Die AKKU Seite

Aus Duesseldorfweb
Zur Navigation springen Zur Suche springen

{Einfache Ladeschaltung mit Konstantstromquelle

1. Allgemeine Eigenschaften der NiCd-Akkus. 2. Aufbau und Funktionsweise einer NiCd-Zelle. 3. Welches Elektrolyt verwendet man fuer NiCd-Zellen. 4. Warum sind neue NiCd-Akkus immer leer ? 5. Wichtige Groessen und spezielle Eingenschaften von NiCd- Akkus?


5.1. Wann und und wieso bilden sich im Akku Gase ? 5.2. Was bedeutet Lade -und Entladeschlusspannung ? 5.3. Wie hoch ist die Leerlauf- und Klemmspannung einer NiCd-Zelle? 5.4. Was bedeutet Selbstentladung und wovon haengt sie ab ? 5.5. Welche Rolle spielt die Temperatur beim Akku ? 5.6. Was hat es mit dem Memory-Effekt bei NiCd-Akkus aufsich ? 5.7. Wovon ist die Kapazitaet anhaengig ?

6.0. Durch welche Massnahmen kann man die Eigenschaften vom NiCd verbessern ? 7.0. Welche Aufgabe hat der Separator in einem NC-Akku ? 8.0. Einige technische Daten. 9.0. Welche Ladeverfahren gibt es ?


A Anhang NIMH Akkus

1. Allgemeine Eigenschaften der NiCd-Akkus

Wohl einer der Hauptvorteile von NiCd- Systemen sind vorallem lange Lagerfaehigkeit im entladenen Zustand, sowie die Tiefentladefaehigkeit. Man muss dies aber einschraenken, denn schaltet man mehrere NiCd-Zellen hintereinander, dann besteht die Gefahr, dass sich nach einer Tiefentladung eine einzelne Zelle umpolt, dazu spaeter mehr. Natuerlich ist auch die groessere mechanische Stabilitaet und das gute Verhaeltnis von Masse (Gewicht) zu Kapazitaet zu erwaehnen.

Nickel und Cadmium Cadmium besitzt das Formelzeichen Cd und geheort wie Blei zu den Schwermetallen, Daher sind alle Cd-Verbindungen sehr giftig. Nickel besitzt das Formelzeichen Ni und gehoert ebenfalls zu den Schwermetallen.

Praktisch verwendbare NiCd-Systeme gibt es erst seit der Jahrhundertwende. Nachdem sich Thomas A. Edison in seinen Forschungen auf Nickel / Eisen- Systeme konzentrierte, schuf Waldemar Jungner 1899 den ersten spaeter in Serie gefertigten NiCd-Akku. Gasdichte NiCd- Zellen konnten erst nach 1933 hergestellt werden, nachdem A.Sassler mit seinen Forschungen die Grundlage dafuer gelegt hat. Seinerzeit war auch schon das Prinzip der Sinterelektroden bekannt. Der naechste Technologiesprung Mitte der 80'iger Jahre brachte dann die Metallschaumelektrode und einige weitere Verbesserungen. Damit war es gelungen, in den Abmessungen einer Mignonzelle eine Kapazitaet von ueber 1 Ah unterzubringen.


2. Aufbau und Funktionsweise einer NiCd-Zelle.

In einer NiCd-Zelle besteht die positive Elektrode aus Nickelhydroxid (NiO2H), in der Regel mit einem Graphitzusatz um die Leitfaehigkeit zu verbessern. Bei gasdichten NC-Zellen ist es heute allgemein ueblich, einen Anteil sogenannter antipolarer Masse als Umpolschutz, meist Cadmiumhydroxid ( Cd (OH)2) hinzu- zufuegen. Die positive Nickel-Elektrode laesst sich naemlich viel schlechter Laden als die negative Cadmium-Elektrode. Der Zusatz von Cadmiumhydroxid bildet eine Ladereserve, welcher die Wasserzersetzung und somit die Bindung von Wasserstoffgas verhindert. Die Chemische Umwandlung des Wasserstoffs durch Oxidation an der positiven Elektrode verlaeuft so langsam, das er fuer Rekombinationszwecke in der Zelle nicht brauchbar ist. Dieser Wasserstoff- ueberschuss, der zu einem Druckanstieg in der Zelle fuehren wuerde, nimmt die Ladereserve auf und sorgt gleichzeitig fuer einen gewissen Umpolschutz. Die negative Elektrode besteht aus pulverisierten Cadmiumverbindungen. Auch hier befinden sich zur Verbesserung der elektrischen Leitfaehigkeit eingelagerte Graphitpartikel, auch hier gibt es analog zu positiven Elektrode eine Entlade - und Ladereserve, welche dadurch realisiert wird, dass mehr Elektrodenmasse als eigentlich erforderlich verwendet wird. Bei Ueberladung wird dann der gesamte Ladestrom zur Suerstoffreduktion an der negativen Elektrode verwendet ohne dass es zu einem unzulaesisgen Druckanstieg kommt. Trotz all dieser Massnahmen hat natuerlich die Umpolfestigkeit auch ihre Grenzen. In Grosserienfertigung werden die Elektrodenmaterialien in die gewuenschte Form gepresst und dann zur mechanischen Stabilisierung mit einem feinmaschigen Nickeldraht umgeben. Dieses leitfaehiges Nickelnetz dient auch zur gleichmaessigen Ladungsverteilung.

