Geschichte
Batterien, Ladekonzepte und Ladegeräte
Dieser kurze Artikel soll einen kurzen Einblick in die derzeit am Markt befindlichen, wiederaufladbaren Batterien (Akkus) geben. Die technischen Daten der verschiedenen Zellen, insbesondere die Energiedichte, sollen als Anhaltswert dienen und erheben keinen Anspruch auf völlige Genauigkeit. Die unterschiedlichen Ladekonzepte und das Egston Know-how werden erläutert.
Inhalt
Bleiakku
Technische Eigenschaften
| nominelle Zellspannung | 2.0V |
|---|---|
| Ladeschlussspannung | max. 2.3-2.4V |
| Tiefentladespannung | 1.8V / Zelle sollten nicht unterschritten werden |
| Energiedichte | bis 40 Wh/kg, bis 110 Wh/l |
| Ladezyklen | min. 300 |
Bleiakkus sind je nach Type schnelllade- und entladefähig erhältlich. (bis ca. 0.8C). Das Ladeverfahren für Bleiakkus ist CCCV (constant current constant voltage), d.h. der Akku wird zuerst mit konstantem Strom, danach, sobald eine Zellenspannung von 2.3-2.4V erreicht ist, mit konstanter Spannung geladen. Puffer-parallel-Betrieb ist ohne Probleme möglich.
NiCD-Akku
Technische Eigenschaften
| nominelle Zellspannung | 1.2V |
|---|---|
| Ladeschlussspannung | bis 1.8V |
| Tiefentladespannung | 0.9V / Zelle sollten nicht unterschritten werden. |
| Energiedichte | bis 70 Wh/kg, bis 200 Wh/l |
| Ladezyklen | min. 500 |
NiCD-Akkus können mit C/10 (d.h. der Ladestrom ist ein zehntel der nominellen Akkukapazität) dauernd geladen werden, eine Ladeschlusserkennung ist dann nicht notwendig, jedoch wird der Memory-Effekt dadurch begünstigt.
Schnellladung oder -entladung von NiCD Akkus möglich bis ca. 5C (d.h. der Akku ist in ca. einer Viertelstunde voll oder leer) jedoch nur mit Ladeschlusserkennung oder Entladeschlusserkennung. Zur Ladeschlusserkennung sind unterschiedliche Verfahren anwendbar:
- -dU / dt (negativer Spannungsgradient)
- -d^2U / d t^2 (Wendetangente)
- dT / dt (Temperaturgradient)
- Stromintegration (gas gauge)
- und diverse exotische Verfahren
Nach unserer Erfahrung ist das Temperaturgradientenverfahren am zuverlässigsten.
Puffer-parallel-Betrieb mit NiCD-Akkus ist nur mit einem Ladestrom von C/10 denkbar, jedoch verliert der Akku schnell an Kapazität durch den Memory-Effekt.
NiMH-Akku
Technische Eigenschaften
| nominelle Zellspannung | 1.2V |
|---|---|
| Ladeschlussspannung | bis 1.8V |
| Tiefentladespannung | 0.9V / Zelle sollten nicht unterschritten werden. |
| Energiedichte | bis 90 Wh/kg, bis 350 Wh/l |
| Ladezyklen | min. 500 |
NiMH-Akkus können auch mit C/10 dauernd geladen werden, eine Ladeschlusserkennung ist dann nicht notwendig.
Schnellladung von NiMH Akkus möglich bis ca. 3C, jedoch nur mit Ladeschlusserkennung. Dazu sind die gleichen Verfahren wie bei NiCD anwendbar:
- -dU / dt (negativer Spannungsgradient)
- -d^2U / d t^2 (Wendetangente)
- dT / dt (Temperaturgradient)
- Stromintegration (gas gauge)
Die Ladeschlusserkennung ist bei NiMH Akkus erschwert durch den Umstand, dass ein negativer Spannungsgradient fast nicht mehr auftritt (-5mV/Zelle) und eine zuverlässige Wendetangente kann meist überhaupt nicht gefunden werden. Das Temperaturgradientenverfahren hat sich bei Egston als einzig anwendbares Verfahren für die schnelle Ladung von NiMH Akkus durchgesetzt.
