Ladeverfahren für Akkumulatoren

Nomenklatur

Zur Bezeichnung von Ladeverfahren hat sich ein System eingebürgert, in dem verschiedene Ladephasen durch jeweils einen Buchstaben charakterisiert werden. Die Aneinanderreihung von mehreren Abkürzungen ergibt dann das vollständige Ladeverfahren. Folgende Kürzel stehen zur Verfügung:

• I: Konstant-Strom-Kennlinie

• U: Konstant-Spannung-Kennlinie

• W: Ungeregelte Ladung konstanter Spannung und Vorwiderstand

• 0: Kennliniensprung

• a: Abschaltung

Pulsladeverfahren

• Der Strom wird Pulsweitenmoduliert
• Einfahere Regelung von Strom und Spannung möglich
• Gefährlich bei Li Akkus, da die Spannung u.U. zu hoch werden kann.

Ladephasen

• Vorladung: Laden mit kleinem Strom (0.1C) bis die Zelle eine definierte Spannung erreicht hat, um die Battierie auf Funktionalität zu überprüfen. Dies ist bei Li-Akkus sehr wichtig um Kurzschlüsse durch Dentriten zu erkennen.
• Hauptladung: Der Ladestrom fliesst fast ausschließlich in die Hauptreaktionen
• Nachladung: Ein Teil des Stroms wird in Nebenreaktionen in Wärme umgewandelt. Wird zum Balancieren von Alkalischen Akkus verwendet
• Erhaltungsladung: Kompensation der Selbstentladung

Ladeverfahren für Alkalische Akkus

Unterschiede zwichen NiCd und NiMH

• NiCd Akkus erlauben größere Ladeströme, da die Reaktionswärme hier negativ ist und der Akku dadurch gekühlt wird.

• NiCd Akkus weisen beim erreichen des Volladezustands eine ausgeprägtere Spannungscharakteristik auf, was Einfluss auf das Abschaltkriterium hat.

I und Ia Ladung

• Ladung ohne Abschaltkriterium nur bis I₁₀ zulässig da beim Überladen die Gefahr besteht, dass sich das Elekrolyt zersetzt.

• Die Spannung steigt während dem Laden gegen Ende rasch an und fällt nach erreichen des Volladezuschands wieder leicht ab. Dies Resultiert aus der Erwärmung des Akkus und der dadurch größeren Reaktionsgeschwindigkeit der Nebenreaktionen.
• Als Abschaltkriterien können Temperatur, Spannung, Zellinnendruck oder Zeit dienen.
  • Zeitkriterum kann keine präzise volladung gewährleisten
  • Ladung mit definiertem Ladefaktor ist auch eine Zeitabschaltung. Hierzu ist es nötig den Ladestand des Akkus zu kennen. Der Akku wird dann mit einem kleinen Strom so lange geladen biss er einen Ladezustand von theoretisch 110%-160% erreicht hat.
  • Spannungskriterien:
    • Nach Absolutwert nicht Sinnvoll, da der Wert vom Ladestrom und der Vorgeschichte abhängt.
    • Delta-U Erkennung wird oft angewendet. Der Akku ist dann allerdings schon leicht überladen. Außerdem ist der Spannungsverlauf temperaturabhängig. Oberhalb von 30°C kann das Verfahren versagen.
    • Abschalten im Spannungsmakimum ist optimal, aber sehr Aufwändig
    • Umschalten im Wendepunkt auf kleinen Ladestrom
  • Temperaturkriterien:
    • Abschalten nach Absolutwert oder Wendepunkt ist ungeeignet.
    • Abschalten nach Ansoluter Temperaturdifferenz
    • Abschalten bei definierter Steigung der Temperatur

Pulsladetechnikten

Es gibt eine Vielzahl von Pulsladeverfahren die sich teilweise nur in sehr feinen Deteils unterscheiden. In diesem Bereich werden auch laufend neue Verfahren entwickelt, deren versprochener Vorteil, wie z.B. wiederbelebung einer defekten Batterie, gröstenteils nicht wissenschaftlich nachweisbar ist und somit der Esoterik zuzuordnen sind.