3. Welches Elektrolyt verwendet man fuer NiCd-Zellen ?

In NC-Elementen dient Kalilauge (KOH) als Elektrolyt, ueblicherweise mit einer Dichte von 1,27 kg/l. Sie kann aber auch leicht variieren. Bei hoeheren Saeurekonzentrationen ist zwar mit hoeherer Kapazitaet zu rechnen, jedoch geht dies sehr zu Lasten der Lebensdauer einer Zelle. Uebrigens bleibt die Saeuredichte einer NiCd-Zelle waehrend der Ladung und Entladung ziemlich konstant, da sich die Reaktionen an der negativen und an der positiven Elektrode nahezu kompensieren.

4. Warum sind neue NiCd-Akkus immer leer ?

Grundsaetzlich fliesst bei jedem Akku ein Entladestrom, auch wenn dieser nicht belastet wird. (=Selbstentladung) Akkus mit Sinterelektroden besitzen eine deutlich hoehere Selbstentladung. Man muss die erste Ladung (=Formatierungsladung) sehr gewissenhaft durchfuehren, um eine hoehere Lebensdauer zu erreichen. Der Grund ist, dass bei der ersten Ladung, sich die elektrisch aktiven Schichten an den Elektroden ausbilden. Wuerde man den Akku geladen ausliefern, so wuerde bereits vor der Formatierung eine gewisse Selbstantladung stattfinden. Die volle Kapazitaet erreichen NC-Akkus erst nach 6 Lade -Entladezyklen.

5. Wichtige Groessen und spezielle Eigenschaften von NC-Akkus

5.1 Wann und wieso bilden sich im Akku Gase ?

Bei Erreichen des Ladeendzustandes werden die waessrigen Anteile des Elektrolyts zersetzt; es entstehen (an der positiven Platte) Sauerstoff und Wasserstoff (an der negativen Platte), die normalerweise von der Gegenelektrode absorbiert werden. Beim Ueberladen bewirkt diese Knallgas-Erzeugung (Gasung) einen Druck- anstieg in der Zelle, der bis zur Explosion fuehren kann. Daher sind alle Akkus (auch die dichten Zellen) mit einem Sicherheitsventil versehen, das bei hohen Innendruck anspricht.


5.2 Was bedeutet Lade-Entladeschlusspannung ?


Die Ladeschlusspannung ist die Klemmspannung bei voll aufgeladenem Akku mit angeschlossenem Ladegeraet. Sie betraegt bei NC-Zellen ca. 1.50 V.

Die Entladeschlusspannung ist der Wert der Klemmspannung die der Akku gerade noch erreichen darf, ehe er tiefententladen wird. Eine Tiefentladung des Akkus bedeutet immer eine Verkuerzung der Lebensdauer. Entladeschlusspannung betraegt bei NC-Zellen ca. 0.85 V. Ein leer werdender Akku muss also rechtzeitig nachgeladen werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Nennkapazitaet niemals zu 100% entnommen wird, da hier Schaeden auftreten. Obwohl NiCd-Zellen recht unempfinlich gegen gelegentliche Tiefentladungen sind, sollte die Entladeschlusspannung nie unterschritten werden. Sonst koennen naemlich im Zellenverbund (bei Akku-Packs) einzelne Zellen bereits leer sein, waehrend die Nachbarn noch etwas Ladung haben. Diese Nachbar-Zellen haben aber fuer die entladene Zelle die falsche Polaritaet, so dass hier zu einem Umpoleffekt kommen kann, der zur Zerstoerung der leergepumpten Zelle fuehren kann.


