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Sind alle Ladegeräte gleichwertig?

 

Höhere Akkuleistung durch richtiges Laden

 

Sven Bauer

BMZ GmbH

bauer@bmz-gmbh.de

www.bmz-gmbh.de



Die Verläßlichkeit und Lebensdauer eines Akkus wird zum großen Teil von der Qualität des Ladegerätes bestimmt. In einem preisoptimierten Markt, wird dem Ladegerät jedoch oft ein niedriger Stellenwert eingeräumt. In diesem Artikel wollen wir das Ladegerät jedoch als vollwertigen Partner des Akkus betrachten und die empfohlenen Lademethoden von NiCd-, NiMH- und Li-ion-Akkupacks im Hinblick auf die beste Akkuleistung untersuchen.

Ein Akku sollte sich beim Laden nicht zu stark erwärmen, da eine erhöhte Temperatur die Lebensdauer des Akkus verkürzt. Beim Laden von Nickel-Akkus ist eine gewisse Erwärmung jedoch nicht zu vermeiden. Der Temperaturanstieg ist in der Ladeendphase am höchsten und sinkt wieder ab, wenn auf Erhaltungsladen übergegangen wird, um letztendlich Raumtemperatur zu erreichen.

Befindet sich die Akkutemperatur nach ein paar Stunden Erhaltungsladen immer noch über der normalen Raumtemperatur, ist das Ladegerät nicht korrekt eingestellt. In diesem Fall ist die Erhaltungsladung sofort zu unterbrechen. Bei einem längeren verbleiben am Ladegerät würde der Akku beschädigt. Das gilt insbesondere für NiMH-Akkus, weil deren Chemie eine Überladung schlecht verträgt.

Lithium-Akkus sollten sich beim Laden nicht erwärmen. Eine erhöhte Temperatur bedeutet, daß der Akku oder das Ladegerät defekt ist, und nicht mehr benutzt werden sollte.
 

Ladegeräte für Nickel-Akkus lassen sich in drei Gruppen einteilen:

Langsamlader – Der Langsamlader, auch als „Übernachtlader“ bekannt, lädt mit einer konstanten Laderate von 0,1 C* (einem Zehntel des auf die Nennkapazität bezogenen Stromes), solange der Akku angeschlossen ist. Die Ladezeit beträgt 14 bis 16 Stunden. Handys, CD-Walkmans und ähnliche Verbrauchsgüter sind mit Langsamladern ausgestattet.

Quicklader – Der Quicklader ist bezüglich Ladezeit und Preis zwischen Langsam- und Schnellader einzuordnen. Die Ladezeit beträgt 3 bis 6 Stunden. Dieses Ladesystem schaltet auf Erhaltungsladung, wenn der Akku voll ist. Quicklader werden für Nickel- und Lithium-Akkus in kommerziellen Produkten wie Handys, Laptops und Videokameras eingesetzt.

Schnellader – Der Schnellader bietet gleich mehrere Vorteile. Der Offensichtlichste ist die kürzere Ladezeit. Bei einer Laderate von 1 C wird ein NiCd- oder NiMH-Akku normalerweise in etwas über einer Stunde geladen. Dabei ist ein zuverlässiger Überladungsschutz wichtig. Erreicht der Akku seine volle Kapazität, schaltet der Lader auf Auffüll- und dann auf Erhaltungsladung um. Schnellader werden für Nickel-Akkus in Industriegeräten wie Funksprechgeräten, medizinischen Geräten und Akku-Werkzeugen benutzt.

* Die Laderate C ist der auf die Kapazität des Akkus bezogene Lade- oder Entladestrom. Bei einer Laderate von 1 C wird ein Akku in einer Stunde aufgeladen. Beispiel: Bei einem Akku mit 0,5 Ah Kapazität entspricht 1 C einem Ladestrom von 0,5 A.
 

Einfache Richtlinien:

· Ein Ladegerät für NiMH-Akkus kann auch für NiCd benutzt werden, aber nicht umgekehrt. Ein speziell für NiCd konzipierter Lader wird NiMH-Akkus überladen.

· Nickel-Akkus ziehen eine schnelle Ladung vor, weil dadurch die Kristallbildung (Memory-Effekt) eingeschränkt wird.

