenspannung weniger deutlich ausgeprägt ist. Verschiedene Schnellladeverfahren mit konstantem Strom werden bei beiden Zelltypen eingesetzt. Dazu gehören die Spannungsänderungsrate dV/dt nahe der Spitzenspannung, der Spannungsabfall -dV nach Überschreiten der Spitzenspannung und die Zelltemperaturmessung bei Vollladung. Schaltungen zur Reformierung und Konditionierung beschädigter, nicht formierter oder alter Zellen vor dem Schnellladen sind für Nickel-basierte Zellen ebenfalls sehr wünschenswert. Selbstverständlich haben all diese Funktionen ihren Preis, doch ohne diese ausgefeilten Verfahren können die Zellen ernsthaft beschädigt werden, was sowohl die Kapazität als auch die Lebensdauer einschränkt und Sicherheitsrisiken birgt.
Das Laden von Lithium-Ionen-Zellen ähnelt dem von Bleiakkumulatoren, da in beiden Fällen eine strombegrenzte Konstantspannung erforderlich ist. Bei Lithium-Ionen-Akkus ist es jedoch unerlässlich, dass das Ladegerät über eine Stromendabschaltung und einen ausfallsicheren Timer zum Schutz der Akkus verfügt. Aufgrund der spezifischen Anforderungen einzelner Anwendungen sollten Lithium-Ionen-Ladesysteme so früh wie möglich im Entwicklungsprozess in die Akkupack-Konstruktion integriert werden. Die neue Generation intelligenter Lithium-Ionen-Ladegeräte von Lawtronics erfüllt die Kriterien der Zellhersteller und lässt sich an die meisten OEM-Anforderungen anpassen.
Die Batterietechnologie entwickelt sich langsam, aber stetig weiter, und intelligente Ladegeräte können sicherstellen, dass der Benutzer maximalen Nutzen daraus zieht.