5.3 Wie hoch ist die Leerlauf und die Klemmspannung einer NC-Zelle?

Die Leerlaufspannung einer NC-Zelle betraegt ca.1.299 V. Die Klemmspanng ist die bei angeschlossener Last an den Klemmen liegende Spannung.


5.4 Was bedeutet Selbstentladung und wovon haengt sie ab?

Auch ohne Belastung geht mit der Zeit ein Teil der im Akku gespeicherten elektrischen Energie verloren. Mit steigender Temperatur nimmt dieser Effekt stark zu. Die Ursache dafuer ist im schnellen Zerfall des hochaufgeladenen Nickelhydroxides auf der positiven Elektrode zu suchen. Dabei wird Sauerstoff abgespalten, der eine aequivalente Reduktion auf der negativen Elektrode bewirkt.Zudem haben die inneren Selbstentladestroeme durch vagabundierende Ionen eine nicht unbedeutende Wirkung. Selbstverstaendlich kann durch die Bauform die Selbstentladung beeinflusst (aber nicht vermieden) werden.


Faustregel: Eine Verringerung der (Lager)-Temperatur um 10 grad, halbiert die Groesse der Selbstenladung und verdoppelt somit die moegliche Lagerfaehigkeit.

Bei tiefen Temperaturen ist die Selbstentladung vernachlaessigbar. Reduktion= das Gegenteil von Oxidation, also Abspaltung des Sauerstoffes.


5.5 Welche Rolle spielt die Temperatur im Akku ?


Viele Eigenschaften von Akkus aendern sich mit schwankender Temperatur.

Eine Angabe von Bsp. 1Ah = 1000mAh besagt, das man bei 1/10 des Nennstromes (100mA) rund 10 h benoetigt, um den Akku restlos auszuschoepfen. Dies ist aber nicht erwuenscht (s.o.) Ausserdem ist die Stromausbeute sehr stark Temperatur- abhaengig. Wie wir schon von der Schule her wissen, laufen chemische Reaktionen bei erhoeten Temperaturen wesentlich schneller ab, das gilt auch fuer die Selbstentladung, die in diesem Fall die verfuegbare Kapazitaet ziemlich stark einschraenkt. Aber auch Kaelte beeinflusst die Eigenschaften des Akkus. Kaelte bremst die chemischen Vorgaenge im Akku, da der Ionenstrom im Elektrolyt langsamer ablaeuft. Dies bewirkt wiederum eine Zunahme des Innenewiderstandes und eine kleinere verfuegbare Klemmspannung.


5.6 Was hat es mit dem Memory-Effekt auf sich ?

Hierbei tritt eine Kapazitaetsminderung auf, wenn der Akku oft teilentladen wird und dann (fachgerecht) aufgeladen wird. Man erklaert sich den Vorgang durch eine Kristallvergroesserung des Nickelhydroxids und des Cadmiums an den Elektroden und den damit verbundenen Oberflaechenschwund. Dies kann bis zu einen kristallinen Kurzschluss fuehren. Durch gezieltes Tiefentladen und dann wider fachgerechtes Aufladen kann der Akku einigermassen wieder "fit" gemacht werden.



5.7 Wovon ist die Kapazitaet abhaengig ?


Die verfuegbare Kapazitaet in Abhaenigkeit vom Entladestrom ist stark vom Aufbau abhaengig, wobei man die Zellengroesse als Faustkriterium nehmen kann. Bei kleinen Zellen (300mAh) sind bei 1C gerade mal 60% verfuegbar, bei Zellen mit 1,5Ah sind bei 1C noch 95% verfuegbar, speziellen Zellen liegen bei 1C noch weit ueber der Nennkapazitaet. Immer noch Spitze sind die 1,7Ah-Zellen von Sanyo (56g), die z.B. einen Strom von 65A (=38C) immerhin noch 80s lang liefern koennen, das entspricht einer entnehmbaren Kapazitaet von 85% bei 38C.



