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Aktualisiert: 08.10.2010

 

 

  Batteriearten und Anwendungsgebiete
  Über die Lebensdauer einer Batterie

  Der Kostenvergleich Alkalibatterien / NiMH - Akku
  Und soviel können Sie Sparen

  Sind Einwegbatterien nun überflüssig?
  Vor + Nachteile  (noch ergänzen)
  Was ist eigentlich ein Memoryeffekt?
  Können Akkuzellen überladen werden?
 
 
Können Akkuzellen in jedem Ladegerät aufgeladen werden?
  Innovative Neuentwicklungen
 
Die größten Irrtümer der Ladetechnik (Ein Bericht überwiegend für Techniker)

Sie haben ein wertvolles akkubetriebenes Gerät und finden keinen Ersatzakku?

Wir können Ihnen eventuell helfen!

Sie kennen das: Klasse Akkubohrmaschine als Schnäppchen bekommen, aber ein Ersatzakku ist nicht mehr aufzutreiben.
Wir haben die Möglichkeit Ihnen das Problem abzunehmen!

Und so machen Sie es:
Senden Sie uns eine E-Mail oder Faxen Sie uns alle wichtigen Daten,
die auf dem Akku vermerkt sind.
Wichtig ist grundsätzlich der Hersteller des Akkus die Typen und Seriennummer,
Spannungsangaben, Kapazität und notfalls, wenn diese Daten nicht greifbar sind,
mindestens die Gerätetype/Nummer und Hersteller oder Vertreiber des Akkubetriebenen
G
erätes.

Falls diese Daten unvollständig sind, bleibt nur noch die Zusendung des Gerätes kompl.
mit dem schadhaften Akku. (Bitte aber unbedingt "FREI" zuschicken, da wir ansonsten
die Annahme verweigern!

Wir machen Ihnen dann einen Kostenvoranschlag.
Lehnen Sie eine Instandsetzung wegen zu hoher Kosten oder wegen der Unmöglichkeit
eines Nachbau ab, so sind die Kosten für eine Rückführung der Gerätes/Akkus von Ihnen
zu erstatten.  (Festpauschale zur Zeit Euro 12,90)

Übrigens: Sonderanfertigungen sind vom Umtausch ausgeschlossen.

Batteriearten + Anwendungen

Unterschiede und die richtige Wahl von Batterien und Akkus.

Hier behandeln wir Trockenbatterien (z.B. Zink-Kohle und Alkalibatterien) und aufladbare Nickel-Cadmium- bzw. Nickel-Metall-Hydridakkus (Ni-MH - Akkus)

Kapazitätsvergleich

(am Beispiel der gängigsten Batterien: Mignonzellen (Type AA, l = 49mm, d = 14.5mm))

Während z.B. einfache Batterien wie Zink-Kohle-Zellen von Markenherstellern durchschnittlich eine Kapazität von ca. 1300mAh aufweisen, erreichen Nickel-Cadmium-Akkus mittlerweile maximal 1000mAh. Und moderne aufladbare Nickel-Metall-Hydridakkus (Ni-MH) etwa 1800mAh und mehr (Die neuen Panasonic PRO+ Ni-MH Akkus stehen ab sofort bei uns im Regal und haben eine Superleistung von 2000mAh).

Normale Standart-Alkalibatterien der unterschiedlichsten Markenhersteller haben im Durchschnitt eine Kapazität von ca. 2500mAh bis 2700mAh und liegen damit bereits in Spitzenpositionen.

 

Platz

Batterietyp

Kapazität in [mAh]

%

1.

Alkalibatterie 1,5V   

2700

100

2.

Ni-MH - Akku 1,2V

2000*

74

3.

Zink-Kohle-Batterie 1,5V

1300

48

4.

Nickel-Cadmium-Akku 1,2V

1000

37

 
Aus obiger Tabelle ist ersichtlich, dass Nickel-Cadmium-Akkus sehr schlecht abschneiden.
Obwohl Ni-MH-Akkus der neusten Generation* die zweitbeste Platzierung erreichten, haben sie dennoch eine um 25% geringere Kapazität gegenüber Alkalibatterien.

Ni-MH Akkus sind die wirtschaftlichste Alternative, da etwa 1000 mal  wieder Aufladefähig!