Für genauere Informationen sollte man den Herrsteller der Verwendeten Zellen kontaktieren, oder einschlägige Literatur heranziehen.

Probleme beim Laden

• Bei großen Zellen ist die Wärmeabfuhr schlechter,daher können diese (und auch Akku-Packs) oft nicht mir so hohen Strömen wie kleinere Zellen geladen werden.
• gealterte Zellen zeigen oft bei Beginn der Ladung eine starke Spannungsüberhöhung. Das Delta-U Kriterium wird daher zu Beginn der Ladung deaktiviert, was zu einer Überladung von bereits geladenen Akkus führen kann.
• Bei qualitativ minderwertigen Zellen kann es sein, dass sich die Zelle bereits während der Ladung stark erwärmt, und der Charakteristische Spannungsabfall am Ende ausbleibt.
• Systematische starkes Überladen senkt die Lebensdauer der Zelle signifikant.
• Regelmäßiges Unterladen (nicht ganz voll laden) führt bei Akkupacks zum Auseinanderdriften der Ladestände. Dies kann beim Entladen zum Tiefentladen oder Umpolen eintelner Zellen führen. Akkupacks sollten stets voll geladen werden und dabei mit ausreichendem Ladefaktor zu überladen.

• Nicht ausreichendes Aufladen, bzw. Teilzyklisierung führt zu einem "Memory Effekt". NiCd und NiMH Zellen sollten daher stets voll geladen werden.

Ladeverfahren für Lithium-Akkus

• Lithium-Akkus dürfen auf keinen Fall mit einer Spannung höher als 4.2V geladen werden, da es sonst zur zersetzung des Elekrolyts führen kann.
• Optimales Ladeverfahren ist IUa
• aus Sicherheitsgründen muss vor Beginn der eigentlichen Ladung eine Vorladephase statt finden. Hier wird die Zelle mit einen kleinen Strom geladen und überprüft ob die Spannung über eine Mindestgrenze von 3V ansteigt. Hierdurch können Kurzschlüsse in Zellen erkannt werden. Würde eine Zelle mit Kurzschluss trotzdem geladen werden, wird sich diese stark erwärmen und unter Umständen durch die gespeicherte Energie auch nach abbruch des Ladevorgangs weiter erhitzen, was zu einem Thermischen Durchgang fürhern kann.
• Da Hohe Spannungen auf Dauer für die Zelle sehr schädlich sind, muss die Ladung unbedingt nach erreichen des Volladezustands abgeschaltet werden.
• Abschaltkriterien:
  • nach Strom: Die Abschaltung erfolgt wenn der Strom in der U-Phase unter einen definierten Wert Fällt. Typische Werde liegen zwischen 1/8 C und 1/30 C
  • nach Zeit: Die Abschaltung erfolgt nach einer definierten Zeit. Dieses Kriterium ist kritisch, da die Zelle nicht unnötig lange unter der hohen Ladespannung gehalten werden sollte. Dieses Kriterium wird daher meist nur als Sicherheitskriterium angewendet wenn das Stromkriterium versagt.
• Erhaltungsladung wird aus erwähnten Gründen nicht durchgeführt.

Ladeverfahren für Blei-Akkus

• Im grunde wird immer eine IU oder IUa Ladung durchgeführt
• bei der IU Ladung mit einer Spannung von maximal 2.30V pro Zelle ist eine abschaltung nicht nötig.
• Um die Ladung zu beschleunigen kann die Spanung un der U-Phase auf etwa 2.45V pro Zelle angehoben werden, Dann muss die Ladung allerdings nach Erreichen der Volladung abgebrochen werden oder auf eine kleiner Spannung umgeschaltet werden.