Einfache Ladeschaltung mit Konstantstromquelle

1. Allgemeine Eigenschaften der NiCd-Akkus.
2. Aufbau und Funktionsweise einer NiCd-Zelle.
3. Welches Elektrolyt verwendet man fuer NiCd-Zellen.
4. Warum sind neue NiCd-Akkus immer leer ?
5. Wichtige Groessen und spezielle Eingenschaften von NiCd- Akkus?

5.1. Wann und und wieso bilden sich im Akku Gase ?
5.2. Was bedeutet Lade -und Entladeschlusspannung ?
5.3. Wie hoch ist die Leerlauf- und Klemmspannung einer NiCd-Zelle?
5.4. Was bedeutet Selbstentladung und wovon haengt sie ab ?
5.5. Welche Rolle spielt die Temperatur beim Akku ?
5.6. Was hat es mit dem Memory-Effekt bei NiCd-Akkus aufsich ?
5.7. Wovon ist die Kapazitaet anhaengig ?

6.0. Durch welche Massnahmen kann man die Eigenschaften vom NiCd verbessern ?
7.0. Welche Aufgabe hat der Separator in einem NC-Akku ?
8.0. Einige technische Daten.
9.0. Welche Ladeverfahren gibt es ?

A Anhang NIMH Akkus

1. Allgemeine Eigenschaften der NiCd-Akkus

Wohl einer der Hauptvorteile von NiCd- Systemen sind vorallem lange
Lagerfaehigkeit im entladenen Zustand, sowie die Tiefentladefaehigkeit.
Man muss dies aber einschraenken, denn schaltet man mehrere NiCd-Zellen
hintereinander, dann besteht die Gefahr, dass sich nach einer Tiefentladung
eine einzelne Zelle umpolt, dazu spaeter mehr.
Natuerlich ist auch die groessere mechanische Stabilitaet und das gute
Verhaeltnis von Masse (Gewicht) zu Kapazitaet zu erwaehnen.

Nickel und Cadmium
Cadmium besitzt das Formelzeichen Cd und geheort wie Blei zu den Schwermetallen,
Daher sind alle Cd-Verbindungen sehr giftig.
Nickel besitzt das Formelzeichen Ni und gehoert ebenfalls zu den
Schwermetallen.

Praktisch verwendbare NiCd-Systeme gibt es erst seit der Jahrhundertwende.
Nachdem sich Thomas A. Edison in seinen Forschungen auf Nickel / Eisen- Systeme
konzentrierte, schuf Waldemar Jungner 1899 den ersten spaeter in Serie
gefertigten NiCd-Akku. Gasdichte NiCd- Zellen konnten erst nach 1933
hergestellt werden, nachdem A.Sassler mit seinen Forschungen die Grundlage
dafuer gelegt hat. Seinerzeit war auch schon das Prinzip der Sinterelektroden
bekannt. Der naechste Technologiesprung Mitte der 80’iger Jahre brachte dann
die Metallschaumelektrode und einige weitere Verbesserungen. Damit war es
gelungen, in den Abmessungen einer Mignonzelle eine Kapazitaet von ueber
1 Ah unterzubringen.

2. Aufbau und Funktionsweise einer NiCd-Zelle.

In einer NiCd-Zelle besteht die positive Elektrode aus Nickelhydroxid (NiO2H),
in der Regel mit einem Graphitzusatz um die Leitfaehigkeit zu verbessern. Bei
gasdichten NC-Zellen ist es heute allgemein ueblich, einen Anteil sogenannter
antipolarer Masse als Umpolschutz, meist Cadmiumhydroxid ( Cd (OH)2) hinzu-
zufuegen. Die positive Nickel-Elektrode laesst sich naemlich viel schlechter
Laden als die negative Cadmium-Elektrode. Der Zusatz von Cadmiumhydroxid bildet
eine Ladereserve, welcher die Wasserzersetzung und somit die Bindung von
Wasserstoffgas verhindert. Die Chemische Umwandlung des Wasserstoffs durch
Oxidation an der positiven Elektrode verlaeuft so langsam, das er fuer
Rekombinationszwecke in der Zelle nicht brauchbar ist. Dieser Wasserstoff-
ueberschuss, der zu einem Druckanstieg in der Zelle fuehren wuerde, nimmt die
Ladereserve auf und sorgt gleichzeitig fuer einen gewissen Umpolschutz.
Die negative Elektrode besteht aus pulverisierten Cadmiumverbindungen. Auch
hier befinden sich zur Verbesserung der elektrischen Leitfaehigkeit
eingelagerte Graphitpartikel, auch hier gibt es analog zu positiven Elektrode
eine Entlade – und Ladereserve, welche dadurch realisiert wird, dass mehr
Elektrodenmasse als eigentlich erforderlich verwendet wird. Bei Ueberladung
wird dann der gesamte Ladestrom zur Suerstoffreduktion an der negativen
Elektrode verwendet ohne dass es zu einem unzulaesisgen Druckanstieg kommt.
Trotz all dieser Massnahmen hat natuerlich die Umpolfestigkeit auch ihre
Grenzen.
In Grosserienfertigung werden die Elektrodenmaterialien in die gewuenschte
Form gepresst und dann zur mechanischen Stabilisierung mit einem feinmaschigen
Nickeldraht umgeben. Dieses leitfaehiges Nickelnetz dient auch zur
gleichmaessigen Ladungsverteilung.