Über die Lebensdauer einer Batterie

Gehen wir einmal davon aus, dass sich ein Ni-MH-Akku im ungünstigsten Fall nur etwa 500 mal "Auftanken" lässt, so erreicht der Akku eine nutzbare Gesamtleistung von 1000.000 mAh über die zu erwartende Lebensdauer!
Die nicht aufladbaren Zink-Kohle-Batterien (1300mAh) und  Alkalibatterien (2700mAh) liegen in der Gesamtlebensdauer weit abgeschlagen hinter den aufladbaren Ni-MH - Akkus.
 

Platz

Batterietyp

Kapazität in [mAh]

%

1.

Ni-MH - Akku

1000.000

200

2.

Nickel-Cadmium-Akku

  500.000

100

3.

Alkalibatterie

       2700

0,54

4.

Zink-Kohle-Batterie

       1300

0,26

 

Resümee:

Nickel-Cadmium-Akkus (NC) werden aufgrund Ihres negativen  Memoryeffekt und ihren für die Umwelt schädlichen Schwermetallanteilen nicht weiter zum Vergleich herangezogen. Da Zink-Kohle-Batterien nur geringfügig preiswerter als Alkalibatterien sind, werden auch diese anschließend nicht mehr berücksichtigt.

Eindeutiger Spitzenreiter ist also eindeutig der Ni-MH-Akku. Im ungünstigsten Fall ergibt sich eine etwa 400 mal höhere Kapazität gegenüber der hochwertigsten Alkalibatterie!

 

Der Kostenvergleich Alkalibatterien / Ni-MH - Akku (Mignonzelle, type AA)

Das angenommene realistische Preisverhältnis eines wideraufladbaren Marken Ni-MH Akkus zu einer hochwertigen Alkalibatterie beträgt ca: 1 : 4

Alkalibatterie Mignonzelle AA     Preis €  1,00 (Markenbatterie)
Panasonic PRO+
- Ni-MH Akku  Preis €  4,25

Und soviel können Sie Sparen

Annahme:
Wir gehen einmal von einer minimalen Ladefähigkeit des Akkus von etwa 500 Lade - Entladezyklen aus,
obwohl die Hersteller durchweg 1000 Aufladevorgänge angeben.
Sie kaufen ein durchschnittliches Ladegerät (Ni-MH -tauglich) zum Preis von ca. 35 €
Lassen Sie unbedingt die Finger von Billigangeboten in der Preisklasse von ca. 6 bis 20 Euro, die meistens in Supermärkten angeboten werden, weil Sie sich damit Ihre wertvollen Akkus in kurzer Zeit zerstören!

Komplettsystem: Akku PRO+ von Panasonic + Ladegerät: 4,25 € + 35 € = 39,25€          
Kosten für 500 Einweg-Alkalibatterien =
500

Ihre Einsparung gegenüber einer Alkalibatterie:
455,80 Euro!*

Gehen wir von der Idealen Aufladefähigkeit aus, so sparen Sie immerhin fast
910,00 Euro*

*Hierbei wurden bereits Ihre Stromkosten für das Elektrizitätswerk miteinbezogen.

(Bedenken sollten Sie zusätzlich, dass sich die Kosten für ein Ladegerät weiter erheblich vermindern, da Sie mit einem Ladegerät mehrere Akkus und Akkutypen gleichzeitig aufladen können!)

Sind Einwegbatterien überflüssig?

Warum gibt es noch Alkalibatterien, wenn die Anschaffung von aufladbaren Batterien weitaus preiswerter ist?
Ein Hauptgrund liegt in der unterschiedlich hohen
Eigenentladung der verschiedenen Akkuarten.
Die Selbstentladung im Vergleich
Die Selbstentladung ist bei aufladbaren Akkus im Vergleich zu  Batterien  bei einer mittleren Temperatur von 20° um etwa 20% pro Monat höher.
Unter normalen Lagerbedingungen ergeben sich folgende Richtwerte:
 

System

Selbstentladeverlust

Alkali-Mangan, Rundzelle

max. 2 % / Jahr

Zink-Kohle, Rundzellen

max. 4 % / Jahr

Lithium (Li/MnO2), Rund- und Knopfzellen

ca. 1 % / Jahr

Akkumulatoren (systemabhängig)

ca. 20 % / Monat

 

Akkumulatoren sind damit für Geräte mit relativ geringem Energieverbrauch, bei denen ein Batteriewechsel erst nach monatelangem Betrieb erforderlich ist, ungeeignet (Uhren, Fernbedienungen etc.).