· Nickel- und Lithium-Akkus erfordern verschiedene Ladeverläufe. Sie sollten darum nicht am gleichen Lader geladen werden.

· Wird ein Akku längere Zeit nicht benutzt, sollte er nicht fortwährend in Erhaltungsladung gelagert werden. Vor dem Gebrauch ist dann nur eine kurze Auffüllladung erforderlich.

Das Laden von Nickel-Cadmium-Akkus

Akkuhersteller empfehlen, neue NiCd-Akkus über 24 Stunden langsam zu laden, weil jede Zelle eine andere Selbstentladungsstromstärke aufweist. Beim langsamen Laden werden alle Zellen eines Akkupacks auf den gleichen Ladezustand gebracht. Außerdem werden mit der zögernden Ladung die möglichen Trockenstellen an den Separatoren, welche als Folge der Schwerkraft bei langen Lagerungen entstehen können, wieder bedeckt.

Einige Hersteller bringen ihre Akkus vor dem Versand nicht auf volle Leistungsfähigkeit. Diese wird erst nach mehreren Lade/Entlade-Intervallen mit einem Akku-Analyser oder im normalen Gebrauch erreicht. Bei Nickel-Akkus können sogar 50 bis 100 Lade/Entlade-Intervalle notwendig sein, bis die volle Leistungsfähigkeit erreicht wird. Qualitätszellen, wie die von Sanyo und Panasonic, erreichen bereits nach 5 bis 7 Intervallen ihre spezifizierte Kapazität. Anfangs mag die Kapazität noch schwanken; aber ist der Akku einmal zubereitet, bleibt die Kapazität konstant und erreicht nach 100 bis 300 Intervallen ihren Spitzenwert.

Die meisten wiederaufladbaren Akkus besitzen ein Sicherheitsventil, über welches bei Überladung Druck entweichen kann. Bei NiCd-Zellen öffnet dieses Sicherheitsventil zwischen 1100 to 1400 kPa (~150 to 200 psi). (Der Druck eines Autoreifens beträgt etwa 240 kPa oder 35 psi.) Vorausgesetzt, dass sich das Ventil bei einem Druckausgleich wieder verschließt, nimmt der Akku keinen Schaden, es geht nur etwas Elektrolyt verloren. Nach einem solchen Vorgang besteht jedoch die Gefahr eines undichten Ventils. Weißes Pulver an der Ventilöffnung weist auf einen erfolgten Druckausgleich oder undichtes Ventil hin.

Kommerziell erhältliche Ladegeräte arbeiten oft nicht im besten Interesse des Akkus. Dies gilt insbesondere bei Ladegeräten, die den Ladezustand des Akkus ausschließlich nach seiner Ladetemperatur bestimmen. Es ist eine billige und einfache Technik, die Abschaltung nach Temperatur ist jedoch ungenau.

Bessere NiCd-Lader messen die Steilheit des Temperaturanstiegs (dT/dt) während des Ladevorganges, was zu einer behutsameren Ladung des Akkus führt, als das beim Abschalten des Ladestroms bei Erreichen einer festen Temperatur der Fall ist. Ein Erwärmen der Zellen ist aber notwendig, weil der Temperaturverlauf gemessen werden muß.

Ein präziseres Erfassen des Ladezustandes wird durch einen Mikroregler erreicht, der die Akkuspannung überwacht und bei Erreichen eines bestimmten Spannungsverhaltens die Ladung beendet. Bei voll geladenem Zustand sinkt die Spannung nämlich ab. Dieses Phänomen ist als Negativ Delta V oder NDV bekannt und ist bei NiCd-Akkus, die mit über 0,5 C geladen werden, am deutlichsten zu beobachten. Bei mit NDV arbeitenden Ladegeräten muß zusätzlich die Akkutemperatur beachtet werden, weil der Spannungsabfall bei alten Akkus, und bei Akkus mit unterschiedlichen Zellen, schwächer ist.