3. Welches Elektrolyt verwendet man fuer NiCd-Zellen ?

In NC-Elementen dient Kalilauge (KOH) als Elektrolyt, ueblicherweise mit einer
Dichte von 1,27 kg/l. Sie kann aber auch leicht variieren. Bei hoeheren
Saeurekonzentrationen ist zwar mit hoeherer Kapazitaet zu rechnen, jedoch geht
dies sehr zu Lasten der Lebensdauer einer Zelle. Uebrigens bleibt die
Saeuredichte einer NiCd-Zelle waehrend der Ladung und Entladung ziemlich
konstant, da sich die Reaktionen an der negativen und an der positiven
Elektrode nahezu kompensieren.

4. Warum sind neue NiCd-Akkus immer leer ?

Grundsaetzlich fliesst bei jedem Akku ein Entladestrom, auch wenn dieser nicht
belastet wird. (=Selbstentladung) Akkus mit Sinterelektroden besitzen eine
deutlich hoehere Selbstentladung.
Man muss die erste Ladung (=Formatierungsladung) sehr gewissenhaft durchfuehren,
um eine hoehere Lebensdauer zu erreichen. Der Grund ist, dass bei der ersten
Ladung, sich die elektrisch aktiven Schichten an den Elektroden ausbilden.
Wuerde man den Akku geladen ausliefern, so wuerde bereits vor der Formatierung
eine gewisse Selbstantladung stattfinden. Die volle Kapazitaet erreichen
NC-Akkus erst nach 6 Lade -Entladezyklen.

5. Wichtige Groessen und spezielle Eigenschaften von NC-Akkus

5.1 Wann und wieso bilden sich im Akku Gase ?

Bei Erreichen des Ladeendzustandes werden die waessrigen Anteile des Elektrolyts
zersetzt; es entstehen (an der positiven Platte) Sauerstoff und Wasserstoff
(an der negativen Platte), die normalerweise von der Gegenelektrode absorbiert
werden. Beim Ueberladen bewirkt diese Knallgas-Erzeugung (Gasung) einen Druck-
anstieg in der Zelle, der bis zur Explosion fuehren kann. Daher sind alle
Akkus (auch die dichten Zellen) mit einem Sicherheitsventil versehen, das bei
hohen Innendruck anspricht.

5.2 Was bedeutet Lade-Entladeschlusspannung ?

Die Ladeschlusspannung ist die Klemmspannung bei voll aufgeladenem Akku
mit angeschlossenem Ladegeraet.
Sie betraegt bei NC-Zellen ca. 1.50 V.

Die Entladeschlusspannung ist der Wert der Klemmspannung die der Akku gerade
noch erreichen darf, ehe er tiefententladen wird.
Eine Tiefentladung des Akkus bedeutet immer eine Verkuerzung der Lebensdauer.
Entladeschlusspannung betraegt bei NC-Zellen ca. 0.85 V.
Ein leer werdender Akku muss also rechtzeitig nachgeladen werden. Dabei ist
darauf zu achten, dass die Nennkapazitaet niemals zu 100% entnommen wird, da hier
Schaeden auftreten.
Obwohl NiCd-Zellen recht unempfinlich gegen gelegentliche Tiefentladungen sind,
sollte die Entladeschlusspannung nie unterschritten werden. Sonst koennen
naemlich im Zellenverbund (bei Akku-Packs) einzelne Zellen bereits leer sein,
waehrend die Nachbarn noch etwas Ladung haben. Diese Nachbar-Zellen haben aber
fuer die entladene Zelle die falsche Polaritaet, so dass hier zu einem
Umpoleffekt kommen kann, der zur Zerstoerung der leergepumpten Zelle fuehren
kann.