Grober Richtwert für den Einsatzbereich von Akkus u. Einwegbatterien ergibt die Zeit, in der sich der Akku selbst entladen hätte.
Dies entspricht der maximal nutzbaren Zeit des Akkus als Energiequelle, unter Annahme einer minimalen Stromentnahme durch einen Verbraucher (z.B. Fernbedienung).

Grenzeinsatz in Monaten = 100% Kapazität geteilt durch Selbstentladung pro Monat in Prozent.

Beispiel: 5 Monate = 100% : 20%

Je nachdem, nach wie vielen Monaten Sie Ihre Einwegbatterien wechseln müssen, fällt die Wahl auf die entsprechende Batterieart, Akku oder Einwegbatterie.

Ein Diagramm
veranschaulicht Ihnen hier die Kreuzungspunkte. Es verdeutlich die Überschneidungspunkte
von Akku und der normalen Einwegbatterie.

Beachten sollten Sie auch, dass o. a. Zeitwert nur ein Anhaltspunkt darstellt, welcher in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur stark schwanken kann.

Vor und Nachteile

 

 

Was ist eigentlich ein Memoryeffekt?

Werden Nickel-Cadmium-Batterien (NC) wieder aufgeladen, bevor sie vollständig entladen wurden, so können sich auf Polen der negativen Elektrode Kristalle aus Cadmium bilden. Dadurch entsteht der unerwünschte Vorgang einer zweiten Entladestufe. Die Batterie speichert diese Stufe als Entladestufe für den nächsten Zyklus in ihrem Gedächtnis ("memory"), obwohl unterhalb dieser Stufe noch Kapazität verfügbar ist. Beim nächsten Entladevorgang erinnert sich die Batterie nur noch an diese, reduzierte Kapazität.
Wenn danach weitere unvollständige Entladezyklen folgen, schaukelt sich der Prozess immer weiter hoch, wobei dann die Leistungsfähigkeit der Batterie immer mehr abnimmt. NC-Zellen sollten daher hin und wieder vollständig entladen werden. Auf diese Weise wird der "Memory-Effekt" vermieden und die Lebensdauer der Zelle bzw. Batterie erhöht. Bei Nickel-Metallhydrid-Batterien dagegen tritt dieser Memoryeffekt nicht auf. Diese Zellen können ohne die geringsten Probleme jederzeit aufladen bzw. nachladen werden.
 
 

Können Akkuzellen überladen werden?

Bei Verwendung eines guten Ladegerätes ist dies ausgeschlossen. Diese Geräte besitzen einen elektronischen Zeitgeber und/oder Thermosensor, der darauf achtet, dass der Ladevorgang beendet wird, wenn die Akkuzelle vollständig aufgeladen ist. Dadurch wird ein Überladen vermieden. Bei Billig-Ladegeräten unbekannter Qualität und Herkunft (Billigmärkte), die nicht dem technischen Standard guter Ladegeräte entsprechen, kann die Batterie durch zu langes Laden heiß werden und damit die volle Funktionsfähigkeit verlieren. Diese Ladegeräte werden daher auch Batteriezerstörer genannt: Sie laden ohne Rücksicht auf den Zustand der eingelegten Akkus, der Ladestrom ist fest eingestellt, eine Abschaltung oder gar Umschaltung auf Erhaltungsladung kennen diese Geräte nicht
Ergebnis sind dann nicht mehr die etwa 1000 Lade und Entladezyklen, sondern nur noch ein Bruchteil der angegebenen Möglichkeiten.

Wir empfehlen daher grundsätzlich prozessorgesteuerte Ladestationen von Firmen wie Hama, Friwo, Hähnel usw. In diesen Geräten werden die eingelegten Akkumulatoren elektronisch abgetastet und damit auf ihren aktuellen Zustand kontrolliert (optimal wäre in jedem Schacht einzeln) und laden dann mit einem dem jeweiligen Akku entsprechenden angepassten Ladestrom.

Für interessierte haben wir einen Artikel über die großen Irrtümer der Ladetechnik hier

Können Akkuzellen in jedem Ladegerät aufgeladen werden?