6.0 Durch welche Massnahmen kann man die Eigenschaften einer NiCd-Zelle verbessern ?


Etwas aufwaendiger und teurer sind NiCd-Akkus mit Sinterfolien-Elektroden. Hierbei dient ein vernickeltes Stahlgewebe als Traeger, auf welches das Elektrodenmaterial, also NiOOH = positive Elektrode u. Cd = negative Elektrode, staubfoermig aufgebracht wird. Unter sehr hohen Temperaturen und Druecken sintern dann diese Stoffe zusammen und ergeben rauhe Oberflaechen. Durch die nun sehr grosse aktive Oberflaeche, ergeben sich folgende Eigenschaften: sehr geringen Innenwiderstand hohe Entladestroeme und eine gute Ueberladefestigkeit, da ja durch die grosse Oberflaeche die Gase (O und H) bei Ueberladung sich besser an den Elektroden binden koennen. Desweiteren besitzen solche Akkus bis zu 20 % mehr Kapazitaet. Weniger verbreitet sind Akkus mit Metallschaumelektroden.Ein selbsttragender Metallschaum oder Metallschwamm kann zu einem Wickel geformt, vollautomatisch zu Elektroden, verarbeitet werden.


7.0. Welche Aufgabe hat der Separator in einem NC-Akku ?


Damit die Elektroden immer einen optimalen Abstand haben, muss man sie stets mechansich fixieren. Diese Aufgabe uebernimmt der Separator (er wird oft auch als Scheider bezeichnet). Er beeinflusst die Zelle sehr wesentlich. Der Separator muss einerseits die Elektroden sicher voneinander trennen, und andererseits flexibel sein und das ueber einen grossen Temperaturbereich. Er darf fuer den Ionenfluss nur ein sehr minimaler Widerstand sein, soll aber gleichzeitig hochisolierend sein. Zudem darf der Separator nicht durch Saeure oder Lauge angegriffen werden. Als Materialien eignen sich Folien wie Vliese, Polyamid oder Polypropylen. Diese werden noch einer speziellen Oberflaechenbehandlung unterzogen.



8.0 Einige technische Daten


Spezifische Energiedichte : 21-27 Wh/kg elektrochemische Spannung der Gesamtreaktion : 1.299 V Innenwiderstand : 5m Ohm


entnommene Kapazitaet Qab Ladewirkungsgrad nAH = : --------------------------------- = ----- zugegebene Kapazitaet Qzu


Ladewirkungsgrad : ca. 83 % - 72 %


Endladeschlusspannung : 0.85 V


Die generelle obere Temperaturgrenze von NiCd : bei etwa 65 Grad


Dauertemperaturen ab etwa 45 Grad erfordern bereits einen speziellen Zellenaufbau.


Unterhalb -10 Grad hat die Zellenspannung einen negativen Temp-Koeffizienten Der Abfall betraegt etwa : 3mV/Grad.



9.0 Welche Ladeverfahren gibt es ?

14 Stunden Normalladung mit Konstantstrom: (Laden ca. 1/10 des Nennstromes) Die Ladedauer ist lang, teilentladene Akkus werden ueberladen und verlieren ihre Speicherkapazitaet (Memoryeffekt), tiefentladene Akkus werden nicht regeneriert.


Definiertes Entladen und anschliessende 14 Stunden Normalladung: Die Ueberladung und der Memoryeffekt werden ver- hindert. Die Regeneration schwacher Akkus ist maessig.


Entladen und anschliessende zeitgesteuerte Schnelladung: Die Vorteile sind kurze Ladezeiten und bessere Re- generation. Wegen des unterschiedlichen Wirkungsgrades verschiedener Akkutypen wird der Akku jedoch meist ueber- oder unterladen. Schnelladefaehige, also teure Akkutypen sind notwendig.


Entladen und anschliessende Schnelladung mit Spannungs- ueberwachung: Von der Zellenspannung kann nur bedingt auf den Lade- zustand geschlossen werden. Zudem ist die Spannung des vollen Akkus von Typ zu Typ unterschiedlich. Deshalb sind die Akkus oft teils ueber- oder unterladen.


Entladen und Schnelladung mit Temperaturueberwachung: Der Temperaturanstieg waerend der Ladung ist ein gutes Mass fuer den Ladezustand. Der Kontakt von Fuehler und Akku ist oft problematisch.


Entladen und Schnelladung mit Delta - Peak - Abschaltung: Da die Zellenspannung des Akkus aufgrund des Temperatur- anstieges sinkt, ist dies ein sehr gutes Abschaltkriterium. Die Elektronik macht Fertiggeraete teuer, und wegen der erforderlich hohen Ladestroeme duerfen keine Normalakkus benutzt werden.


