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Ladeverfahren

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Da Akkumulatoren aus verschiedenen Materialien zusammengesetzt sein können, müssen sie den Bestimmungen nach durch verschiedene Ladeverfahren geladen werden. Die Lebensdauer eines Akkumulators kann durch das richtige Ladeverfahren erheblich erhöht werden. Einige Akkumulatoren vertragen kein Überladen, andere wiederum müssen kurz Tiefentladen werden um einen Memory Effekt zu vermeiden. Moderne Ladegeräte sorgen automatisch mit dem richtigen Ladeverfahren für die optimale Pflege des Akkumulators.

ENERGY-8-PLUS.jpg


Ladeverfahren mit Konstantstrom

Hierbei wird der Akkumulator mit einem konstanten Strom permanent geladen. Damit der Akkumulator nicht überladen wird, benötigt man ein bestimmtes Abschaltverfahren.

Eine Zeit t wird unter Berücksichtigung eines vollkommen entleerten Akkumulators zu Beginn des Ladens gestartet. Diese endet unter Berücksichtigung des Ladewirkungsgrades c multipliziert mit dem Quotienten aus der Kapazität Q und dem Ladestrom Ik. Daraus ergibt sich folgende Formel:

t = c * Q / Ik
Konstantstrom1.jpg


Für Nickel-Cadmium-Akkumulatoren wurde der Ladewirkungsgrad c = 1,4 gewählt. Da bei zu hohen Ladeströmen die Gefahr besteht das der Akkumulator durch Wärme beschädigt oder zerstört wird, hat man den Ladewirkungsgrad c/10 festgelegt.

Es ist ein altes Ladeverfahren und dadurch nicht mehr zeitgemäß, da Nickel-Cadmium-Akkumulatoren durch den hohen Cadmiumanteil fast komplett vom Markt verschwunden sind. Grund dafür ist die Umsetzung der Richtlinien von gefährlichen Stoffen 2002/95EG (RoHS). Angewendet hauptsächlich bei:

  • Nickel-Cadmium-Akkumulatoren


Ladeverfahren mit Impulsstrom

Impulsstrom.jpg


Hierbei wird der Akkumulator mit einem konstanten Strom geladen, der allerdings nach einer festgelegten Zeit unterbrochen wird. Während der Impulspausen können Messungen über den Ladezustand des Akkumulators gemacht werden. Je nach Ladezustand werden die Impulspausen verlängert, bis dahin, dass nur noch kurze Impuls anliegen, die von langen Pausen unterbrochen werden. Dieses nennt man dann Erhaltungsladung.

Es ist ein gängiges Ladeverfahren. Angewendet hauptsächlich bei:

  • Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren


Ladeverfahren mit Konstantspannung

Konstantspannung1.jpg

Hierbei wird der Akkumulator über eine Zeit t mit einer konstanten Spannung geladen. Im Laufe der Zeit t verringert sich der Strom, da die Spannungsdifferenz zwischen Ladegerät und Akkumulator kleiner wird. Durch Verunreinigungen zwischen Anode und Kathode des Akkumulators oder auch Selbstentladung genannt, wird die Spannungsdifferenz nie 0V erreichen können.

Es ist ein gängiges Ladeverfahren. Angewendet hauptsächlich bei:

  • Lithium-Ionen-Akkumulatoren
  • Blei-Akkumulatoren
  • Blei-Vlies-Akkumulatoren
  • Blei-Gel-Akkumulatoren


Ladeverfahren über IU

Konstantspannung2.jpg

Hierbei werden zwei Ladeverfahren miteinander kombiniert. Zuerst wird der Akkumulator mit einem durch das Ladegerät begrenzten konstanten Strom geladen. Nach erreichen der gewählten Ladeschlussspannung wird auf eine Ladung mit konstanter Spannung umgeschaltet. Dieser Wert wird bei 70-80% der Nennkapazität des Akkumulators erreicht. Der Ladestrom verringert sich nach und nach. Bei erreichen eines Minimum-Ladestroms wird der Ladevorgang beendet.

Es ist ein gängiges Ladeverfahren. Angewendet hauptsächlich bei:

  • Lithium-Ionen-Akkumulatoren
  • Lithium-Polymer-Akkumulatoren
  • Blei-Akkumulatoren
  • Blei-Vlies-Akkumulatoren
  • Blei-Gel-Akkumulatoren


Ladeverfahren über IUoU

Erhaltungsladung.jpg


Hierbei wird der Akkumulator genau wie bei dem Ladeverfahren über IU geladen, allerdings wird kurz vor Beendigung des Ladevorgangs auf Erhaltungsladung umgeschaltet. Kurze Impulse durch lange Pausen unterbrochen wirken der Selbstentladung entgegen.

