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In immer mehr Geräten
werden heute zur Stromversorgung "Akkus" eingesetzt.
Die Lebensdauer und die
Leistungsfähigkeit dieser Akkus sind jedoch weitgehend davon abhängig,
wie sie behandelt werden. Bei den
heutigen Geräten ist der Akku der grösste Kostenfaktor. Gespart wird
leider allzu oft bei den Ladegeräten. Hier setzen die meisten Anbieter
auf Kompromisse.
Nachstehend versuchen wir, die Begriffe
rund um die Akkus verständlich zu erläutern und Tips für den
optimalen Einsatz zu geben.
Akku-Typen
Nickel-Cadmium
Die erste Generation Akkus. Ni-Cd Akkus sind billig in der Herstellung
aber durch das Cadmium bei unsachgemässer Entsorgung äusserst giftig.
Nickel-Cadmium Akkus werden in vielen
Geräten der Unterhaltungselektronik eingesetzt, ihr grösster Nachteil
ist der Memory-Effekt. Auch bei sehr niedrigen Temparaturen können
Ni-Cd noch eingesetzt werden.
Nickel-Cadmium Akkus müssen mit
konstantem Strom geladen werden.
Schaltungstipp: Einfache, aber bewährte Ladeschaltung für unterwegs
Nickel-Metallhydrid
Ni-MH Akkus haben in heute die Ni-Cd Akkus in vielen Bereichen
abgelöst.
Nur bei extremen Hochstromanwendungen
(z.B. Modellbau) werden noch Ni-Cd Akkus eingesetzt. Der Memory-Effekt
tritt bei Ni-MH Akkus der neusten Generation nicht auf.
Diese Akkus sind ökologisch
ausserordentlich sinnvoll, da sie die Umwelt nicht belasten. Sie
entsprechen weder einer Giftklasse, noch gelten sie als Sondermüll.
Werden Ni-Cd-Akkus durch Ni-MH Zellen
ausgetauscht, so muss wegen der grösseren Kapazität auch das
Ladegerät ausgetauscht oder angepasst werden. Nickel-Metallhydrid
Akkus müssen mit konstantem Strom geladen werden und sind bei richtiger.
Handhabung auslaufsicher. Im Vergleich zu Ni-Cd Akkus mit gleichen
mechanischen
Abmessungen enthalten Ni-MH Akkus heute bis zu 80% mehr Kapazität.
Zudem sind sie leichter als vergleichbare Ni-Cd Zellen.
Nachteilig ist, dass Ni-MH Akkus nicht bei sehr niedrigen Temparaturen
eingesetzt werden können.
Schaltungstipp: Einfache, aber bewährte
Ladeschaltung für unterwegs
Moderne Ladegeräte im Profifunk (z.B. für Motorola GP320/340/360 und
380) erkennen durch einen Chip, eingebaut im Akku, den Akkutyp und den
benötigten Ladestrom. Als Nebeneffekt ergibt sich, fast wie bei den
Tintenpatronen, eine erhöhte Schwierigkeit für Drittanbieter, eigene
und sogenannte kompatible Akkus anzubieten.
Lithium-Ionen
Lithium-Ionen Akkus sind Akkus der 3. Generation.
Wegen der hohen Energiedichte sind diese Akkus besonders für Geräte
mit langen Betriebs- und Standbyzeiten geeignet. Wegen der
"krummen" Spannung von 3,6V
pro Zelle können Lithium-Ionen Akkus nicht direkt Trockenbatterien oder
andere Akkutypen ersetzen.
Diese Akkus enthalten eine spezielle Ladeelektronik innerhalb des Akkus.
Das Ladeverfahren ist technisch recht komplex und aufwendig. Die
Ladezeit ist jedoch länger als bei schnellladefähigen NC und NiMH
Zellen.
Vorsichtsmassnahmen bei Lithium-Ionen
Akkus:
Wegen Ihrer hohen Energiedichte ist
generell Vorsicht geboten. Kurzschlusse sind unbedingt zu vermeiden und
können unkontrollierte chemische Reaktionen und oder Brände auslösen.
Der Kontakt mit Flüssigkeiten, insbesondere das Eintauchen in Wasser
ist ebenfalls zu vermeiden.
Sehr tiefe und hohe Temparaturen wirken
sich bei Lithium-Ionen Akkus schädlich auf die Lebensdauer aus.
Moderne Ladegeräte im Profifunk (z.B.
für Motorola GP320/340/360 und 380) erkennen durch einen Chip,
eingebaut im Akku, den Akkutyp und den benötigten Ladestrom. Als
Nebeneffekt ergibt sich, fast wie bei den Tintenpatronen, eine erhöhte
Schwierigkeit für Drittanbieter, eigene und sogenannte kompatible Akkus
anzubieten.