Entladen und Laden nach dem Reflexprinzip: Das derzeit modernste Ladeverfahren erlaubt eine Schnell- ladung aehnlich der Delta-Peak-Methode auch bei Normalakkus. Kurze Entladeimpulse waehrend der Ladephase erhalten die chemische Reaktionen in der Akkuzelle in einem guenstigen Bereich.


Anmerkungen zum Reflexprinzip: Das wesentliche Element des von Christie Electric Corp. 1988 patentierten Reflexverfahrens liegt darin, dass waeh- rend eines Ladevorgangs (mit hohem Strom) periodisch fuer eine kurze Zeit (mit einem noch hoeheren Strom) entladen wird.


Der Sinn des Prozedur ist: Waehrend des Ladens mit hohem Strom entstehen durch Elektrolyseprozesse kleine Sauer- stoffblaeschen an den Elektroden. Dadurch wird die effektive Elektrodenoberflaeche reduziert und so die Impedanz der Zelle erhoeht. Eine erhoehte Zellenimpedanz hat aber eine geringere Ladeeffektivitaet und zudem eine hoehere Temperatur zur Folge.


Um dies zu vermeiden, ist der periodische Entladepuls vorge- sehen. Dieser Entladepuls loest Blaeschen von den Elektroden ab und foerdert durch den nun umgekehrten Stromfluss die Re- kombination des Sauerstoffs an der negativen Elektrode. Die Strategie arbeitet aber nur dann zuverlaessig, wenn die Gas- blaeschen noch klein sind. Aus diesem Grunde erfolgt der Ent- ladepuls etwa jede Sekunde.


Der Vorteil des Verfahrens liegt nun nicht nur im hoeheren zulaessigen Ladestrom. Die Effektivitaet des Ladevorganges steigert sich naemlich auch noch dadurch, dass (NiCd-typisch) allein schon durch die Hochstromladung eine zusaetzliche hoehere Effektivitaet erreicht wird.


Waehrend die Effektivitaet beim Reflex-Prinzip mehr als 95 prozent (bei minimaler Zellenerwaermung) erreicht, liegt die Effektivitaet bei konventioneller C/3-Ladung bei nur etwa 70 prozent.


Das Reflex-Prinzip setzt also mehr Energie in Ladung statt in Gasentwicklung um.


Dass bei dieser Lademethode ein Memoryeffekt vermieden bzw. ein bestehender Memoeffekt rueckgaengig gemacht wird (Aufbrechen der Kristalstrukturen) braucht keiner besonderen Erwaehnung.

NiMH-Zellen

1. Allgemeines 2. Zellenaufbau 3. Vergleich der Systeme 4. Lade/Entlade-Eigenschaften 5. Vergleich diverser Sekundaerelemente


1. Allgemeines


Unter den wideraufladbaren Geraetebatteriesystemen ist zur Zeit das System ni-cd mit Abstand vorherrschend, was an der Robustheit und der universalen Einsetz- barkeit liegt. Alle anderen verfuegbaren Systeme sind neu auf dem Markt oder Spezialsysteme fuer spezielle Anwendungen. Da das System Ni-Mh weitgehenst kompatibel dazu ist, zusatzvorteile bietet und in Zukunft weiterentwickelt wird, kann es in vielen Anwendungen die Rolle des NiCd Systems uebernehmen. Als weiteres System wird im Laufe der kommenden Jahre Lithium wiederaufladbar, auch unter der Bezeichnung Li/Swing oder Li/Ion bekannt, an Boden gewinnen. Da es sich hierbei um ein System mit 3 V handelt, ist keine Kompatibilitaet zu anderen Systemen gegeben, was eine Markteinfuehrung verlangsamt.


2. Zellenaufbau


die elektrochemischen Vorgaenge eine NiMh-zelle sind mit den der NiCd-zelle fast identisch, sie unterscheiden sich jedoch an den negativen Elektroden.


