Praxistipp Elektronik: Akku-Ladeverfahren Präsentiert von ELEKTOR, dem Magazin für Elektronik und Computertechnik Hoch entwickelte portable Geräte wie Mobiltelefone, Camcorder, Laptops und MP3-Spieler wären nicht das, was sie sind, wenn die zugehörigen Akkus fehlten. Auch die Akku-Technik entwickelt sich weiter, und mit ihr die Verfahren, moderne Akkus zu laden und zu pflegen. Energie-Sammler Oft ist es zweckmäßig, den Lade- und Entladestrom eines Akkus im Verhältnis zu seiner Kapazität auszudrücken. Wenn die Akku-Kapazität C zum Beispiel 1 Ah (eine Ampere-Stunde) beträgt, ist mit dem Ladestrom C/10 ein Strom von 1 Ah/10 h = 100 mA gemeint. Die Kapazität C ist das Energie-Fassungsvermögen des Akkus, das der Akku unter bestimmten genormten Betriebsbedingungen besitzt. Die Energiemenge, die (theoretisch!) im geladenen Akku gespeichert ist, erhält man, indem man die Kapazität C (in Ah) mit der Nennspannung des Akkus (in V) multipliziert. Das Ergebnis ist eine Größe, die aus einem Zahlenwert und der Einheit "Wattstunde" (Wh) besteht. Tabelle 1. Energiedichte  Typ  Zellenspannung (nom.)  Energiedichte (typ.)  Blei/Schwefelsäure  2,1 V  30 Wh/kg  Nickel-Cadmium  1,2 V  40...60 Wh/kg  Nickel-Metall-Hydrid  1,2 V  60...80 Wh/kg  Lithium-Ionen (rund)  3,6 V  90...100 Wh/kg  Lithium-Ionen (prismatisch)  3,6 V  100...110 Wh/kg  Lithium-Ionen (Polymer)  3,6 V  130...150 Wh/kg Das Verhältnis zwischen der speicherbaren Energiemenge (in Wh) und dem Gewicht (oder Volumen) eines Akkus wird Energiedichte genannt. Hohe Energiedichte bedeutet, dass der Akku gemessen an seinem Gewicht (oder Volumen) eine hohe Energiemenge speichern kann. Tabelle 1 gibt eine Übersicht über die Energiedichte in Wattstunden je Kilogramm (Wh/kg) der für mobile Geräte am häufigsten eingesetzten Akku-Typen. In Tabelle 2 sind wichtige Eigenschaften der drei gegenwärtig gebräuchlichsten Akku-Grundtypen zusammengefasst: Nickel-Cadmium (NiCd), Nickel-Metallhydrid (NiMH) und Lithium-Ionen (Li-Ion). Dazu ist anzumerken, dass Nickel-Cadmium-Akkus wegen des enthaltenen Schwermetalls Cadmium mittelfristig nicht mehr auf dem Markt sein werden. Tabelle 2. Wichtige Eigenschaften  Eigenschaft  Nickel-Cadmium  Nickel-Metall-Hydrid  Lithium-Ionen  Energiedichte  niedrig  mittel  hoch  Energieerhaltung  niedrig  mittel  mittel  Lebensdauer  hoch  hoch  hoch  Preis  niedrig  mittel  hoch  Sicherheit  hoch  hoch  mittel  Umweltverträglichkeit  niedrig  mittel  mittel Ladeverfahren Neue Akkus oder Akku-Packs (Akkus, die aus mehreren Zellen bestehen) sind in der Regel nur teilweise geladen oder sogar vollständig entladen. Deshalb müssen sie vor dem ersten Einsatz geladen werden, wobei das Ladeverfahren an den Akku-Typ angepasst sein muss. Während des Ladevorgangs müssen der Ladestrom und die Ladespannung so eingestellt sein oder kontinuierlich gesteuert werden, dass der Akku zu keiner Zeit beschädigt werden kann. Tabelle 3. Ladeverfahren für NiCd- und NiMH-Akkus  Ladeverfahren  Eigenschaften  Anschlüsse  Ladezeit  Lade-strom  Erhaltungs-laden  Ladeniveau nach dem Laden  Bild  semikonstanter  Strom  Gebräuchlichstes  Verfahren  Einfach, wenig  Aufwand  2  15 Std.  0,1 C  -  -  1  Zeitgesteuert  Zuverlässiger als  semi-konstanter  Strom  Ziemlich einfach,  wenig Aufwand  2  6...8  Std.  0,2 C  1/20...1/30  C  ca. 120 %  2  -DV-Methode  Häufig  angewendet  Mehr Aufwand  2  1...2  Std.  0,5...1  C  1/20...1/30  C  ca. 110...120 %  3  dT/dt-Methode  Ziemlich  aufwendig,  dafür  längere  Lebenserwartung  durch  Schutz vor  Überladen  3 oder 4  1...2  Std.   > 1 C  1/20...1/30  C  ca. 100...110 %  4 Bild 1. Die Akkus alltäglicher Gebrauchsgeräte wie Rasierer, Telefone und Spielzeuge werden meistens mit semikonstantem Strom geladen. Bild 2. Zeitgesteuert geladen werden häufig die Akkus von Geräten wie Notebooks, Daten-Terminals und Mobiltelefonen. Laden von NiCd-Akkus Nickel-Cadmium-Akkus werden mit konstantem Strom geladen, dessen Höhe zwischen 0,05 C und mehr als 1 C liegen kann. Einfachere NiCd-Ladegeräte werten häufig lediglich die absolute Zellen-Temperatur aus, um das Ende des Ladevorgangs zu bestimmen. Die Temperatur ist jedoch kein zuverlässiges Kriterium für das Fortschreiten des Ladevorgangs. Zuverlässiger ist die Methode, den so genannten "-DV-Effekt" zu nutzen, er ist für NiCd-Akkus charakteristisch. Der Effekt besteht darin, dass die Klemmenspannung wie in Bild 3 gezeigt kurz vor