5.3 Wie hoch ist die Leerlauf und die Klemmspannung einer NC-Zelle?

Die Leerlaufspannung einer NC-Zelle betraegt ca.1.299 V.
Die Klemmspanng ist die bei angeschlossener Last an den Klemmen liegende
Spannung.

5.4 Was bedeutet Selbstentladung und wovon haengt sie ab?

Auch ohne Belastung geht mit der Zeit ein Teil der im Akku gespeicherten
elektrischen Energie verloren. Mit steigender Temperatur nimmt dieser Effekt
stark zu. Die Ursache dafuer ist im schnellen Zerfall des hochaufgeladenen
Nickelhydroxides auf der positiven Elektrode zu suchen. Dabei wird Sauerstoff
abgespalten, der eine aequivalente Reduktion auf der negativen Elektrode
bewirkt.Zudem haben die inneren Selbstentladestroeme durch vagabundierende
Ionen eine nicht unbedeutende Wirkung. Selbstverstaendlich kann durch die
Bauform die Selbstentladung beeinflusst (aber nicht vermieden) werden.

Faustregel:
Eine Verringerung der (Lager)-Temperatur um 10 grad, halbiert die Groesse der
Selbstenladung und verdoppelt somit die moegliche Lagerfaehigkeit.

Bei tiefen Temperaturen ist die Selbstentladung vernachlaessigbar.
Reduktion= das Gegenteil von Oxidation, also Abspaltung des Sauerstoffes.

5.5 Welche Rolle spielt die Temperatur im Akku ?

Viele Eigenschaften von Akkus aendern sich mit schwankender Temperatur.

Eine Angabe von Bsp. 1Ah = 1000mAh besagt, das man bei 1/10 des Nennstromes
(100mA) rund 10 h benoetigt, um den Akku restlos auszuschoepfen. Dies ist aber
nicht erwuenscht (s.o.) Ausserdem ist die Stromausbeute sehr stark Temperatur-
abhaengig. Wie wir schon von der Schule her wissen, laufen chemische Reaktionen
bei erhoeten Temperaturen wesentlich schneller ab, das gilt auch fuer die
Selbstentladung, die in diesem Fall die verfuegbare Kapazitaet ziemlich stark
einschraenkt.
Aber auch Kaelte beeinflusst die Eigenschaften des Akkus. Kaelte bremst die
chemischen Vorgaenge im Akku, da der Ionenstrom im Elektrolyt langsamer
ablaeuft. Dies bewirkt wiederum eine Zunahme des Innenewiderstandes und
eine kleinere verfuegbare Klemmspannung.

5.6 Was hat es mit dem Memory-Effekt auf sich ?

Hierbei tritt eine Kapazitaetsminderung auf, wenn der Akku oft teilentladen
wird und dann (fachgerecht) aufgeladen wird. Man erklaert sich den Vorgang
durch eine Kristallvergroesserung des Nickelhydroxids und des Cadmiums
an den Elektroden und den damit verbundenen Oberflaechenschwund.
Dies kann bis zu einen kristallinen Kurzschluss fuehren. Durch gezieltes
Tiefentladen und dann wider fachgerechtes Aufladen kann der Akku
einigermassen wieder "fit" gemacht werden.

5.7 Wovon ist die Kapazitaet abhaengig ?

Die verfuegbare Kapazitaet in Abhaenigkeit vom Entladestrom ist stark vom
Aufbau abhaengig, wobei man die Zellengroesse als Faustkriterium nehmen kann.
Bei kleinen Zellen (300mAh) sind bei 1C gerade mal 60% verfuegbar, bei Zellen
mit 1,5Ah sind bei 1C noch 95% verfuegbar, speziellen Zellen liegen bei 1C
noch weit ueber der Nennkapazitaet. Immer noch Spitze sind die 1,7Ah-Zellen
von Sanyo (56g), die z.B. einen Strom von 65A (=38C) immerhin noch 80s lang
liefern koennen, das entspricht einer entnehmbaren Kapazitaet von 85% bei
38C.