Wie von NiCd-Systemen bekannt ist,gibt es auch bei NiMh-Zellen eine Lade/Entla- dereserve, d.h. eine Ueberlade- und Teifentladefaehigkeit ohne Schaeden fuer den Akku. Dies wird erreicht, indem man die negative Elektrode groesser bzw. massenreicher gestaltet wie die positive Elektrode. Die Entstehung eines Sauerstoff- ueberdruckes durch Ueberladung wird wie bei der NiCd-Zelle durch Rekombination an der negativen Elektrode verhindert. Man muss also bei Ueberladung die entstehenden O2-Molekuele moeglichst schnell binden, um einen Ueberdruck zu verhindern bzw. das das Sicherheitsventil das Akkus nicht anspricht. Andererseits ist die negative Elektrode einer NiMh-Zelle in der Lage, Wasserstoff zu absorbieren, so das im Fall einer Tiefentladung oder Umplolung der an der positiven Elektrode entstehende Wasserstoff ebenfals zu einem gewissen Grad verzehrt werden kann. Das die Lade/Entladereserve nur in einem gewissen Bereich Wirkung zeigt, bedarf keiner weiteren Erwaehnung. Zur Verdeutlichung der Vorgaenge soll Bild 1 helfen.



Bild 1 - Vorgaenge an der Elektroden der NiMh-zelle



Ueberladen



+ | ni(oh)2 | --


| o2-verzehr


/

- | | meh | me | <-


-------------------------------------

er lr



Tiefentladen



-- | ni(oh)2 | + / ---------------------------------- | | h2-verzehr |


-> | mhe | mhe | me | -


er lr


er = entladereserve el = ladereserve



3. Vergleich der Systeme


Das Verhalten der NiMh-Zellen bei kleinen und mittleren Entladestroemen gleicht fast den der NiCd-Zellen. Bei grossen Entladestroemen sind NiCd-Akkus im Vorteil,d.h das sich grosse Entladestroeme bei NiCd-zellen weniger auf die Kapazitaet auswirken, wie bei NiMh-Akkus. Weitere Unterschiede ergeben sich zwischen NiMh -und NiCd-Zellen aber im Spannungverhalten waehrend der Ladung. Generell liegt die Ladespannug von NiMh-Zellen leicht unterhalb der NiCd-Zellen, und das fuer NiCd-typische Spannungsmaximum am ladeende bei hoeren Laststroemen ist bei NiMh-Zellen wesentlich schwaecher ausgepraegt. Deweiteren zeigen NiMh-Akkus 25%-100% groessere Kapazitaetswerte auf wie NiCd-Systeme bei gleicher Bauform. Die Groessenaenderung haengt natuerlich von der Baugroesse und des verwendeten NiCd-Systems ab. Ausserdem sind NiMh-Zellen ueber einen viel groesseren Temperaturbereich einsetzbar als NiCd-Systeme. laden: 0 .... 60 grad entladen: -20 ... 65 grad lagern: -40 ... 65 grad Die obere Grenze fuer NiMh-Zellen liegt also bei 65 grad. Ladespannungen sollten nicht unter 0 grad durchgefuehrt werden, da der unerwuenschte Druckaufbau die Zelle im unguenstiegen Fall zersteoren koennte. Ein weiterer grosser Vorteil der NiMh-Zelle ist, das sie keinen Memory-Effekt aufweist. Der Memory-Effekt wurde bereits in der NiCd-FAQ eroertert.


4. Lade/Entlade-Eigenschaften


Je hoeher der Ladestrom, desto hoeher ist die Ladeschlusspannung. Die Ladespannung von NiMh-Akkus weist einen negativen Temperaturkoeffizienten auf.( d.h je hoeher die Temperatur, desto geringer ist die _Lade_endspannung ). Die Ladespannungskennlinie verlaeuft sehr flach. Bei ereichen des Ladeendzustandes steigt die Spannung nochmal staerker an. Ladegeraete koennen diesen Spannungsanstieg auswerten und entsprechend auf Ladehaltestrom umschalten. Laedt man den NiMh-Akku ueber die Ladeendspannung hinaus weiter, so sinkt die Ladespannung wieder. Auch diesen Rueckgang der Spannung kann man als Abschaltkriterium verwenden. Meist lassen sich negative Spannungs- aenderungen schaltungstechnisch besser loesen, als positive. Der Anstieg bzw- der Rueckgang der Ladespannung ist temperaturabhaengig.


Anders ist es bei der Entladespannung. Sie ist um so groesser je hoeher die Temperatur ist. Die Kapazitaetsausbeute steigt mit der Temperatur. Bei hoeheren Temperaturen macht sich bei kleinen und mittleren Entladestroemen jedoch der gegenteilige Effekt bemerkbar. Daher verringert sich die Kapazitaet bei 60 Grad geringfuegig gegeueber der bei Raumtemperatur.