Erreichen des Lade-Endzustands absinkt. Der -DV-Effekt tritt recht deutlich in Erscheinung, wenn der Ladestrom 0,5 C oder mehr beträgt. Ladegeräte für NiCd-Akkus sollten sicherheitshalber stets auch die Zellen-Temperatur überwachen. Bei älteren Zellen oder hintereinander geschalteten Zellen in unterschiedlichem Zustand kann der -DV-Effekt weniger deutlich ausgeprägt sein. Eine noch zuverlässigere Methode für das Erkennen des Ladeschlusses ist das Auswerten des Temperaturanstiegs in Abhängigkeit von der Zeit (dT/dt). Das Anwenden dieser Methode wirkt sich außerdem günstig auf die Akku-Lebensdauer aus, insbesondere wenn sie mit der -DV-Methode kombiniert wird. Das schädliche und gefährliche Überladen wird damit zuverlässig vermieden. Bild 3. Das -DV-Verfahren wird oft beim Laden von Akkus in Notebooks, Mobiltelefonen und Camcordern angewendet. Das so genannte Schnellladen ist bei NiCd-Akkus effizienter als das langsame Laden. Wenn NiCd-Akkus mit dem Strom 1 C geladen werden, geht während des Ladevorgangs nur wenig Energie in Form von Wärme verloren. Der Wirkungsgrad beträgt ca. 91 %, so dass der entladene NiCd-Akku in etwas mehr als einer Stunde geladen ist. Bei dem niedrigeren Ladestrom 0,1 C liegt der Wirkungsgrad bei nur 71 %, der Akku ist erst nach 14 Stunden voll geladen. So lange ein NiCd-Akku noch nicht bis etwa 70 % seiner Kapazität geladen ist, steigt seine Temperatur nur unwesentlich an; erst während der restlichen 30 % wird mehr Wärme entwickelt. Einige Ladegeräte nutzen diesen Effekt und laden den Akku bis auf 70 % seiner Kapazität in wenigen Minuten auf, indem sie sehr hohe Ladeströme durch den Akku schicken. Während der restlichen Zeit fließen niedrige Ladeströme, und danach wird auf Erhaltungsladen (0,02...0,1 C) umgeschaltet. Laden von NiMH-Akkus Ladegeräte für NiMH-Akkus arbeiten fast immer mit der dT/dt-Methode, um das Ende des Ladevorgangs zu bestimmen. Der -DV-Effekt ist bei NiMH-Akkus schwächer ausgeprägt als bei NiCd-Akkus, er hängt ferner von der Akku-Temperatur und vom Ladestrom ab. Bei Ladeströmen unter 0,5 C ist der -DV-Effekt fast nicht mehr erkennbar. Bild 4. Das dT/dt-Verfahren ist vorwiegend bei stromintensiven Geräten mit Akkus größerer Kapazität gebräuchlich. Die Klemmenspannung neuer NiMH-Akkus kann während des Ladevorgangs zu willkürlichen Zeiten springen, so dass der Ladevorgang vom Ladegerät möglicherweise zu früh beendet wird. Wenn keine signifikante Spannungsänderung eintritt, versagt die -DV/dt-Methode. Der Akku wird dann unweigerlich überladen, seine Lebensdauer wird verkürzt. Die Auswertung der Klemmenspannung liefert bei NiMH-Akkus kein zuverlässiges Kriterium für das Beenden des Ladevorgangs. Parameter wie Temperatur, Zellen-Alter und Ladezustand des Akkus bei Ladebeginn haben einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss. Deshalb dürfen NiMH-Akkus nicht mit Ladegeräten geladen werden, die zum Laden von NiCd-Akkus vorgesehen sind, es sei denn, das NiCd-Ladegerät arbeitet nach der dT/dt-Methode. Da NiMH-Akkus recht empfindlich gegen Überladen sind, dürfen während der Erhaltungsladung nur sehr niedrige Ströme (maximal ca. 0,05 C) fließen. Leider ist das Laden von NiMH-Akkus mit niedrigen Strömen keine Methode, mit der alle Probleme umgangen werden können. Bei Ladeströmen von etwa 0,1...0,3 C sind die während des Ladevorgangs auftretenden Effekte (z. B. Spannungs- und Temperaturänderungen) kaum noch messbar. Sie liefern kein genügend zuverlässiges Kriterium für das Ende des Ladevorgangs. Wenn NiMH-Akkus langsam geladen werden, besteht die einzige zuverlässige Methode darin, den Ladevorgang mit einem Timer zu steuern. Für NiMH-Akkus wird das Laden mit Strömen von ungefähr 1 C empfohlen (oder höher, falls vom Hersteller erlaubt). Dabei müssen sowohl die Spannung (DV = 0) als auch die Temperatur (dT/dt) ausgewertet werden, um ein zuverlässiges Kriterium für das Ende des Ladevorgangs zu erhalten. Quellenhinweis: Gert Helles, Akku-Ladetechniken - Grundlagen, Verfahren und Praxis-Tipps, Elektor 1/2005. Den vollständigen Artikel können Sie als PDF-Dokument hier herunterladen. Mehr Informationen auf der Elektor-Website www.elektor.de Lernen Sie Elektor unverbindlich im Probeabo kennen - 3 Hefte für nur € 12,50 Das bekommen Sie bei Conrad Electonic Beratung 0180/531 21 17 Bestellung 0180/531 21 11 (12 Cent/Min.) Artikel: LADEGERÄT AKKUTRAINER AT3plus 4X2300ER Bestellnummer: 512060 - U0