6.0 Durch welche Massnahmen kann man die Eigenschaften einer NiCd-Zelle verbessern ?

Etwas aufwaendiger und teurer sind NiCd-Akkus mit Sinterfolien-Elektroden.
Hierbei dient ein vernickeltes Stahlgewebe als Traeger, auf welches das
Elektrodenmaterial, also NiOOH = positive Elektrode u. Cd = negative
Elektrode, staubfoermig aufgebracht wird.
Unter sehr hohen Temperaturen und Druecken sintern dann diese Stoffe zusammen
und ergeben rauhe Oberflaechen. Durch die nun sehr grosse aktive Oberflaeche,
ergeben sich folgende Eigenschaften: sehr geringen Innenwiderstand
hohe Entladestroeme und eine gute Ueberladefestigkeit, da ja durch die grosse
Oberflaeche die Gase (O und H) bei Ueberladung sich besser an den Elektroden
binden koennen. Desweiteren besitzen solche Akkus bis zu 20 % mehr Kapazitaet.
Weniger verbreitet sind Akkus mit Metallschaumelektroden.Ein selbsttragender
Metallschaum oder Metallschwamm kann zu einem Wickel geformt, vollautomatisch
zu Elektroden, verarbeitet werden.

7.0. Welche Aufgabe hat der Separator in einem NC-Akku ?

Damit die Elektroden immer einen optimalen Abstand haben, muss man sie stets
mechansich fixieren. Diese Aufgabe uebernimmt der Separator (er wird oft auch
als Scheider bezeichnet). Er beeinflusst die Zelle sehr wesentlich. Der
Separator muss einerseits die Elektroden sicher voneinander trennen, und
andererseits flexibel sein und das ueber einen grossen Temperaturbereich.
Er darf fuer den Ionenfluss nur ein sehr minimaler Widerstand sein, soll
aber gleichzeitig hochisolierend sein. Zudem darf der Separator nicht durch
Saeure oder Lauge angegriffen werden. Als Materialien eignen sich Folien
wie Vliese, Polyamid oder Polypropylen. Diese werden noch einer speziellen
Oberflaechenbehandlung unterzogen.

8.0 Einige technische Daten

Spezifische Energiedichte : 21-27 Wh/kg
elektrochemische Spannung
der Gesamtreaktion : 1.299 V
Innenwiderstand : 5m Ohm

entnommene Kapazitaet Qab
Ladewirkungsgrad nAH = : ——————————— = —–
zugegebene Kapazitaet Qzu

Ladewirkungsgrad : ca. 83 % – 72 %

Endladeschlusspannung : 0.85 V

Die generelle obere
Temperaturgrenze von NiCd : bei etwa 65 Grad

Dauertemperaturen ab etwa
45 Grad erfordern bereits
einen speziellen Zellenaufbau.

Unterhalb -10 Grad hat
die Zellenspannung einen
negativen Temp-Koeffizienten
Der Abfall betraegt etwa : 3mV/Grad.

9.0 Welche Ladeverfahren gibt es ?

14 Stunden Normalladung mit Konstantstrom: (Laden ca. 1/10 des Nennstromes)
Die Ladedauer ist lang,
teilentladene Akkus werden ueberladen und verlieren
ihre Speicherkapazitaet (Memoryeffekt),
tiefentladene Akkus werden nicht regeneriert.

Definiertes Entladen und anschliessende 14 Stunden
Normalladung:
Die Ueberladung und der Memoryeffekt werden ver-
hindert.
Die Regeneration schwacher Akkus ist maessig.

Entladen und anschliessende zeitgesteuerte Schnelladung:
Die Vorteile sind kurze Ladezeiten und bessere Re-
generation.
Wegen des unterschiedlichen Wirkungsgrades verschiedener
Akkutypen wird der Akku jedoch meist ueber- oder unterladen.
Schnelladefaehige, also teure Akkutypen sind notwendig.

Entladen und anschliessende Schnelladung mit Spannungs-
ueberwachung:
Von der Zellenspannung kann nur bedingt auf den Lade-
zustand geschlossen werden.
Zudem ist die Spannung des vollen Akkus von Typ zu Typ
unterschiedlich.
Deshalb sind die Akkus oft teils ueber- oder unterladen.

Entladen und Schnelladung mit Temperaturueberwachung:
Der Temperaturanstieg waerend der Ladung ist ein gutes
Mass fuer den Ladezustand.
Der Kontakt von Fuehler und Akku ist oft problematisch.

Entladen und Schnelladung mit Delta – Peak – Abschaltung:
Da die Zellenspannung des Akkus aufgrund des Temperatur-
anstieges sinkt, ist dies ein sehr gutes Abschaltkriterium.
Die Elektronik macht Fertiggeraete teuer, und wegen der
erforderlich hohen Ladestroeme duerfen keine Normalakkus
benutzt werden.