5. Vergleich diverser Sekundaersysteme


nicd blei nimh li/ion


energiedichte (volumenbezogen) - - ++ ++ zyklenverhalten ++ - ++ ++ selbstentladung + + + ++ schnelladefaehigkeit ++ - + - hochstrombelastbarkeit ++ + + - sicherheit und zuverlaessigkeit + ++ + - kosten + ++ - - spannungskompatibilitaet ++ - ++ -- umweltvertraeglichkeit -- -- + + spannungsstabiliatet beim entladen ++ -- ++ --


++ ausgezeichnet + gut - ausreichend fuer viele Anwendungen -- betraechtliche Nachteile



Bleiakkus / Bleigelakkus

Bleiakkus werden mit einer konstanten Spannung von 2,3 V pro Zelle geladen daraus ergeben sich folgende Ladespannungen:

6 V Akku Ladespannung 6,9 V

12 V Akku Ladespannung 13,8 V

Bei der Entladung sollte die Zellenspannung nicht unter 2.1 V sinken, das entspricht 6,3 bzw. 12,6 V


Ladung von NC-Accus

NC-Akkus werden mit konstantem Strom geladen. Glättungs-Kondensatoren sind nicht notwendig, es kommt nur auf den 'konstanten' Effektiv-Wert an. Die NORMALLADUNG dauert 14 stunden bei einem Ladestrom von i/10 (bsp. Mignonzelle mit 500 mAh: 14 Stunden mit 50 mA). Eine Überladung mit i/10 wird seitens der Hersteller mit mindestens 300 Stunden als undenklich angegeben, in der Praxis wirken sich auch längere Ladezeiten nicht negativ aus, sollten aber vermieden werden. (besonders bei NC-Akkus mit Masse-Elektroden). Die Erhaltungs- oder PUFFER-LADUNG (d.h. zulässige unbegrenzte Dauerladung) sollte max. bei i/30 bis i/20 liegen (Bsp. Mignonzelle mit 500 mAh: bei 16-25 mA). für Knopfzellen mit Masse-Elektroden gilt als Erhaltungsstrom i/100. Die SCHNELLADUNG (nur bei Sinterzellen) birgt die Gefahr der Überladung und der evtl. Gasung. Es sollte darauf geachtet werden, dass der Akku nur bis zu seiner Nennkapazität vollgeladen wird. Zweckmäßigerweise wird der Akku vor der Schnellladung auf 0.8 bis 0.9 Volt Zellenspannung entladen. die Ladezeit (in stunden) lässt sich durch die Kapazität (in mAh) dividiert durch Ladestrom (in mA) mal 1.4 errechnen : T=(K:I)*1.4 durch die Schnellladung erreicht der Akku zwischen 85 und 95% seiner Nennkapazität. Durch eine Anschließende 1.5 stündige Normalladung erreicht der Akku seine Nennkapazität. Ist der Akku NICHT LEER und soll trotzdem schnellgeladen werden, so ist die Ladezeit auf die dem Akku entnommene Kapazität zu errechen. Alle o.g. Angaben gelten für 20 grad Celsius.. bei davon abweichenden TEMPERATUREN gestaltet sich das laden schwieriger. so erreicht der Akku bei -10 C bereits bei Normalladung mit 14 stunden eine kritische Zellenspannung von 1.6 Volt, bei der die entstehende GASUNG durch das SICHERHEITSVENTIL entweicht. ein geringerer Ladestrom ist daher bei tieferen Temperaturen angebracht, empfohlen wird max. 0.5*i/10 und eine Begrenzung der Zellenspannung auf 1.55 Volt pro Zelle. bei höheren Temperaturen z.B. bei 40 C, entsteht bei Normalladung bereits nach 75% aufgeladener Kapazität die Überladephase (hierbei wird durch den Gaskreislauf (elektrochemischer Ladungsprozess) die Ladespannung herabgedrückt anstatt - wie üblich - gegen Ladeschluss heraufgesetzt), wobei die weiter zugeführte Energie in wärme umgewandelt wird. ein laden mit höheren Strömen ist daher bei höheren Temperaturen empfehlenswert, da die Überladephase erst später beginnt. Da bei der Ladung prinzipiell ein anstieg der Temperatur und der Ladespannung zu beobachten ist, ist bei der automatischen Abschaltung des Ladevorganges der Abschaltspannungswert fuer jeden Typ, jede Umgebungstemperatur und fuer jeden Ladestrom zu ermitteln. Des weiteren sind auch Akkublöcke vom gleichen Hersteller untereinander unterschiedlich und ändern sich zusätzlich altersbedingt. Besser als automatische Abschaltung über den Spannungswert