Schnelles Laden verbessert den Wirkungsgrad. Bei 1 C beträgt dieser1,1 oder 91 Prozent, und die Ladezeit von ganz leer auf voll liegt bei etwas über einer Stunde. Mit einer Laderate von 0,1 C sinkt der Wirkungsgrad auf 1,4 oder 71 Prozent, und die Ladezeit beträgt 14 Stunden. Bei einem nicht ganz leeren oder kapazitätsschwachen Akku ist die Ladezeit natürlich entsprechend kürzer.

Bis zu einem Ladezustand von 70 Prozent nimmt ein NiCd-Akku nahezu 100 Prozent des angebotenen Ladestromes auf. Mit dem hohen Ladewirkungsgrad treten nur geringe Energieverluste auf und der Akku bleibt somit kalt. Der Ladestrom kann sogar einige C-Raten betragen, ohne daß nennenswerte Erwärmungen auftreten. Superschnelle Lader nutzen dieses Phänomen aus und laden den Akku in wenigen Minuten auf 70 Prozent auf. Dann wird mit einer geringeren Rate weitergeladen, bis zur Vollladung.

Ab einem Ladezustand von 70 Prozent läßt das Stromaufnahmevermögen des Akkus langsam nach, während Temperatur und Druck ansteigen. Um eine etwas höhere Kapazität zu erreichen, erlauben einige Ladegeräte eine kurzzeitige Überladung. Abbildung 1 zeigt den Verlauf von Zellenspannung, Druck und Temperatur bei der Ladung eines NiCd-Akkus.



Abbildung 1: Ladung einer NiCd-Zelle. Bei NiMH-Zellen verhalten sich Spannung, Druck und Temperatur ähnlich.

Bei einer Laderate von über 1 C erwärmen sich NiCd-Akkus mit Ultra-hoch Kapazität mehr als normale NiCd-Akkus. Einer der Gründe dafür ist der höhere Zelleninnerwiderstand. Um der Erwärmung entgegenzuwirken, laden bessere Ladegeräte am Anfang mit einem hohen Ladestrom und gehen bei höherem Ladezustand auf das Aufnahmevermögen des Akkus ein. So kann die Ladezeit kurz gehalten werden.

Ein Einstreuen von Entladeimpulsen zwischen den Ladeimpulsen verbessert das Aufnahmevermögen von Nickel-Akkus. Diese Methode wird als Reverse-Load bezeichnet. Diese Ladungsart führt zu einer besseren Rekombination der beim Laden erzeugten Gase, weil die auf den Elektroden zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößert wird. Die Ergebnisse sind bessere Leistung, verminderte Kristallbildung (Memory) und eine längere Lebensdauer.

Nach dem anfänglichen Schnellladen schließen einige Ladegeräte mit einer zeitbegrenzten Auffüllladung den Ladezyklus ab. Danach folgt die übliche Erhaltungsladung zum Ausgleich der Selbstentladung. Bei NiCd-Akkus wird eine Erhaltungsladung von 0,05 C bis 0,1 C empfohlen. Um Kristallbildung zu vermeiden und das gleiche Gerät auch für NiMH-Akkus benutzen zu können, ist der Erhaltungsladestrom moderner Lader oft geringer.

Das Laden von Nickel-Metallhydrid-Akkus

Ladegeräte für NiMH-Akkus sind den NiCd-Ladern ähnlich, benötigen jedoch eine kompliziertere Elektronik, denn der Spannungsabfall bei vollem Ladezustand (NDV) ist bei NiMH-Akkus sehr gering und bei Laderaten unter 0,5 C und erhöhter Temperatur sogar kaum noch existent. Weiterhin ist das NDV bei alten Akkus und bei Akkus mit Zellen unterschiedlichen Kapazitäten noch geringer.

Ein NiMH-Lader muß darum auf einen Spannungsabfall von 8 bis 16 mV per Zelle reagieren können. Ist das Ladegerät jedoch zu empfindlich, können Spannungsschwankungen vom Akku oder Oberwellen die Schnellladung zu früh abschalten. Darum wird heute bei annähernd allen NiMH-Schnelladegeräten eine Kombination von NDV, Steilheit der Temperaturkurve (dT/dt), absoluter Temperatur und Ladezeit verwendet. Die Schnellladephase wird bei Erreichen eines der Grenzwerte abgeschaltet.

