Ladeverfahren

Unter Ladeverfahren versteht man die Steuerung der Aufladung von Akkumulatoren. Die richtige Aufladung und Pflege der Akkumulatoren sowie der Schutz vor Über- und Unterladung tragen erheblich zu ihrer Lebensdauer bei. Die zur Steuerung der Ladung verwendeten Geräte nennt man Laderegler.

Je nach Energiequelle und Akkumulatortyp kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz.

Inhaltsverzeichnis

1 Konstantstrom-Ladeverfahren
2 Pulsladeverfahren
3 Konstantspannungs-Ladeverfahren
4 IU-Ladeverfahren
5 Rückstromladen – Reflexladen
6 Abschaltkriterien
- 6.1 Spannungskriterium: das −ΔU-Verfahren
- 6.2 Temperaturkriterium
7 Weblinks
8 Literatur

Konstantstrom-Ladeverfahren

Die Akkumulatoren werden dabei mit einem über die gesamte Ladezeit konstanten Strom geladen. Um eine Überladung zu vermeiden, muss ein geeignetes Verfahren zur Abschaltung bei Vollladung angewendet werden.

Im einfachsten Fall wird nach Ablauf einer festen Zeit abgeschaltet oder auf Erhaltungsladung umgeschaltet. Die einzuhaltende Ladezeit (t in h) für vollständig entladene Akkus ergibt sich aus dem Quotienten aus Kapazität (elektrische Ladung/Ladungsmenge) des Akkus (Q in mAh) und dem Ladestrom des Ladegeräts (I in mA), multipliziert mit einem Faktor k zur Berücksichtigung des Ladewirkungsgrades.

$t=k* \frac Q I$

Für Nickel-Cadmium-Akkumulatoren wird üblicherweise $k = 1,4$ gewählt. Zulässig ist diese einfache Art der Beendung des Ladens nur für kleine Ladeströme von maximal C/10. Für höhere Ladeströme besteht die Gefahr, den Akku bei Überladung durch die dann auftretende Erwärmung und Druckanstieg dauerhaft zu schädigen.

Diese in einfachen Ladegeräten angewandte Methode der langsamen 14-stündigen Ladung mit C/10 als Ladestrom war lange Zeit das einzige einfach zu realisierende Ladeverfahren, ist jedoch heute nicht mehr Stand der Technik. Dies gilt insbesondere für NiMH-Akkumulatoren, die gegenüber Überladung sehr empfindlich sind. Eine Erwärmung auf mehr als 40 °C verringert irreversibel ihre Ladekapazität.

Pulsladeverfahren

Dieses Verfahren ist ein Sonderfall des Konstantstromladens, da mit Pulsen von konstantem Strom geladen wird. Vorteile dabei sind:

Die Ladespannung kann in den stromlosen Pausen zwischen den Pulsen gemessen werden, dadurch tritt keine Verfälschung des Messergebnisses infolge Übergangs- und Leitungswiderständen auf.
Durch Variation des Puls-/Pausenverhältnisses können auf einfache Art verschiedene Phasen des Ladens realisiert werden, ohne den konstanten Ladestrom während der Pulse ändern zu müssen. Dies kann am Beginn der Ladung zur Prüfung des angeschlossenen Akkus eingesetzt werden und nach Ladeende zur Realisation einer Erhaltungsladung dienen. Die Erhaltungsladung wird in Form von kurzen Strompulsen mit langen Pausen durchgeführt und ist gegenüber der Dauerladung mit geringem Strom vorteilhaft, da die Gefahr des Dendritenwachstums reduziert wird, das zum inneren Kurzschluss des Akkus führen kann.

Konstantspannungs-Ladeverfahren

Bei diesem Verfahren wird die Ladespannung konstant gehalten. Bei fortschreitender Aufladung sinkt der Ladestrom wegen der kleiner werdenden Spannungsdifferenz zwischen Akkumulator und Ladegerät. Idealisiert würde der Ladestrom bis auf Null sinken, in der Praxis fließt ein von der Akkukapazität abhängiger Reststrom zum Ausgleich der Selbstentladung.

Einsatz:

Bleiakku
Lithium-Ionen-Akku
RAM-Zellen (Rechargable Alkali Manganese)

IU-Ladeverfahren

Das IU-Ladeverfahren verbindet das Konstantstrom- mit dem Konstantspannungs-Ladeverfahren. In der ersten Phase der Ladung wird mit einem konstanten, durch das Ladegerät geregelten Strom geladen. Gegenüber dem reinen Konstantspannungs-Ladeverfahren wird so eine Begrenzung des sonst hohen Anfangsladestroms bewirkt. Bei Erreichen der gewählten Ladeschlussspannung am Akku wird von Strom- auf Spannungsregelung umgeschaltet und in der zweiten Ladephase mit konstanter Spannung weiter geladen, dabei sinkt mit zunehmendem Ladestand des Akkus der Ladestrom selbsttätig ab. Als Kriterium für die Beendung der Ladung kann bei Blei- und Li-Ionen-Akkus die Unterschreitung eines gewählten minimalen Ladestroms angewendet werden.