Es ist ein gängiges Ladeverfahren. Angewendet hauptsächlich bei:

  • Blei-Akkumulatoren
  • Blei-Vlies-Akkumulatoren
  • Blei-Gel-Akkumulatoren


Minus-Delta U Abschaltung

Hierbei wird während des gesamten Ladens der Spannungsverlauf am Akkumulator überwacht. Im Laufe der Aufladung sinkt der Widerstand des Akkumulators, dadurch steigt die Spannung, die über den Akkumulator abfällt. Nachdem der Akkumulator keine Ladung mehr aufnehmen kann, erwärmt er sich. Durch die Erwärmung sinkt der Widerstand des Akkumulators weiter, wobei dann auch die Ladespannung sinkt.

Die Abschaltung kann nach folgenden Bedingungen erfolgen:

  • Ladespannung sinkt auf 10-20mV ab
  • Ladespannung erreicht Maximum (Peak Voltage Detection)
  • Wendepunkt des zweiten Spannungsverlaufs erreicht
  • Die Temperatur am Akkumulator hat 60°C überschritten


Temperaturüberwachung

Moderne Ladegeräte überwachen beim Laden von Akkumulatoren permanent deren Temperatur. Diese sollte 60°C nicht überschreiten, da sonst irreparable Schäden am Akkumulator auftreten können. Beim Erreichen der Temperatur schaltet das Ladegerät den Ladevorgang aus Sicherheitsgründen ab.


Ladeschlussspannung

Die Ladeschlussspannung ist eine wichtige Berechnungsgrundlage für die Ladeabschaltung. Sie schützt Akkumulatoren vor Überladungen und erhöht dadurch die Lebensdauer. Folgende Ladeschlussspannungen sind festgelegt:


Ladeschlussspannung

Akkumulator
Spannung V/Zelle
NiCd
1,45
NiMH
1,45
Lithium-Eisenphosphat
3,6
Lithium-Ionen
4,1
Lithium-Polymer
4,2


Memory Effekt

Der Memory Effekt kommt hauptsächlich bei Nickel-Cadmium-Akkumulatoren und im geringen Maß auch bei Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren vor. Dieser Effekt tritt auf, wenn ein nicht vollständig entleerter oder nur teilgeladener Akkumulator wieder aufgeladen wird. Der Akkumulator merkt sich den teilgeladenen Zustand und stellt nach den Folgeentladungen nicht mehr seine volle Nennkapazität zu Verfügung. Wird dieser nun belastet, bricht die Nennspannung zusammen.

Physikalisch gesehen ist eine Kristallbildung an der aus Cadmium oder Metallhydrid bestehenden Kathode des Akkumulators schuld. Diese vermindert den Stromfluss und verringert dadurch die Kapazität.

Durch mehrfaches Tiefentladen kann ein solcher Akkumulator wieder reversibel gemacht werden. In modernen Ladegeräten ist dafür die sogenannte Refresh-Funktion auszuwählen.


Eigenschaften von Ladegeräte

Um einen Akkumulator den Bestimmungen nach richtig zu Laden, sollte das Ladegerät einige wichtige Eigenschaften besitzen:

Ladegerät mit Mikrocontrollerüberwachte Ladesteuerung

  • Dadurch ist eine zeitgesteuerte automatische Abschaltung sichergestellt.


Ladegerät mit Minus-Delta U Abschaltung

  • Man kann erkennen, dass der Akkumulator voll geladen ist. Der Ladevorgang wird beendet, bevor der Akkumulator geschädigt wird.


Ladegerät mit Einzelschachtüberwachung

  • Jeder Schacht sollte völlig einzeln Überwachen und Laden können. Dadurch wird sichergestellt, dass der einzelne Akkumulator nicht überladen und ein anderer vollständig geladen wird.


Ladegerät mit Temperaturüberwachung

  • Um Schädigungen durch eine zu hohe Temperatur am Akkumulator während des Ladens auszuschließen, sollte das Ladegerät beim Überschreiten von 60°C automatisch abschalten.


Ladegerät mit automatischer Umschaltung auf Impuls-Erhaltungsladung

  • Die Selbstentladung wird neutralisiert, da der Akkumulator ständig vollgeladen wird.


Ladegerät mit Refresh-Funktion

  • Durch Tiefentladungen können Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren wieder ihre Nennkapazität erreichen.


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