Ernst Schmid Elektronik München:
    Tips und Tricks für längere und verbesserte  Akkuleistung

Copyright der folgenden Inhalte by Ernst Schmid Elektronik München, Rev. 2.12.98


 
Betrachtungen aus der Praxis
für Nickel-Cadmium (NiCd), Nickel-Metall-Hydrid (NiMH) und Lithium-Ionen (Li-Ion) Technik-Akkus

Die im Verlauf des Textes angesprochenen Punkte sind:
 

  1. Akku-Deutsch: die "Geheimsprache" der Akku-Branche
  2. Auswahl der Akkugröße
  3. Laden
  4. Entladen
  5. Lagern
  6. Messen
  7. Reparieren

Allgemeine Behandlung:
 

  1. Wählen Sie ausreichende Akku-Kapazität für Ihre Anwendung. Ausreichend bedeutet, daß Sie die erforderliche Leistung nicht nur beim zusammenkommen günstiger Umstände zur Verfügung haben. Rechnen Sie nie mit 100% Kapazität, denn die haben Sie nur bei brandneuen Akkus nur kurz zur Verfügung, und auch dann nur, wenn die Zellen frisch geladen sind. Denken Sie stets daran: mit jedem Tag wird Ihr Akku älter und verliert an Leistung. Sicher ist der tägliche Schwund am Anfang seines aktiven "Lebens" sehr gering. Im Verlauf des ersten Jahres bzw. der ersten 100 Zyklen kann mit annähernd konstanter Leistung gerechnet werden.
  2. Vermeiden Sie: starke Erwärmung während des Betriebs, beim Laden und bei der Entladung.

 
Akku-Deutsch: was heißt eigentlich?

D er wichtigste Kennwert bei Akkus ist die Kapazität, das ist das Fassungsvermögen für elektrische Energie.
Beim Laden des Akkus wird der Ladestrom (salopp gesagt) in einer chemischen Ladungsverschiebung gespeichet, das chemische Gebilde des Akkus erhält eine Schieflage, eine Spannung. Die kann entladen werden, wobei sich die chemischen Spannungen ausgleichen.
Es wird aus dieser stark vereinfachten Vorstellung klar, daß mehr Fassungsvermögen heißen muß, daß mehr Materie beteiligt ist. Und weiter, je schwerer die beteiligten Elemente sind: Blei oder Nickel, desto schwerer wird das Kapazitäts-Gewichtsverhältnis (Ah/kg).
Das leichteste Extrem sind heute die Lithium-Akkus. Lithium ist sehr leicht, deshalb auch die daraus gebauten Akkus.
Eine weitere Kenngröße ist das Kapazitäts-Volumen-Verhältnis Ah/l (Amperestunden pro Liter). Ein Bleiakku braucht ein massives Gehäuse, damit im Störfall nicht das Gerät durch die Schwefelsäure beschädigt wird. Das heißt, je sicherer die Zellen aufgebaut werden, desto voluminöser werden sie. Und das Gewicht nimmt auch zu, klar.

Oft wird in den technischen Dokumenten der Akkus der Ladestrom oder der Entlade-Laststrom nicht mehr in absoluten Werten, sondern in C angegeben. Dabei bedeutet C die Nominal-Kapazität des Akkus, wie er auf der Zellenverpackung aufgedruckt ist.

Ein Beispiel: Wenn der Begleittext lautet: "14 Stunden laden mit 0,1C" dann bedeutet das für einen Akku mit nominal 2 Ah einen Ladestrom von 0,2A, für eine Zelle mit 7 Ah einen Ladestrom von 0,7A.
Wird der maximale Entladestrom mit 20C beschrieben, dann bedeutet das bei einem 2Ah-Akku einen Entladestrom von 40A, bei einem 7Ah-Akku einen Entladestrom von 140 Ampere.


Laden:

Wichtige Vorbemerkungen für alle Akku-Technologien:

 

Das "ideale" Laden von NiCd und NiMH-Akkus:

Der ideale Verlauf des Ladestroms wäre: Am Ladestart für einige Minuten mit größerem Strom die Zellen "aufzublasen", damit eventuell durch Tiefentladung umgepolte Zellen oder Zellen die durch längere Lagerung ihre Formierung verloren haben wieder reaktiviert werden.
Dann mit "mittlerem" Ladestrom (1/10 bis 1/5 des der Kapazität entsprechenden Ladestromes auf 80% der Kapazität Laden. Dann den Rest mit I14, dem 14-stündigen Ladestrom ergänzen.

Der Grund für dieses umständlich scheinende Verfahren liegt darin: Erst muß die Zelle in ihrer Formierung stabilisiert werden, mit hohem Strom. Dann den größten Teil der Energie einladen, aber nicht bis zum Überlaufen, sondern die letzten 20% der "rechnerischen" Kapazität langsam einladen, damit im Falle der Überladung die Zelle nicht überhitzt wird und der Innendruck nicht übermäßig wird. Bei geringem Ladestrom kann die chemische Rekombination zuverlässig erfolgen, die elektrolytische Aufspaltung wird im Kreisprozeß wieder rekombiniert.

FAZIT: Langsam Laden ist die schonendste Methode, kann jedoch tiefentladene Akkus nicht mehr regenerieren. Sehr schnelles Laden ist praktisch, weil die Geräte wieder sofort einsetzbar sind, verkürzen aber potentiell das Akkuleben. Es muß also jeder Anwender entscheiden, welche Eigenschaften des Akku-Ladegeräte-Systemes ihm wichtig sind, und welche Risiken er damit einzugehen bereit ist.
 