Nein, weil jedes Ladegerät mit einer bestimmten Ladetechnik ausgestattet ist, die dem jeweiligen elektrochemischen System der entsprechenden Akkuzellen - wie etwa Lithium-Ion, Blei-Säure oder Nickel-Metalhydrid (Ni-MH) - angepasst ist. Sie unterscheiden sich nicht nur in der Spannungscharakteristik, sondern auch in ihrer Ladetechnik, so dass z.B. nur speziell entwickelte Schnell-Ladegeräte für Nickel-Metallhydrid-Akkus für dieses System optimal sind. Ältere Ladegeräte für Nickel-Metallhydrid-Akkubatterien können natürlich nach wie vor benutzt werden; sie benötigen jedoch eine längere Zeit bis zur vollständigen Aufladung der Zellen. - Vorsicht ist bei Ladegeräten geboten, die nicht den erforderlichen Ladebedingungen eines bestimmten elektrochemischen Systems entsprechen - selbst wenn sie eine Prüfplakette tragen, die zu besagen scheint, dass diese offiziell geprüft seien. Eine Plakette dieser Art besagt unter Umständen nur, dass die Verdrahtung dieses Gerätes (inkl. Anschlusskabel und Stecker) unter Beachtung des Europäischen Elektrotechnischen Standards (CENELEC), bzw. einer nationalen Norm wie VDE (Verband Deutscher Elektrotechniker) erfolgt ist. Auch eine TÜV-Plakette sagt nichts über die Ladeeignung des Gerätes für ein bestimmtes Batterie-System. Bei Billig-Geräten dieser Art kann das Aufladen von Nickel-Metallhydrid-Batterien gefährlich sein oder zu unbefriedigenden Ergebnissen führen. Vorsicht auch bei Ladegeräten, die für andere Systeme entwickelt wurden (z.B. für Blei-Akkumulatoren).
 

Innovative Neuentwicklungen

Die neuste Akkuentwicklung ist der Lithium-Polymer-Akku, dessen Energiedichte mit etwa 150 Wh/kg um gut 20 Prozent höher liegt als die eines Li-Ionen-Akkus (zum Vergleich: Klassische Blei-Batterien haben eine Energiedichte von etwa 35 Wh/kg). Der Kern der Lithium-Polymer-Akkus ist nicht dabei flüssig, sondern besteht einem Gel aus noch geheim gehaltenen Substanzen. Lithium-Polymer-Akkus benötigen kein Metallgehäuse, sondern sind in wesentlich leichtere Folien aus Kunststoff zu integrieren. Die Akkus werden  bei gleicher Kapazität erheblich kleiner und machen wegen ihrer Flexibilität neue Geräte-Designs möglich.
Zur Zeit wird diese neue Akkutechnologie nur bei Handys und PDAs angewendet.
 

 L Die größten Irrtümer der Ladetechnik

Die größten Irrtümer der Ladetechnik G. Wiesspeiner

Einleitung:

Zwei Fragen sind so alt wie die Erfindung des Akkumulators:

Auf welche Weise kann das Ladeende bestimmt werden und welche Methode ist die beste um einen Akku aufzuladen. Mit der extensiven Nutzung von portablen Geräten wird die Forderung nach einer zuverlässigen Energiequelle immer deutlicher. Immer deutlicher wird auch, dass die bestehenden Ladeverfahren den Erwartungen nur sehr mangelhaft entsprechen.

Die Zielsetzung ist klar: Den Akkumulator innerhalb weniger Minuten problemlos aufzutanken, ohne sich sorgen zu müssen, ob er danach auch wirklich voll ist und gleichzeitig eine hohe Lebensdauer zu erreichen.

Einerseits sind die Lademethoden, mit denen diese Ziele erreicht werden sollen, oft so alt wie die Erfindung des Akkus selbst, und andererseits halten sich Dogmen, Kuriositäten und überlieferte Expertenweisheiten" die wissenschaftlich nicht haltbar sind.