Erwiesen sich Automatikladegeräte, die den Ladevorgang durch eine Zeitschaltuhr unterbrechen. (an eventuelle Stromausfälle denken, Akkus vorher (auf ca. 0.9 Volt pro Zelle) entladen (dann weiß man, wie lange man laden muss), die Mindestspannung beim Laden beträgt 1.45-1.5 Volt pro Zelle. Bei stromgeregelten Ladegeräten, insbesondere bei Kombiladern fuer 1-12 Zellen liegt die Leerlaufspannung zum teil erheblich höher, der vom Akku benötigte Spannungswert stellt sich jedoch während des Ladevorganges automatisch ein.

Ladung von Blei-Gel-Akkus.

Blei-Gel-Akkus werden mit konstanter Spannung geladen. >Glättungskondensatoren sind nicht notwendig, es kommt auf die (Spitzen-)Spannung an. ( Autobatterie-Ladegeräte sollten auf grund der (in der Regel) zu hohen Ladespannung nicht zum Laden benutzt werden. Bei einer Ladetemperatur von 20 C beträgt die Ladespannung 2.3 Volt pro Zelle (bei 6-volt Akkus also 6.9 Volt und bei 12-volt Akkus 13.8 Volt). Bei -20 C sollte die Ladespannung auf 2.56 Volt pro Zelle angehoben werden, bei +40 C dagegen auf 2.2 Volt pro Zelle abgesenkt werden. Bei diesen Spannungen nimmt der Akku anfangs so viel Strom auf, wie ihm zur Verfügung gestellt wird. Der Strom sinkt im weiteren Verlauf kontinuierlich ab, bei einem Ladestom von ca. i/100 ist der Akku voll und nimmt nur noch den Ladeerhaltungsstom auf. Im BEREITSCHAFTS-PARALLELBERIEB liegt die Erhaltungsspannung bei 2.25 bis 2.3 Volt pro Zelle, auf diesen Strom schalten diverse Automatik-Ladegeräte um. Die Ladezeit (in Stunden) lässt sich durch die entnommene Kapazität (in Ah) dividiert durch Anfangsladestrom (in A, den das Ladegerät zu Verfügung stellen kann) plus 3 bis 5 errechnen: T=(K/I)+3 bis 5 (plus 3 bei einem Anfangsladestrom von K/10, plus 5 bei K/5) (bei 20 C). SCHNELLADUNGEN erfolgen mit max. 2.4 Volt Zellenspannung bei 20 C. ab 2.4 Volt Zellenspannung muss auf Ladeerhaltung umgestellt werden. (zu deutsch : Dem Akku wird der Maximal-Strom des Ladegeräts zu Verfügung gestellt.) Sobald die Zellenspannung 2.4 Volt erreicht wird umgeschaltet auf Erhaltungsladung mit 2.25-2.3 Volt pro Zelle. Sollte der Akku gasen (z.B. weil die Temperatur ansteigt und somit nur eine niedrigere Ladespannung erforderlich ist), so ist die Ladung zu unterbrechen (bis die Akku- oder Umgebungstemperatur gesunken ist) oder die Ladespannung zu senken.

Allgemeine Tipps (NC-, Blei-, Bleigel-Akkus)

Gedächtnis-Effekt: Werden Akkus über längere Zeit nicht oder nur teilweise entladen sinkt ihre Kapazität ab.

Abhilfe: gelegentliches Laden

formatieren: mehrfaches (3 bis 5 mal) Normal-Laden + entladen

Defekte Akkus: (jede Zelle einzeln behandeln)

Leer, Zelle kommt bei Ladung nicht auf Spannung -> Strom langsam erhöhen (bis 20*i), aber auf Spannung, Temperatur, Gasung achten : rechtzeitig abbrechen. Sobald die Zelle 'kommt' : auf Normalladung übergehen

Leer, Zelle hat hohen Innenwiderstand/ voll, Zellenspannung bricht bei kleinster Last zusammen: -> abwechselnd laden + entladen (kleiner Lade- + kleiner Laststrom) (z.B. erste Halbwelle laden, erste Halbwelle entladen, zulässige Parameter einhalten !) }