Entladen und Laden nach dem Reflexprinzip:
Das derzeit modernste Ladeverfahren erlaubt eine Schnell-
ladung aehnlich der Delta-Peak-Methode auch bei Normalakkus.
Kurze Entladeimpulse waehrend der Ladephase erhalten die
chemische Reaktionen in der Akkuzelle in einem guenstigen
Bereich.

Anmerkungen zum Reflexprinzip:
Das wesentliche Element des von Christie Electric Corp.
1988 patentierten Reflexverfahrens liegt darin, dass waeh-
rend eines Ladevorgangs (mit hohem Strom) periodisch fuer
eine kurze Zeit (mit einem noch hoeheren Strom) entladen
wird.

Der Sinn des Prozedur ist: Waehrend des Ladens mit hohem
Strom entstehen durch Elektrolyseprozesse kleine Sauer-
stoffblaeschen an den Elektroden. Dadurch wird die effektive
Elektrodenoberflaeche reduziert und so die Impedanz der Zelle
erhoeht. Eine erhoehte Zellenimpedanz hat aber eine geringere
Ladeeffektivitaet und zudem eine hoehere Temperatur zur Folge.

Um dies zu vermeiden, ist der periodische Entladepuls vorge-
sehen. Dieser Entladepuls loest Blaeschen von den Elektroden
ab und foerdert durch den nun umgekehrten Stromfluss die Re-
kombination des Sauerstoffs an der negativen Elektrode. Die
Strategie arbeitet aber nur dann zuverlaessig, wenn die Gas-
blaeschen noch klein sind. Aus diesem Grunde erfolgt der Ent-
ladepuls etwa jede Sekunde.

Der Vorteil des Verfahrens liegt nun nicht nur im hoeheren
zulaessigen Ladestrom. Die Effektivitaet des Ladevorganges
steigert sich naemlich auch noch dadurch, dass (NiCd-typisch)
allein schon durch die Hochstromladung eine zusaetzliche
hoehere Effektivitaet erreicht wird.

Waehrend die Effektivitaet beim Reflex-Prinzip mehr als 95
prozent (bei minimaler Zellenerwaermung) erreicht, liegt
die Effektivitaet bei konventioneller C/3-Ladung bei nur
etwa 70 prozent.

Das Reflex-Prinzip setzt also mehr Energie in Ladung statt
in Gasentwicklung um.

Dass bei dieser Lademethode ein Memoryeffekt vermieden bzw.
ein bestehender Memoeffekt rueckgaengig gemacht wird (Aufbrechen
der Kristalstrukturen) braucht keiner besonderen Erwaehnung.

NiMH-Zellen

1. Allgemeines
2. Zellenaufbau
3. Vergleich der Systeme
4. Lade/Entlade-Eigenschaften
5. Vergleich diverser Sekundaerelemente

1. Allgemeines

Unter den wideraufladbaren Geraetebatteriesystemen ist zur Zeit das System ni-cd
mit Abstand vorherrschend, was an der Robustheit und der universalen Einsetz-
barkeit liegt. Alle anderen verfuegbaren Systeme sind neu auf dem Markt oder
Spezialsysteme fuer spezielle Anwendungen. Da das System Ni-Mh weitgehenst
kompatibel dazu ist, zusatzvorteile bietet und in Zukunft weiterentwickelt wird,
kann es in vielen Anwendungen die Rolle des NiCd Systems uebernehmen. Als
weiteres System wird im Laufe der kommenden Jahre Lithium wiederaufladbar,
auch unter der Bezeichnung Li/Swing oder Li/Ion bekannt, an Boden gewinnen.
Da es sich hierbei um ein System mit 3 V handelt, ist keine Kompatibilitaet
zu anderen Systemen gegeben, was eine Markteinfuehrung verlangsamt.

2. Zellenaufbau

die elektrochemischen Vorgaenge eine NiMh-zelle sind mit den der NiCd-zelle
fast identisch, sie unterscheiden sich jedoch an den negativen Elektroden.

