Ladeverfahren

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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 Baugruppen, häufig integrierte Schaltungen, nennt man Laderegler. Sie sind in separaten Geräten (Ladegeräte, Batteriemanagementsysteme) oder in akkubetriebenen Geräten untergebracht. In Kraftfahrzeugen befinden sie sich an der Lichtmaschine. Nur selten befinden sich Laderegler auch im Akkumulator integriert.

Je nach Energiequelle und Akkumulatortyp kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz.

Konstantstrom-Ladeverfahren

Ladung mit Konstantstrom IK

Die Akkumulatoren werden dabei mit einem über die gesamte Ladezeit konstanten Strom IK 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 für vollständig entladene Akkus ergibt sich aus dem Quotienten aus Kapazität (elektrische Ladung/Ladungsmenge) des Akkus Q und dem Ladestrom IK, multipliziert mit einem Faktor c zur Berücksichtigung des Ladewirkungsgrades.

$ t = c \cdot\frac Q I_K $

Beispielsweise wird für Nickel-Cadmium-Akkumulatoren üblicherweise $ c=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 10 % der Batteriekapazität (C) 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

Ladung mit Stromimpulsen der Stärke II

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 im Rahmen einer Pulsweitenmodulation (PWM) 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

Konstantspannungsladung

Bei diesem Verfahren wird die Ladespannung UL über die Zeitdauer tL 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:

IU-Ladeverfahren (CCCV)

Das IU-Ladeverfahren, auch CCCV für constant current constant voltage bezeichnet, verbindet das Konstantstrom- mit dem Konstantspannungs-Ladeverfahren. In der ersten Phase der Ladung wird mit einem konstanten, durch das Ladegerät begrenzten 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:

IUoU-Ladeverfahren

Ladegeräte mit IUoU Kennlinie arbeiten wie die zuvor beschriebenen IU (CCCV) Geräte, jedoch wird nach dem Laden bis zur Ladekennspannung auf Erhaltungsladung umgeschaltet. Bei der Erhaltungsladung (oftmals gepulst sowie temperaturüberwacht) wird der Selbstentladung des Akkus entgegen gewirkt.

Ladegeräte mit dieser Kennlinie sind geeignet, dauerhaft Bleiakkumulatoren zu laden.

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Versuche bei Solartechnik-Bayern haben folgendes ergeben: Ladung eines Bleiakkumulators mittels herkömmlicher Lichtmaschine: 4-6 Jahre bei einer Degradation der Nominalkapazität von über 60 %. Ladung eines Bleiakkumulators mittels IUoU Ladegerät: 10-12 Jahre bei einer Degradation der Nominalkapazität von 28 %.

Rückstromladen – Reflexladen

Zeitdiagramm Rückstromladung

Hauptartikel: Rückstromladen

Lithium-Ionen-Akkumulator

Der Lithium-Ionen-Akkumulator erfordert neben der Kombination Konstantstrom-Ladung/Konstantspannungsladung auch die Berücksichtigung eines tiefen Entladezustandes zu Beginn der Ladung – er verträgt dann nicht den vollen Ladestrom. Entsprechende Ladeschaltungen messen daher zu Beginn die Leerlaufspannung und liefern zunächst einen geringen Ladestrom, bis die Spannung für den vollen Ladestrom erreicht ist.

Abschaltkriterien

Spannungskriterium: das −ΔU-Verfahren

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

Moderne Laderegler überwachen den Spannungsverlauf am Akku während des Ladens. Mit zunehmender Aufladung sinkt der differentielle Widerstand des Akkus, die an ihm abfallende Spannung (Urspannung) steigt jedoch. Bei Erreichen der Vollladung kann die zugeführte Energie nicht mehr chemisch gebunden werden, die Urspannung steigt nicht weiter, der Akkumulator erwärmt sich. Mit jedem Grad mehr sinkt jedoch der differenzielle Widerstand weiter, die Ladespannung sinkt nun wieder (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:

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

Der Spannungsverlauf zeigt die Ladung eines Akkus (NiCd, 800 mAh) in einem Mikrocontroller-gesteuerten Ladegerät. 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 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.

Ladeschlussspannung

Die oberen Ladeschlussspannung bei 20° C beträgt für:

  • Bleiakkumulator etwa 2,42 V/Zelle (Lade-Erhaltung 2,23 V)
  • NiCd/NiMH-Akku etwa 1,45 V/Zelle
  • Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator (umgangssprachlich oft unscharf als Lithium-Ionen-Akkumulator bezeichnet) 4,1 V/Zelle
  • Lithium-Polymer-Akku (LiPo) 4,2 V/Zelle
  • Lithium-Eisenphosphat-Akku (LiFePO4) 3,6 V/Zelle (maximal 3,8 Volt)

Gerade bei Lithiumakkumulatoren ist eine Ladeabschaltung unterhalb dieser oberen Grenzspannungen (etwa -0,3 V) zugunsten der Lebensdauer sinnvoll. In der letzten Ladephase steigt die Zellspannung meist schneller an, die zusätzliche aufgenommene Energie ist gering.

Literatur

  • Andreas Jossen/Wolfgang Weydanz: Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen, U|Books 2006, ISBN 3-937536-01-9
  • Ludwig Retzbach: Akkus und Ladegeräte, Neckar-Verlag 2002, ISBN 3-7883-2142-3

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