1. IRRTUM: Der Akku ist ein spezifiziertes Bauelement

Der Akku unterliegt schon bei der Produktion großen Exemplarstreuungen durch ungenaue Zusammensetzung des Elektrolyten, der Elektrodenmaterialien und ihrer Konditionierung. Elektrochemisch reagiert die Zelle auf Druck, Temperatur und Konzentration. Dazu kommt ein Verhalten, welches von der Vorgeschichte, d.h. von den Lade/Entladezyklen, den dabei verwendeten Strömen, von derÜberladung/Tiefentladung, Standzeit, Verwendungsdauer, Wartezeit, etc. etc. etc.. abhängig ist. Der Akku verhält sich nicht wie ein spezifiziertes Bauelement, sondern eher so wie ein Individuum.


2. IRRTUM: 140% Laden ist notwendig

Allgemein wird angenommen, dass 40% Ladeverluste auftreten. Das Verhältnis zwischen Lade/Entladestrommenge sollte also 1.4:1 sein (vgl. 14h mit C/10 laden). Messungen an NC, NMH und Bleiakkus zeigen jedoch, dass bei richtiger Bestimmung des Abschaltzeitpunktes (Ladeende= Vollzustand) annähernd die gleiche Strommenge entnommen werden kann, die geladen wurde. Bei qualitativ hochwertigen Akkus beträgt sie 98-100%. Verlängerte Ladezeiten bringen keinen Kapazitätsgewinn sondern führen
nur zur Überladung und Schädigung des Akkus.


3. IRRTUM: Pulsladen

Es wird behauptet, daß das Laden mit kurzen und hohen Strompulsen, wie beim Pulsladen den Memoryeffekt verhindern und die Lebensdauer des Akkus erhöhen könne. Jedoch hat die Stromform beim Laden keine so hohe Bedeutung wie beispielsweise das Überladen. Ungünstig ist die quadratisch höhere Verlustleistung (Pv = I2x R). Dementsprechend entstehen bereits bei einem Puls/Pausenverhältnis von 1:3 die neunfach höheren Energieverluste. Hohe Stromimpulse belasten den Akku


4. IRRTUM: Reflexladen

Dem Reflexladen (= neg. Entladeimpulse während des Ladens) werden wundersame Effekte zugebilligt. Der positive Effekt wird damit erklärt, dass angeblich damit

a) die Gasung verhindert
b) einer Überladung vorgebeugt
c) die Dendritenbildung verhindert
d) der
MemoryEffekt vermieden und
e) die Lebensdauer erhöht werden sollte.


Es gibt mehrere Gründe, die aus physikalischen und elektrochemischen Grundprinzipien berechtigte Zweifel an diesen Erklärungen aufkommen lassen.

1) Gasung tritt erst bei Überladung auf. Die negativen Stromimpulse werden aber von Anbeginn und während der gesamten Ladezeit angewendet.
2) Gasblasen sind hochohmig. Kurze, hohe Ströme können nur durch die niederohmigen
Strompfade des Elektrolyten und nicht durch die hochohmigen Gasbläschen fließen.
3) Gase lassen sich nicht in wenigen Millisekunden in wässrige Elektrolyte zurückwandeln.
4) Die elektrische Zeitkonstante ist so hoch, dass kurze Stromimpulse an der Faraday'schen Kapazität des Akkumulators geglättet werden und so nicht mehr in Erscheinung treten. Der Effekt des Reflexladens beruht daher im Wesentlichen auf einer Reduktion des mittleren Ladestromes bei gleichzeitig erhöhter Ripple- bzw. Wechselimpuls-Strombelastung. Die Lebensdauer wird dadurch nicht erhöht. Letztendlich bleibt nur der viel größere technische Aufwand in der Leistungsstufe Energieverschwendung und Akkubelastung übrig. Reflexladen: Zweifelhafte Wirkung


5. IRRTUM: Schnell-Laden ist schädlich

Schnell-Laden von Akkus, d.h. mit höheren Strömen (bis zu 2C) zu laden, ist nicht schädlich, sondern kann bei richtiger Ladetechnik, die Lebensdauer der Akkus sogar beträchtlich erhöhen. Schädlich für die Akkus ist nur das Überladen mit hohen Überladeströmen. Es wurde der Nachweis erbracht, dass auch mit relativ hohen Ladeströmen (3 CA) über 5000 Ladezyklen auf gewöhnlichen NC-Akkus erreicht werden können.

Benötigt man Spezialtypen zum Schnell-Laden?