Lithium-Polymer
Lithium-Polymer Akkus sind Akkus der neusten Generation und werden seit
Sommer 99 angeboten. Wegen der sehr
hohen Energiedichte sind diese Akkus besonders für Geräte mit langen.
Betriebs- und Standbyzeiten geeignet. Wegen der "krummen"
Spannung von 3,6V pro Zelle können Lithium-Polymer Akkus nicht direkt
Trockenbatterien oder andere Akkutypen ersetzen.
Diese Akkus sind in der Herstellung
einfacher als Lithium-Ionen Akkus sowie mittelfristig preisgünstiger
herzustellen. Solche Akkus lassen sich auch sehr flach herstellen.
Das Ladeverfahren ist technisch recht
komplex und aufwendig.
Die Lithium-Polymer Technologie ist noch
nicht 100 % ausgereift und nicht fertig ausgereizt. Längere
Erfahrungswerte mit diesen Akkus sind noch nicht erhältlich.
Blei(Gel)
Die Bleiakkus sind am längsten auf dem Markt. Diese Technologie
wird auch heute noch
in verschiedenen Geräten vorwiegend stationär eingesetzt.
Richtiges Laden von Blei(Gel)Akkus
Schaltungstipp: Automatische Ladeschaltung für 12V Bleiakkus
Beschreibung zu Ladeschaltung. Die
moderne Ausführung (Blei-Gel) unterscheidet sich zum normalen Bleiakku
durch den eingedickten Elektrolyten (Gel)
Blei(Gel) Akkus können lageunabhängig betrieben werden. Bleiakkus
müssen wegen Auslaufgefahr der Schwefelsäure immer in normaler Lage
betrieben werden.
Die Ladetechnologie (Konstantspannung)
erlaubt einfache und kostengünstige Ladegeräte.Attraktive Lebensdauer
und günstiger Preis sind die Pluspunkte dieser Technologie. Die
empfohlene Ladespannung bei Bereitschaftsbetrieb bei einem 12V Akku
beträgt bei 20° 13,8V. Bei dieser (geregelten) Spannung kann der Akku
ohne zeitliche Begrenzung an der Ladespannung verbleiben. Diese
Ladespannung verhindert ein Gasen und eine Ueberladung ist nicht
möglich.
Eine "Schnelladung" ist bei 14,4 Volt bei einem 12V Akku
möglich.
Hier muss jedoch zwingend eine zeitliche Begrenzung, abhängig vom
Ladestrom und von der Akkukapazität erfolgen.Werden diese Parameter
nicht beachten, so beginnt der Akku zu "gasen" und wird im
Extremfall über die Sicherheitsventile
Schwefelsäuregas resp. Wasserstoff abgeben.
Informationen zu Schaltungen / Konzepte
für Ladegeräte
Intelligente Ladeschaltungen können z.B. mit folgenden IC's realisiert
werden:
Weitere Infos dazu in den
Hersteller-Applikation Notes
Texas-Instruments:
BQ2000xx Universallader NiCd/NiMH /Lion mit Peak-Spannungsüberwachung
und sleep-Mode
BQ2002xx Schnelllader für NiCd / NiMH -dV/dt Ueberwachung und
Ladeerhaltung
BQ2004xx Schnelllader für NiCd / NiMH mit PMW Controller und
automatischer Vorentladung
BQ2057 Lion-Ladeschaltung mit Ladezustandsanzeige für 1 - 2 Zellen
Maxim: www.maxim-ic.com
MAX712 Schnelllader für NiCd / NiMH für 1 -16 Zellen, -dV / dt und
Timermodus
MAX713 Schnelllader für NiCd / NiMH für 1 -16 Zellen, -dV / dt und
Timermodus
Diverse:
U2400B Ladekontroller mit Entladung und Zeitsteuerung /
Temparaturüberwachung
ICS1700 Reflexlader
Schaltungstip: Einfache, aber bewährte Ladeschaltung mit
Spannungswandler für unterwegs. Weitere
Schaltungen finden Sie unter dem Kapitel Elektronik bei www.funkcom.ch
Modifikationen kommerzieller Ladegeräte
SE140/SE160 für Notstrom-Betrieb.Technische
Daten/Datenblätter für alle, die mehr wissen möchten gibt es als
download z .B. bei www.contrel.com
Recycling
Bitte geben Sie allfällige defekte Akkus an einer beliebigen
Verkaufsstelle zurück. Die Entsorgungsgebühren wurden bereits beim
Verkauf entrichtet (vorgezogene Entsorgungsgebühr). Keinesfalls
dürfen nicht mehr gebrauchte Akkus mit dem Hausmüll/Kehricht entsorgt
werden.