Werden NiMH-Akkus kurzzeitig überladen, wird eine höhere Endkapazität erreicht, als bei weniger aggressiver Ladung. Bei einem guten Akku beträgt dieser Gewinn etwa 6 Prozent. Die Lebensdauer wird jedoch verringert. Anstatt nach 350 bis 400 Betriebsintervallen ist das Akkupack bereits nach 300 Intervallen aufgezehrt.

NiMH-Akkus sollten eher schnell, als langsam geladen werden. Weil sie Überladungen schlecht vertragen, muß die Erhaltungsladung bei 0,05 C liegen, also geringer als bei NiCd. Darum dürfen NiCd-Lader nicht für NiMH-Akkus benutzt werden.

Es ist schwierig, sogar unmöglich, NiMH-Akkus langsam zu laden. Bei C-Werten von 0,1 bis 0,3 ist der Verlauf der Spannungskurve und der Temperaturkurve ungewiß und kann zur Bestimmung des Ladeendzustands nicht benutzt werden. Die Ladeüberwachung muß dann zeitgesteuert sein. Wird jedoch ein voller oder halbvoller Akku mit einer festen Zeiteinstellung geladen, wird er überladen und dadurch beschädigt. Das gleiche gilt für einen alten Akku, der nur noch 50 Kapazität aufweist. Trotz Überladung kann sich der NiMH-Akku kalt anfühlen.

Oft erreichen billige Ladegeräte nicht den vollen Ladezustand. Die Ladeenderkennung spricht möglicherweise sofort bei Erreichen der Spannungsspitze oder einer Ansprechtemperatur an. Die Verkaufsargumente für diese Geräte sind eine kurze Ladezeit und der günstige Preis. Auch einige der Superschnellader erreichen den vollen Ladezustand nicht.

Das Laden von Lithiumionen-Akkus

Während die Lader für Nickel-Akkus strombegrenzend sind, wird bei Li﷓ion-Ladern die Begrenzung der Spannung angewendet. Es gibt nur eine Möglichkeit, Lithium-Akkus zu laden. Sogenannte Wunderlader, die angeblich alte Akkus wieder verjüngen können und lebensdauerverlängernd wirken, gibt es im Fall der Lithium-Chemie nicht. Auch ein superschnelles Laden ist nicht möglich. Die Hersteller von Li-ion-Zellen schreiben sehr präzise Ladeverfahren vor.

Die ersten Graphitsysteme erforderten eine Spannungsbegrenzung auf 4,10 V/Zelle. Zwar führen höhere Spannungen zu mehr Kapazität, aber die Lebensdauer wird dabei durch Oxidieren der Zellen verkürzt. Dieses Problem wurde durch chemische Zusätze gelöst. Heutige Li﷓ion-Zellen können bis 4,20 V +/﷓0,05 V/Zelle geladen werden.

Die Ladezeit beträgt bei den meisten Geräten 3 Stunden. Der Akku bleibt beim Laden kalt. Der volle Ladezustand ist erreicht, wenn eine bestimmte Spannung erreicht und der Strom auf einen konstanten niedrigen Wert abgesunken ist.

Eine Erhöhung des Ladestroms verringert die Ladezeit kaum. Zwar wird die Spannungsspitze mit einem höheren Strom schneller erreicht, doch die Auffüllladung dauert länger. Abbildung 2 zeigt den Spannungs- und den Stromverlauf beim Laden eines Li﷓ion-Akkus mit den Ladenstufen 1 und 2.




Abbildung 2: Ladestufen eines Li﷓ion-Akkus. Bei Li-ion-Akkus führt ein höherer Ladestrom nicht zu einer sehr viel kürzeren Ladezeit. Zwar wird die Spannungsspitze schneller erreicht, die Auffüllladung dauert jedoch länger.


Einige Lader sollen Li-ion-Akkus angeblich in einer Stunde laden können. Solche Geräte lassen die Stufe 2 aus und melden einen vollen Akku, wenn die Ansprechspannung am Ende der 1. Stufe erreicht wird. Der Ladezustand beträgt aber erst 70 Prozent. Die Auffüllladung dauert normalerweise doppelt so lange wie die Anfangsladung.