Das Laden von Blei-Akkus, dazu zählen auch die Dryfit-Typen, sowie Akkus mit der Bezeichnung Lead-Acid Hier ist das die Ladung bestimmende Kriterium die maximale Ladespannung. Wird sie zu hoch angesetzt, kommt die Zelle in die Gasung und das Elektrolyt-Wasser wird unwiederbringlich durch ein Überdruckventil abgeblasen. Der Elektrolyt wird dadurch höher konzentriert und die Zellenleistung läßt nach. Nebenkriterium für das Laden ist der Anfangs-Ladestrom, er sollte moderat bei 1/8 bis 1/4 der Zellenkapazität gehalten werden.
 

Das Laden von Li-Ionen-Akkus ist eine Spezialanwendung moderner Elektronik. Durch den höheren Preis der Technik der Zelle ist ein "intelligenteres" Ladeverfahren zu empfehlen. Hier werden neben der Spannung der Zelle der ladestrom und die Temperatur, bei der das Laden erfolgt berücksichtigt. Die Lade-Schlußspannung ist stark von der Temperatur abhängig, und, würde man konservativ bei einer zu geringen Spannung das Laden beenden, hätte man einen Verlust der nutzbaren Kapazität.


Entladen:

Die Probleme liegen in den Extremen (wie oft in der Welt). Die Begriffe "zu groß oder sehr klein" sind relativ zu den Akku-Kapazitäten zu sehen. Der Normalbereich erstreckt sich von 0,1 bis 10 x dem Ladestrom für 14-stündige Ladung. Zu große Entladeströme beanspruchen die Zelle thermisch stark und ungleichmäßig, zu kleine Entladeströme geraten in den Bereich der Selbstentladung und sind nicht mehr linear mit der Kapazität berechenbar.

FAZIT: Entladen mit hohem Strom (relativ zur Akku-Kapazität) ist in jedem Fall lebensdauerverkürzend. Wenn dann noch, wie z.B. bei einer Lampe, die Grenze zur Tiefentladung unbemerkt überschritten wird, dann hat der Akku wirklich wenig Chancen, alt zu werden. In diesem Fall der Entladung mit einer Lampe ist ein Tiefentlade-Schutz wie APT dringend zu empfehlen.


Lagern:

Wie der Wein, kühl und trocken, unter 20 Grad. Damit hält die Ladung am längsten, aber auch nicht ewig.
Ein aktives Lager-Verfahren läßt einen kleinen Strom, der die Selbstentladung kompensiert, durch den Akku fließen. Die Akkus sind dadurch sofort einsatzbereit.
LEG - Geräte sind genau für diese Aufgabe entwickelt worden.
 


Messen:

Obwohl die Theorie ganz einfach scheint, ist das Messen eines Akkus eine Sache von mehreren Meßgeräten und viel Zeit.
Beginnen sollte man mit dem kontrollierten Aufladen unter der Kontrolle eines schreibenden Meßgerätes oder eines computergestützen Meßgerätes. Hier zeigt sich schon beim Aufladen im Kurvenverlauf, (Vorausgesetzt, der Akku wird typgemäß behandelt!) ob Schwächen oder Gebrechen vorliegen.

Für die vergleichenden Messungen ist das AKMG entwickelt worden. Es zeigt die Kapzität in Milliampere-Stunden an. AKMG ist eine Geräte-Familie, die nach Bedarf ausgestaltet ist.
Wen die Betriebsdauer des Akkus mehr interessiert, der erhält vom BPM diese Auskunft.

In einer späteren Ausgabe dieser WEB-SITE werden Sie hier typische Lade- und Entlade-Kurven sehen können.
Leider noch Baustelle.


Reparieren:
Versuchen Sie nicht, aus einem alten Akku mit mehreren Zellen durch das Ersetzen einzelner Zellen diesen zu reparieren. Sie werden langfristig keine Freude mit dem entstandenen Gebilde haben. Zu unterschiedlich sind die Selbstentladungsraten von alten Zellen verglichen mit neuen.
Weiter werden Sie erleben, daß beim Entladen die neuen Zellen mit ihrer Kraft den alten schwer zusetzen und sie am Entladeende sogar umpolen. Das verkraften die aber gar nicht gut, und die Folge ist, daß nach und nach Sie alle Zellen ersetzen werden müssen.
Hätten Sie das gleich gemacht, wären Sie mit einem Bruchteil der Arbeitszeit zu einem wirklich neuwertigen Akku gekommen. So haben Sie wieder ein Gebilde aus, zwar neueren, aber doch nicht gleichalten Zellen.

Wenn Sie aus mehreren alten Paketen ein "Gutes" machen wollen, dann entladen Sie die Zellen bevor Sie die Pakete schlachten. Die toten Zellen können Ihnen nicht gefährlich werden, aber die paar Zellen, die noch Saft liefern können, tun das ungehemmt. Und es wäre nicht das erste Mal, daß einer mit seinem geschmolzenen Fingerring oder Kettchen und ordentlichen Verbrennungen daherkommt.
Also: erst entladen, dann Zerlegen

Die Verbindungen der Zellen werden beim industriellen Konvektionieren mit einer Punkt-Schweißmaschine und Nickel-Plättchen hergestellt.
Der Amateur muß die Anschlüsse meistens löten.
Beachten Sie dabei, daß Sie die kleinen Öffnungen des Überdruckventiles nicht zulöten. dann hätten sie nämlich eine kleine Granate im Haus.
Löten Sie mit einem starken Lötkolben und so kurz wie möglich. Es soll nicht die ganze Zelle heißgemacht werden, das schädigt sie.
 


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