Akkulexikon:
Kapazität
Die einem Akku "entnehmbare" Energiemenge bezeichnet
man als Kapazität. Kapazität wird gemessen in Ah (Amperestunden) oder
mAh. 1 Ah = 1000 mAh.
Ein Akku mit 1000 mAh kann z.B. 1000mA eine Stunde lang abgeben oder
100mA während 10h.
Die Nennkapazität (C) bezieht sich in
der Regel auf eine Entladung mit 1/10C,d.h. ein Zehntel der
Nennkapazität. Wird mehr Strom als dieser Normwert bezogen, so sinkt
die nutzbare Nennkapazität. Bei Entladungen von weniger als 1/10C
steigt die Nennkapazität. Die
Nennkapazität wird erreicht, wenn die Zellen bei einer Temperatur von
20 Grad mit einem konstanten Strom entladen werden. Abweichende
Temperaturen von diesem Sollwert verringern die entnehmbare Leistung
teilweise massiv. Bei Temperaturen um den Gefrierpunkt weisen Akkus nur
noch ca. 50 - 70 % der Nennkapazität auf.
Neue Akkus erreichen Ihre Nennkapazität
erst nach 3 - 7 vollständigen Lade/Entladezyklen.Die nutzbare
Kapazität richtet sich ebenfalls stark nach den Betriebstemparaturen
und Umgebungsbedingungen sowie dem Alter der Akkuzellen.
Selbstentladung
Ein nicht genutzter Akku verliert pro Monat durch Selbstentladung
einen Teil seiner Ladung. Je nach Akkutyp ist die Selbstentladung gering
bis sehr gross.
Im Stand-by-Betrieb kann dies durch ein Ladegerät mit Erhaltungsladung
verhindert werden. Geladene Akkus am Besten im Kühlschrank
aufbewahren.Nickel-Cadmium Nickel-Metallhydrid Lithium-Ionen
Lithium-Polymer Bleiakkus Selbstentladung pro Monat (20 Grad) 15 - 30%
60% 30% 30% 5% dito bei 5 Grad 5% 30% 1-2 % 1-2% 3%
Bei Bleiakkus wird die Selbstentladung oft aus Marketingründen mit 0.15
% /Tag angegeben. Dies sieht natürlich optisch wesentlich besser aus
als 4,5 % / Monat...
Akku-Lebensdauer
Bei idealer Behandlung kann ein Akku die angegebenen Werte
gemäss Tabelle erreichen. Bei nicht idealen Betriebsbedingungen (z.B.
häufige Tiefentladungen oder Dauerladungen) sowie Ladung bei
Temperaturen über 30 Grad kann die Lebensdauer massiv verkürzt werden.
Die Lebensdauer gilt erreicht, wenn nur noch
ca. 80 % der Nennkapazität erreicht werden. Akkus
arbeiten intern mit chemischen Prozessen, deshalb sollte neue,
ungebrauchte Akkus kühl und trocken gelagert werden.
Bei Lithium-Akkus ist die Lebensdauer durch die technische
Zusammensetzung limitiert.Nickel-Cadmium Nickel-Metallhydrid
Lithium-Ionen Lithium-Polymer Bleiakkus
normale Lebensdauer 24-48 Monate ca. 24-36 Monate max. 30 Monate max. 24
Monate ca. 60 Monate, bei Bereitschafts-Parallelbetrieb (13,8V) bis 4
Jahre
Anzahl Ladezyklen 1000 - 1500 1000 300 - 500 300 - 500 1000 - 2000
Memory-Effekt
Werden Akkus immer wieder nur teilentladen, verliert auf Dauer derjenige
Teil des Elektrolyts, der nie zum Entladen aktiviert wurde, sein
Reaktionsfähigkeit. Man spricht dabei vom sogenannten "Memory-Effekt"
und gibt dabei anschaulich wieder, dass sich der Akku seiner
"Nichtauslastung" erinnert. Dieser
Effekt kann jedoch meist durch 3 - 7 maliges Laden und komplettes
Entladen zum grössten Teil wieder rückgängig gemacht werden. Der
Memory-Effekt tritt praktisch nur bei Ni-Cd Akkus auf.