Wie von NiCd-Systemen bekannt ist,gibt es auch bei NiMh-Zellen eine Lade/Entla-
dereserve, d.h. eine Ueberlade- und Teifentladefaehigkeit ohne Schaeden fuer
den Akku. Dies wird erreicht, indem man die negative Elektrode groesser bzw.
massenreicher gestaltet wie die positive Elektrode. Die Entstehung eines Sauerstoff-
ueberdruckes durch Ueberladung wird wie bei der NiCd-Zelle durch Rekombination
an der negativen Elektrode verhindert. Man muss also bei Ueberladung die
entstehenden O2-Molekuele moeglichst schnell binden, um einen Ueberdruck zu
verhindern bzw. das das Sicherheitsventil das Akkus nicht anspricht.
Andererseits ist die negative Elektrode einer NiMh-Zelle in der Lage,
Wasserstoff zu absorbieren, so das im Fall einer Tiefentladung oder Umplolung
der an der positiven Elektrode entstehende Wasserstoff ebenfals zu einem
gewissen Grad verzehrt werden kann.
Das die Lade/Entladereserve nur in einem gewissen Bereich Wirkung zeigt, bedarf
keiner weiteren Erwaehnung.
Zur Verdeutlichung der Vorgaenge soll Bild 1 helfen.

Bild 1 – Vorgaenge an der Elektroden der NiMh-zelle

Ueberladen

——————————-
+ | ni(oh)2 | —
——————————-

| o2-verzehr
—————————————— /
– | | meh | me | <-
—- ————————————-
er lr

Tiefentladen

———————————-
— | ni(oh)2 | +
/ ———————————-
|
|
h2-verzehr |
—————————————–
-> | mhe | mhe | me | –
—————————————–
er lr

er = entladereserve
el = ladereserve

3. Vergleich der Systeme

Das Verhalten der NiMh-Zellen bei kleinen und mittleren Entladestroemen
gleicht fast den der NiCd-Zellen. Bei grossen Entladestroemen sind NiCd-Akkus
im Vorteil,d.h das sich grosse Entladestroeme bei NiCd-zellen weniger auf die
Kapazitaet auswirken, wie bei NiMh-Akkus. Weitere Unterschiede ergeben sich
zwischen NiMh -und NiCd-Zellen aber im Spannungverhalten waehrend der Ladung.
Generell liegt die Ladespannug von NiMh-Zellen leicht unterhalb der NiCd-Zellen,
und das fuer NiCd-typische Spannungsmaximum am ladeende bei hoeren Laststroemen
ist bei NiMh-Zellen wesentlich schwaecher ausgepraegt.
Deweiteren zeigen NiMh-Akkus 25%-100% groessere Kapazitaetswerte auf wie
NiCd-Systeme bei gleicher Bauform. Die Groessenaenderung haengt natuerlich
von der Baugroesse und des verwendeten NiCd-Systems ab.
Ausserdem sind NiMh-Zellen ueber einen viel groesseren Temperaturbereich
einsetzbar als NiCd-Systeme. laden: 0 …. 60 grad
entladen: -20 … 65 grad
lagern: -40 … 65 grad
Die obere Grenze fuer NiMh-Zellen liegt also bei 65 grad.
Ladespannungen sollten nicht unter 0 grad durchgefuehrt werden, da der
unerwuenschte Druckaufbau die Zelle im unguenstiegen Fall zersteoren koennte.
Ein weiterer grosser Vorteil der NiMh-Zelle ist, das sie keinen Memory-Effekt
aufweist. Der Memory-Effekt wurde bereits in der NiCd-FAQ eroertert.

4. Lade/Entlade-Eigenschaften

Je hoeher der Ladestrom, desto hoeher ist die Ladeschlusspannung.
Die Ladespannung von NiMh-Akkus weist einen negativen Temperaturkoeffizienten
auf.( d.h je hoeher die Temperatur, desto geringer ist die _Lade_endspannung ).
Die Ladespannungskennlinie verlaeuft sehr flach.
Bei ereichen des Ladeendzustandes steigt die Spannung nochmal staerker an.
Ladegeraete koennen diesen Spannungsanstieg auswerten und entsprechend auf
Ladehaltestrom umschalten. Laedt man den NiMh-Akku ueber die Ladeendspannung
hinaus weiter, so sinkt die Ladespannung wieder. Auch diesen Rueckgang der Spannung
kann man als Abschaltkriterium verwenden. Meist lassen sich negative Spannungs-
aenderungen schaltungstechnisch besser loesen, als positive.
Der Anstieg bzw- der Rueckgang der Ladespannung ist temperaturabhaengig.

Anders ist es bei der Entladespannung. Sie ist um so groesser je hoeher die
Temperatur ist. Die Kapazitaetsausbeute steigt mit der Temperatur.
Bei hoeheren Temperaturen macht sich bei kleinen und mittleren Entladestroemen
jedoch der gegenteilige Effekt bemerkbar. Daher verringert sich die
Kapazitaet bei 60 Grad geringfuegig gegeueber der bei Raumtemperatur.