Bei Li﷓ion kommt keine Erhaltungsladung zur Anwendung, weil diese Akkus keine Überladung vertragen. Dabei würde es zu einer Beschichtung mit dem Lithiummetall kommen, wodurch die Zellen instabil werden. Statt der Erhaltungsladung wird die geringe Selbstentladung über den Akku und den Schutzkreis durch eine kurze Auffüllladung ausgeglichen. Akkuabhängig können Auffüllladungen alle 20 Tage erforderlich sein. Die Auffüllladung wird normalerweise ausgelöst, wenn die Leerlaufspannung des Akkus auf 4,05 V/Zelle abfällt, und wird bei 4, 20 V/Zelle wieder abgeschaltet.

Was passiert, wenn ein Akku versehentlich überladen wird? Li-ion-Akkus können im normalen Spannungsbereich gefahrenlos betrieben werden; sie werden bei höheren Spannungen jedoch instabil. Wird eine Zelle über 4,30 V aufgeladen, setzt sich Lithiummetall auf der Anode ab; die Kathode wird zu einem Oxidationsmittel, verliert ihre Stabilität und gibt Sauerstoff ab. Beim Überladen wird die Zelle warm.

Damit Li﷓ion-Akkus sicher betrieben werden können, muß ein Überladen und Überentladen verhindert werden. Kommerziell erhältliche Li-ion-Akkupacks sind mit einem Schutzkreis ausgestattet, der verhindert, daß die Spannung beim Laden zu hoch ansteigt. Die obere Ansprechspannung beträgt normalerweise 4,30V/Zelle. Außerdem wird die Ladung abgeschaltet, wenn eine Temperatur von 90 °C erreicht wird. Viele Akkus sind zusätzlich mit Druckschaltern auf den Zellen ausgestattet, die den Ladestrom permanent abschalten, wenn der Ansprechdruck erreicht wird. Ausnahmen bilden einige Spinellpacks (Mangan) mit einer oder zwei kleinen Zellen.

Li-ion-Polymer-Akkus werden ähnlich geladen wie Li﷓ion-Akkus. Diese Akkus verwenden ein geliertes Elektrolyt, um eine höhere Leitfähigkeit zu erzielen.

Das Laden bei niedrigen und hohen Temperaturen

Wiederaufladbare Akkus können in einem ziemlich breiten Temperaturbereich betrieben werden. Das bedeutet jedoch nicht, daß sie im gleichen Bereich geladen werden können. Während extreme Betriebstemperaturen oft nicht auszuschließen sind, bestimmt der Benutzer, wann geladen wird. Dies sollte möglichst bei Raumtemperatur erfolgen. Kommerziell erhältliche Akkus dürfen keineswegs bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt geladen werden.

Für Nickel-Akkus ist eine Schnellladung zwischen 10 °C und 30 °C optimal. Unter 5 °C ist die Fähigkeit der Rekombination von Sauerstoff und Wasserstoff stark reduziert, und der resultierende Druckaufbau kann zum Ventilieren der Zelle führen.

Das Aufnahmevermögen von Nickel-Akkus ist bei hohen Temperaturen wesentlich geringer. Ein Akku, welcher bei Raumtemperatur geladen und einen Ladezustand von 100 Prozent erreicht, wird bei 45 °C nur zu 70 Prozent geladen. Das erklärt die schlechte Leistung von Fahrzeugladegeräten im Sommer.

Li-ion-Akkus lassen sich im gesamten Temperaturbereich recht gut laden. Unter 5 °C sollte die Laderate 1 C nicht überschreiten. Ein Laden bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt ist zu vermeiden, da dann Lithiummetallbeschichtung auftritt.

Zusammenfassung

Kommerziell erhältliche Schnellader arbeiten oft nicht im besten Interesse des Akkus. Die zwei häufigsten Akku-Killer sind eine hohe Temperatur beim Laden und eine falsche Erhaltungsladung.

Es lohnt sich durchaus, ein Ladegerät hoher Qualität anzuschaffen, denn neue Akkus sind teuer und es ist enttäuschend, wenn ein Akku eine schlechte Leistung erbringt. In den meisten Fällen macht sich ein besseres Ladegerät durch eine längere Lebensdauer und eine erhöhte Leistungsfähigkeit der Akkus schnell bezahlt.

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