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad definiert das Verhältnis zwischen Lademenge und
Entlademenge. Bei 100 % Wirkungsgrad
würde die gesamte geladene Energie zur Verfügung stehen. Die
Energiedichte definiert, wieviel Energie auf welchem Raum gespeichert
werden kann. Sie bestimmt im Wesentlichen auch die mechanische Grösse
des Akkus. Je höher die
Energiedichte, desto mehr Kapazität lässt sich auf gleichem Raum
verwirklichen .Nickel-Cadmium Nickel-Metallhydrid Lithium-Ionen
Lithium-Polymer Bleiakkus
Wirkungsgrad 70 % 70 % 80 % 80 % 60-70%
Energiedichte 1 2-3 3-3,7 5 0,7
Lade-Entladeparameter
Diese Parameter definieren, für welchen Zweck die jeweiligen Akkutypen
speziell geeignet sind. Es wird ein entsprechendes, geregeltes
Ladegerät vorausgesetzt (kein Billig-Lader).Nickel-Cadmium und
Nickel-Metallhydrid müssen mit Konstantstrom geladen werden. Lithium-Ionen
und Lithium-Polymerakkus besitzen eine integrierte Elektronik und werden
mit Konstantstrom / Konstantspannung geladen.
Bleiakkus werden mit Konstantspannung
geladen, der Ladestrom wird durch den Akku geregelt.
Nickel-Cadmium Nickel-Metallhydrid Lithium-Ionen Lithium-Polymer
Bleiakkus
Normalladung 14h +++ ++ + + +++
Schnelladung 3-5h +++ +++ +++ +++ +++
Schnelladung 0,5-1h +++ (Sinterzellen) +++ +++ ++ ++
Dauerladung unbegrenzt (1/100C) + ++ +++ interne Schutzelektronik +++
interne Schutzelektronik +++mit Konstantspannung
Memory-Effekt gross nicht vorhanden nicht vorhanden nicht vorhanden
nicht vorhanden
Spannung pro Zelle 1,22V 1,22 V 3,6 V 3,6 V 2 V
Umweltbelastung hoch giftig(Cadmium) ungiftig ungiftig(reagiert mit
Wasser) ungiftig (reagiert mit Wasser) relativ giftig(Blei)
Entladung mit kleinem Strom (C/10) ++/+++ ++ ++/+++ ++/+++ ++/+++
Entladung mit hohem Strom bis 10C max. 3C 2-3C 3C bis 30C
Verwendung in Temparaturbereich -35 bis +50 Grad C -10 bis +40 Grad C -5
bis +40 Grad C -5 bis +50 Grad C -20 bis +50 Grad C
Tiefentladung vermeiden vermeiden Schutz durch interne Elektronik Schutz
durch interne Elektronik unbedingt vermeiden
Betrieb lageabhängig Nein Nein Nein Nein Kopfüber vermeiden
+ möglich, nicht unbedingt empfohlen
++ gut geeignet
+++ optimal (empfohlen)
Entladung mit hohem Strom (Beispiel: +3C)
bedeutet, dass eine Entladung bei einer Akkukapazität von 1Ah mit max.
3 facher Stromdichte (also 3 x 1A(h)) empfohlen ist.
Tiefentladung
Wird ein Akku nach Auftreten des Batteriealarms weiterbetrieben, so
kommt es zu einer sogenannten Tiefentladung. Diese wirkt sich stark
lebensverkürzend aus und sollte unbedingt vermieden werden.
Normalladung von Nickel-Cadmium / Metallhydrid Akkus. Nicht
gesinterte Akkus dürfen nur normal (14-16h) geladen werden. Für die
Konsumenten ist die lange Ladezeit von 14h oft nicht praktikabel.
Schaltungstip: Einfache, aber bewährte Ladeschaltung mit
Spannungswandler für unterwegs
Schnelladung von Nickel-Cadmium /
Metallhydrid Akkus. Durch
Verzehnfachung des Ladestromes kann die Ladezeit auf ca. 1,4 - 1,6h
herabgesetzt werden. Die Schnelladung bedingt jedoch, um Schäden am
Akku zu vermeiden, eine Betriebstemparatur zwischen 10 und 35 Grad. Ideale,
intelligente Schnelladegeräte überwachen daher dauernd die
Zellentemparatur sowie die Zellenspannung und unterbrechen die Ladung
bei Abweichung sofort. Ist der Akku
zu 100 % geladen, so wird ein weiter zugeführter Ladestrom nur noch im
Wärme umgesetzt. Diese wiederum verkürzt die Lebensdauer. Ideal
ist, die Akkus vor einer Schnelladung zu entladen oder nur entladenen
Akkus schnell zu laden.
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