5. Vergleich diverser Sekundaersysteme

—————————————————————————-
nicd blei nimh li/ion
—————————————————————————-
energiedichte (volumenbezogen) – – ++ ++
zyklenverhalten ++ – ++ ++
selbstentladung + + + ++
schnelladefaehigkeit ++ – + –
hochstrombelastbarkeit ++ + + –
sicherheit und
zuverlaessigkeit + ++ + –
kosten + ++ – –
spannungskompatibilitaet ++ – ++ —
umweltvertraeglichkeit — — + +
spannungsstabiliatet beim
entladen ++ — ++ —

++ ausgezeichnet + gut – ausreichend fuer viele Anwendungen
— betraechtliche Nachteile

Bleiakkus / Bleigelakkus

Bleiakkus werden mit einer konstanten Spannung
von 2,3 V pro Zelle geladen daraus ergeben sich folgende Ladespannungen:

6 V Akku Ladespannung 6,9 V

12 V Akku Ladespannung 13,8 V

Bei der Entladung sollte die Zellenspannung
nicht unter 2.1 V sinken, das entspricht 6,3 bzw. 12,6 V

Ladung von NC-Accus

NC-Akkus werden mit konstantem Strom geladen. Glättungs-Kondensatoren sind
nicht notwendig, es kommt nur auf den ‚konstanten‘ Effektiv-Wert an. Die
NORMALLADUNG dauert 14 stunden bei einem Ladestrom von i/10 (bsp. Mignonzelle
mit 500 mAh: 14 Stunden mit 50 mA). Eine Überladung mit i/10 wird seitens der
Hersteller mit mindestens 300 Stunden als undenklich angegeben, in der Praxis
wirken sich auch längere Ladezeiten nicht negativ aus, sollten aber vermieden
werden. (besonders bei NC-Akkus mit Masse-Elektroden). Die Erhaltungs- oder
PUFFER-LADUNG (d.h. zulässige unbegrenzte Dauerladung) sollte max. bei i/30 bis
i/20 liegen (Bsp. Mignonzelle mit 500 mAh: bei 16-25 mA). für Knopfzellen mit
Masse-Elektroden gilt als Erhaltungsstrom i/100. Die SCHNELLADUNG (nur bei
Sinterzellen) birgt die Gefahr der Überladung und der evtl. Gasung. Es sollte
darauf geachtet werden, dass der Akku nur bis zu seiner Nennkapazität
vollgeladen wird. Zweckmäßigerweise wird der Akku vor der Schnellladung auf 0.8
bis 0.9 Volt Zellenspannung entladen. die Ladezeit (in stunden) lässt sich durch
die Kapazität (in mAh) dividiert durch Ladestrom (in mA) mal 1.4 errechnen :
T=(K:I)*1.4 durch die Schnellladung erreicht der Akku zwischen 85 und 95% seiner
Nennkapazität. Durch eine Anschließende 1.5 stündige Normalladung erreicht der
Akku seine Nennkapazität. Ist der Akku NICHT LEER und soll trotzdem
schnellgeladen werden, so ist die Ladezeit auf die dem Akku entnommene Kapazität
zu errechen. Alle o.g. Angaben gelten für 20 grad Celsius.. bei davon
abweichenden TEMPERATUREN gestaltet sich das laden schwieriger. so erreicht der
Akku bei -10 C bereits bei Normalladung mit 14 stunden eine kritische
Zellenspannung von 1.6 Volt, bei der die entstehende GASUNG durch das
SICHERHEITSVENTIL entweicht. ein geringerer Ladestrom ist daher bei tieferen
Temperaturen angebracht, empfohlen wird max. 0.5*i/10 und eine Begrenzung der
Zellenspannung auf 1.55 Volt pro Zelle. bei höheren Temperaturen z.B. bei 40 C,
entsteht bei Normalladung bereits nach 75% aufgeladener Kapazität die
Überladephase (hierbei wird durch den Gaskreislauf (elektrochemischer
Ladungsprozess) die Ladespannung herabgedrückt anstatt – wie üblich – gegen
Ladeschluss heraufgesetzt), wobei die weiter zugeführte Energie in wärme
umgewandelt wird. ein laden mit höheren Strömen ist daher bei höheren
Temperaturen empfehlenswert, da die Überladephase erst später beginnt. Da bei
der Ladung prinzipiell ein anstieg der Temperatur und der Ladespannung zu
beobachten ist, ist bei der automatischen Abschaltung des Ladevorganges der
Abschaltspannungswert fuer jeden Typ, jede Umgebungstemperatur und fuer jeden
Ladestrom zu ermitteln. Des weiteren sind auch Akkublöcke vom gleichen
Hersteller untereinander unterschiedlich und ändern sich zusätzlich
altersbedingt. Besser als automatische Abschaltung über den Spannungswert