Puffer-parallel-Betrieb mit NiMH-Akkus ist nur mit einem Ladestrom von C/10 denkbar, ein Memory Effekt tritt bei NiMH Akkus lt. Herstellerangaben nicht auf.
LiIon-Akku
LiIon Akkus und LiIon Polymer Akkus haben im wesentlichen die gleichen Eigenschaften und werden hier nicht getrennt betrachtet. Die Polymer-Zelle ist eine Weiterentwicklung der herkömmlichen Zelle und zeichnet sich durch eine höhere Energiedichte und einen nicht flüssigen Elektrolyten aus.
Technische Eigenschaften
| nominelle Zellspannung | 3.7V |
|---|---|
| Ladeschlussspannung | bis 4.2V |
| Tiefentladespannung | 3V / Zelle sollten nicht unterschritten werden. |
| Energiedichte | bis 160 Wh/kg, bis 400 Wh/l |
| Ladezyklen | min. 500 |
LiIon-Akkus sind schnelllade- und entladefähig (bis ca. 2C). Das Ladeverfahren für LiIon Akkus ist wie bei Blei-Akkus CCCV (constant current constant voltage), d.h. der Akku wird zuerst mit konstantem Strom, danach, sobald eine Zellenspannung von 4.1-4.2V erreicht ist, mit konstanter Spannung geladen. Puffer-parallel-Betrieb ist ohne Probleme möglich.
Probleme der LiIon Zellen- Bei zu hoher Ladespannung kann zu viel Li aus der Kathode gelöst werden, das restliche Kathodenmaterial ist dann nicht mehr thermisch stabil.
- Die LiIon Zelle ist thermisch nicht stabil. Wird sie erhöhten Temperaturen ausgesetzt (ca. 150°C), beginnt eine exotherme Reaktion im inneren der Zelle und sie kann explodieren oder Feuer fangen.
- Die erhöhten Temperaturen können sich auch durch Überladung mit zu hoher Spannung und Leistung ergeben.
- Die erhöhten Temperaturen können auch durch Kurzschluss der Zelle hervorgerufen werden.
Man versucht heute, die thermische Instabilität durch mikroporöse Separatoren in den Griff zu bekommen, diese Separatoren unterbrechen zellenintern den Stromfluss durch Verschmelzen von Mikroporen. Weiters werden oftmals direkt in die Zelle thermische Sicherungselemente (PTC, shape memory alloy) eingesetzt, um einen externen Zellenkurzschluss zu beherrschen.
Man sollte sich bei LiIon Zellen nicht auf ein Sicherheitssystem verlassen, eine gute Vorgehensweise ist:
- Zelle
- Batterie-pack mit Sicherheits-Schaltung
- Ladegerät
- Netzgerät
Die Daten des Netzgerätes sollten dabei sorgfältig auf die zu ladende Zelle abgestimmt werden. Zu beachten ist auch die Tatsache, dass der Kunde eventuell Ersatzprodukte einsetzt, bei denen nicht alle Sicherheitseinrichtungen sorgfältig durchdacht sind.
Ladegeräte
Ladegeräte für Blei-AkkusLadegeräte für Blei-Akkus sind Geräte mit 1% Ausgangsspannungstoleranz, ein Stromregler ist nicht notwendig, eine Strombegrenzung ist ausreichend.
Typen im Egston Standard-Programm:- N1xxxW1: (Weitbereichsgerät 50°C max. Umgebungstemperatur)
- N2xxxW1: (Weitbereichsgerät 40°C max. Umgebungstemperatur)
Ladegeräte für LiIonen, NiCD und NiMH Akkus sollten immer für die jeweilige Anwendung entwickelt werden um optimale Sicherheit und Lebensdauer zu garantieren. Egston setzt dafür microcontroller-gesteuerte Schaltungen ein.
Ausblick
Die Vorteile, die die LiIon Zelle bietet (hohe Kapazität, einfacher Ladeschluss, Puffer-parallel-Betrieb) wird ihr sicher zum Erfolg verhelfen. Schon heute sind alle Laptops und Notebooks und viele Mobiltelefone damit ausgestattet. Selbst bei Heimwerkergeräten oder Elektrofahrrädern wird sich die LiIon Zelle früher oder später (wenn die Sicherheitsprobleme gelöst sind) durchsetzen.