Einsatz:

Rückstromladen – Reflexladen

Der Begriff Reflexladen wird für dieses Ladeverfahren viel häufiger verwendet.

Unter Rückstromladen, auch als Laden mit asymmetrischem Wechselstrom bezeichnet, versteht man ein Verfahren, bei dem ein Akkumulator nicht mit einem reinen (oder pulsierendem) Gleichstrom geladen, sondern während des Ladens der Stromfluss periodisch umgekehrt wird. Während einer Periodendauer findet folgender Ablauf statt: langer Ladepuls - kurze Pause - kurzer Entladepuls (Abbau der Gasblasen an der Elektrodenoberfläche) - längere Pause (zur störungsfreien Messung der Spannung für Abschaltkriterien).

Das Verfahren wurde 1954 von Ernst Beer unter der Patentnummer 2 752 550 in Holland patentiert und wurde in den 60er Jahren diskutiert, als es noch keine Akkus gab, die preiswert, leicht und gasdicht waren.

Der Methode liegt die Beobachtung zu Grunde, dass galvanische Überzüge gleichmäßiger werden, wenn nicht ein Gleichstrom verwendet, sondern periodisch der Stromfluss umgekehrt wird. Da es sich bei einem Akkumulator bzw. einer Batterie um eine Galvanische Zelle handelt, liegt es nahe, diese Methode zu übertragen.

Weiterhin erreicht man durch das Reflex-Ladeverfahren bei Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Akkus eine deutliche Reduzierung der Zellentemperatur, weshalb es heute gerne bei den Ladegeräten der Modellbauer eingesetzt wird. Es ermöglicht somit noch höhere Ladeströme als mit einer Konstantstromladung.

siehe auch:

Rückstromladen

Abschaltkriterien

Spannungskriterium: das −ΔU-Verfahren

Moderne Laderegler überwachen den Spannungsverlauf am Akku während des Ladens. Mit zunehmender Aufladung wächst der differenzielle Widerstand des Akkus, die an ihm abfallende Spannung steigt. Bei Erreichen der Vollladung kann die zugeführte Energie nicht mehr chemisch gebunden werden, der Akkumulator erwärmt sich. Mit jedem Grad mehr sinkt der differenzielle Widerstand, die Ladespannung sinkt ebenfalls (daher: −ΔU). Das Absinken der Spannung ist bei NiCd-Akkus deutlich ausgeprägt. Bei NiMH wird das Absinken der Spannung nach einem Maximum jedoch nur bei ausreichend hohen Ladeströmen beobachtet.

Mögliche Kriterien für die Beendung des Ladens sind:

Das Absinken der Ladespannung nach dem Erreichen des Maximums (−ΔU-Verfahren). Üblich sind hierbei 10–20 mV pro Zelle.
Erreichen des Maximums der Ladespannung (Peak Voltage Detection). Der Laderegler berechnet dafür die erste Ableitung des Spannungsverlaufs. Die Abschaltung erfolgt, wenn das Maximum der Ladespannung erreicht ist mit $d U / d t = 0$ . In der Praxis lässt sich aber auch bei Geräten mit Peak Voltage Detection ein leichter Spannungsabfall feststellen. Eine wirklich genaue Erkennung einer stagnierenden Spannung ist aufgrund von geringfügigen natürlichen Spannungsschwankungen und Rauschen auch nicht möglich.
Beginn des Abflachens des Ladespannungverlaufs. Der Laderegler berechnet dafür die zweite Ableitung des Spannungsverlaufs. Die Abschaltung erfolgt, wenn der Wendepunkt erreicht ist mit $d 2 U / d t 2 = 0$ .

Spannungsverlauf einer Entladung und Ladung eines 800-mAh-NiCd-Akkus (Zeitangabe in Sekunden)

Der Spannungsverlauf zeigt die Ladung eines Akkus (NiCd, 800mAh) in einem microcontollergesteuerten Ladegerät (Ansmann PowerLine4). Zuerst die Entladung des NiCd Akkus, danach die Ladung bis zur Minus-Delta-U-Abschaltung und zum Schluss die Umschaltung auf Ladungserhaltung.

Temperaturkriterium

Bei diesem Verfahren werden – kurz gesagt – eine Maximaltemperatur oder der Temperaturverlauf während der Aufladung als Abschaltkriterium verwendet.

Akkumulatoren sollten in der Regel die Temperatur von 55–60 °C nicht überschreiten. Wird diese Temperatur dennoch überschritten, kann die Zelle aufgrund der Druckerhöhung im Inneren ihre Dichtigkeit verlieren und auslaufen. Die Abschaltung der Ladung bei einer bestimmten Temperatur wird in einigen Ladegeräten als Sicherheitskriterium verwendet. Als alleiniges Abschaltkriterium ist dies jedoch nicht zu empfehlen, da es wegen der indirekten Messung recht ungenau ist und sich die Temperaturentwicklungen bei NiCd- und NiMH-Akkus auch unterscheiden. Zudem beeinflusst auch die Umgebungstemperatur den Abschaltzeitpunkt.