Erwiesen sich Automatikladegeräte, die den Ladevorgang durch eine Zeitschaltuhr
unterbrechen. (an eventuelle Stromausfälle denken, Akkus vorher (auf ca. 0.9
Volt pro Zelle) entladen (dann weiß man, wie lange man laden muss), die
Mindestspannung beim Laden beträgt 1.45-1.5 Volt pro Zelle. Bei stromgeregelten
Ladegeräten, insbesondere bei Kombiladern fuer 1-12 Zellen liegt die
Leerlaufspannung zum teil erheblich höher, der vom Akku benötigte Spannungswert
stellt sich jedoch während des Ladevorganges automatisch ein.

Ladung von Blei-Gel-Akkus.

Blei-Gel-Akkus werden mit
konstanter Spannung geladen. >Glättungskondensatoren sind nicht notwendig, es
kommt auf die (Spitzen-)Spannung an. ( Autobatterie-Ladegeräte sollten auf grund
der (in der Regel) zu hohen Ladespannung nicht zum Laden benutzt werden. Bei
einer Ladetemperatur von 20 C beträgt die Ladespannung 2.3 Volt pro Zelle (bei
6-volt Akkus also 6.9 Volt und bei 12-volt Akkus 13.8 Volt). Bei -20 C sollte
die Ladespannung auf 2.56 Volt pro Zelle angehoben werden, bei +40 C dagegen auf
2.2 Volt pro Zelle abgesenkt werden. Bei diesen Spannungen nimmt der Akku
anfangs so viel Strom auf, wie ihm zur Verfügung gestellt wird. Der Strom sinkt
im weiteren Verlauf kontinuierlich ab, bei einem Ladestom von ca. i/100 ist der
Akku voll und nimmt nur noch den Ladeerhaltungsstom auf. Im
BEREITSCHAFTS-PARALLELBERIEB liegt die Erhaltungsspannung bei 2.25 bis 2.3 Volt
pro Zelle, auf diesen Strom schalten diverse Automatik-Ladegeräte um. Die
Ladezeit (in Stunden) lässt sich durch die entnommene Kapazität (in Ah)
dividiert durch Anfangsladestrom (in A, den das Ladegerät zu Verfügung stellen
kann) plus 3 bis 5 errechnen: T=(K/I)+3 bis 5 (plus 3 bei einem Anfangsladestrom
von K/10, plus 5 bei K/5) (bei 20 C). SCHNELLADUNGEN erfolgen mit max. 2.4 Volt
Zellenspannung bei 20 C. ab 2.4 Volt Zellenspannung muss auf Ladeerhaltung
umgestellt werden. (zu deutsch : Dem Akku wird der Maximal-Strom des Ladegeräts
zu Verfügung gestellt.) Sobald die Zellenspannung 2.4 Volt erreicht wird
umgeschaltet auf Erhaltungsladung mit 2.25-2.3 Volt pro Zelle. Sollte der Akku
gasen (z.B. weil die Temperatur ansteigt und somit nur eine niedrigere
Ladespannung erforderlich ist), so ist die Ladung zu unterbrechen (bis die Akku-
oder Umgebungstemperatur gesunken ist) oder die Ladespannung zu senken.

Allgemeine Tipps (NC-, Blei-, Bleigel-Akkus)

Gedächtnis-Effekt: Werden Akkus über längere Zeit nicht oder nur teilweise
entladen sinkt ihre Kapazität ab.

Abhilfe: gelegentliches Laden

formatieren: mehrfaches (3 bis 5 mal)
Normal-Laden + entladen

Defekte Akkus: (jede Zelle einzeln
behandeln)

Leer, Zelle kommt bei Ladung nicht auf
Spannung -> Strom langsam erhöhen (bis 20*i), aber auf Spannung, Temperatur,
Gasung achten : rechtzeitig abbrechen. Sobald die Zelle ‚kommt‘ : auf
Normalladung übergehen

Leer, Zelle hat hohen Innenwiderstand/
voll, Zellenspannung bricht bei kleinster Last zusammen: -> abwechselnd
laden + entladen (kleiner Lade- + kleiner Laststrom) (z.B. erste Halbwelle
laden, erste Halbwelle entladen, zulässige Parameter einhalten !)