Wenn mit hoher Präzision sofort erkannt werden kann, wenn der Akku zu 100% aufgeladen ist, und jegliche Überladung verhindert wird, dann sind sämtliche derzeit üblichen NC- oder NMH- Akkus dafür geeignet, ohne dass diese schnelladefähig sein müssen. Schnellladen ist bei richtiger Anwendung sogar günstiger


6. IRRTUM: Laden kühlt

Ein besonderes Kuriosum stellt die Behauptung dar, dass durch besondere (geheimnisvolle) Mechanismen dafür gesorgt werden könne, dass beim Ladevorgang keine Erwärmung sondern eine Abkühlung des Akkus bewirkt werde.

Da die Ladeverluste prinzipiell geringer sind als die Entladeverluste ist die Erwärmung beim Laden geringer als beim Entladen, aber noch lange keine Abkühlung.

Ladeverluste führen immer zu einer Erwärmung


7. IRRTUM: Entladen verhindert den Memory-Effekt

Besonders hartnäckig hält sich das Dogma der Memoryeffekt" könne durch vorheriges Entladen verhindert werden. Der Memoryeffekt entsteht nicht wie der Name fälschlicherweise ausdrückt, in einem Gedächtniseffekt des Akkus, der sich die Entladetiefe merkt, sondern in der falschen Formierung der Elektroden durch Überladung. In der Praxis sieht es so aus, dass fast alle Ladegeräte, nicht erkennen können, wenn der Akku 100% voll ist, und daher auch bei jeder Ladung eine Überladung produzieren. Diese Überladung ist um so kräftiger, je weniger der Akku entladen war. Dementsprechend entsteht auch die Schädigung durch Überladung um so stärker je weniger der Akku entladen war. Diese Beobachtung wurde irrtümlicherweise als Memoryeffekt bezeichnet, hat aber mit Entlade-Gedächtnis nichts zu tun. Diese neue Erkenntnis wird dadurch bestätigt, dass der Memoryeffekt auch bei Akkus auftritt, die überhaupt niemals entladen wurden. Der Memory-Effekt merkt sich die Überladung.

8. IRRTUM: Den Memory-Effekt gibt es nur bei NC-Akkus

Allgemein wird von der Annahme ausgegangen, der Memoryeffekt trete nur bei NC-Zellen auf und dies sei auch sein größter Nachteil abgesehen vom Schwermetall. Insbesondere deswegen wurde auch die Entwicklung von NMH und Li-Ion forciert. Es ist anzunehmen, dass dieser Irrtum damit begründet ist, dass durch den sehr häufigen Gebrauch und die häufige Überladung von NC-Akkus im praktischen Einsatz das Phänomen des Memoryeffektes sehr deutlich zu Tage gebracht hat. Durch den häufigen Gebrauch wird seit kurzem auch bei NMH, Li-Ion und sogar bei Bleiakkus das gleichartige Memoryeffektverhalten beobachtet. Zur Vermeidung des Memoryeffektes ist es also unbedingt notwendig ein Ladeverfahren einzusetzen, das von der Akkutype weitestgehend unabhängig ist und unter keinen Umständen eine schädliche Überladung verursacht. Der Memoryeffekt tritt auch bei Pb, NMH und Li-Ion-Akkus auf!


9. IRRTUM: Batteriemanagementsysteme haben keine Probleme

Batteriemanagementsysteme, nach der Methode der Kapazitätsbalance, messen Ladestrom und Entladestrom und ergänzen die Entladestrommenge durch eine entsprechende (100 - 140%ige) Ladestrommenge. Diese, nur auf den ersten Blick, einleuchtende Methode kann weder die Überladung der Batterie noch den vollständigen Entladung verhindern, da nicht festgestellt wird, wann die Batterie wirklich voll ist. In den Pausenzeiten treten Leckströme auf und Selbstentladung, die ebenfalls in der Ladungsbilanz erfasst werden müsste aber auf Grund des Temperatureinflusses weitestgehend unbestimmt ist. Ebenfalls unbestimmt und großen Exemplarstreuungen unterliegt der Wirkungsgrad der Ladung. Zur Sicherheit muss eben überladen werden, was gegenüber den herkömmlichen Ladeverfahren keinen nennenswerten Vorteil bringt, weil auch hier der Akku nach einiger Zeit ausfällt. Die Kapazitätsbalance erkennt nicht den vollen Akku


10. IRRTUM: Es gibt kein optimales Ladeverfahren

Die herkömmlichen Abschaltkriterien verlangen Konstantstrom für die Nickel Zellen, wogegen für Blei, Alkali-Mangan, Li-Ion Konstantspannung die Methode der Wahl ist. Das stellt den Entwickler von portablen Geräten vor die schwierige Entscheidung sich mehr oder weniger unwiderruflich auf ein bestimmtes Ladeverfahren für eine vorbestimmte Batterietechnologie festzulegen. Er hat dabei die Qual der Wahl:

Bekannte Technologie mit bekannten Problemen (und Lösungen), oder neue Technologie mit neuen Problemen.

Timer- und temperaturgesteuerte Ladeverfahren führen zu starker Überladung der Akkus. Trotz gegenteiliger Beschreibung kann auch das V -Verfahren (Delta Peak) die Überladung nicht verhindern. Die Abschaltung im Deflection Point" (2.Ableitung = 0) erfolgt zu früh wenn der Akku noch nicht voll ist. Die spannungsgeführten Lademethoden sind überkritisch von anderen Bedingungen (Type, Elektrolyt, Temperatur, Strom, Alterung, usw..) abhängig und daher sehr unzuverlässig.
Charakterisierend für die derzeitigen Lademethoden sind die sattsam bekannten Probleme unvollständig geladener, unbrauchbar müder", oder kaputter Akkupacks, die bereits nach wenigen Wochen/Monaten auftreten. Besitzer von Notebook's oder Handy's stellen fest, dass auch bei Batteriemanagement-systemen die Akkupack's davon nicht verschont werden. Die reale Welt ist, mit einem ständigen Blick auf die Kapazitätsanzeige, von der Sorge begleitet, ob das akkubetriebene Gerät die erforderliche Betriebszeit wohl auch erreichen oder durchstehen wird.

Gibt es also wirklich keine optimale Ladetechnik?

Durch Anwendung völlig neuer Methoden in Analogie zu lebenden Systemen (Adaptation, Modellbildung, Musteranalyse), kann nun für alle Akkutypen unterschiedlichster Technologie (NC, NMH, Li-Ion, Pb,..) der 100%-Volladezustand bestimmt werden. Dies wurde möglich, weil erstmals mit Hilfe eines Wechselstromersatzschaltbildes die Vorgänge im Inneren der Zelle (Elektrode-Elektrolyt Übergang, Innere Impedanz,) berechnet werden (CCS-Prinzip).

Das mit dem Innovationspreis ausgezeichnete CCS Ladeverfahren (CCS=Computerized

Charging System) ist eine neue und weltweit einzigartige Methode zum Laden von Akkus, insbesondere um ursächlich den 100% Voll-Zustand eines Akkus zu erkennen.

Durch komplexe Wechselstromrechnung wird der Zustand im Inneren des Akkus bestimmt. Obwohl prinzipiell nur an den Anschlussklemmen gemessen werden kann, wird mit Hilfe eines elektrischen Ersatzschaltbildes der Vorgang zwischen Elektrode und Elektrolyt berechnet. Aus der digitalen Musteranalyse dieser inneren Impedanz lässt sich mit äußerster Präzision bestimmen, wann der Akku exakt zu 100% vollgeladen ist.

Durch diese wissenschaftliche Methode ergeben sich gegenüber allen anderen Lademethoden eine Reihe von Vorzügen, die im Folgenden dargestellt werden.


Akkutype:

Die Art der Erkennung der 100%igen Ladung ist von Akkutype und -art unabhängig. Die Methode ist in genau identischer Weise und Ausführung für NC, NMH, Pb, LiIon, NiFe, Alkali und dergleichen anwendbar. Mit ein und demselben Ladegerät können Akkus unterschiedlichster Technologie geladen werden und die Festlegung der Akkutechnologie ist unkritisch, weil ein vorhandenes CCS-Ladegerät weiterbenützt werden kann.

Präzision:
Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit ist von äußeren Einflüssen wie Temperatur, Alterung, Exemplarstreuung usw. unabhängig!

Memory-Effekt:
Ein Memory-Effekt tritt nicht auf! Zeitraubendes und energieschluckendes Entladen vor dem Laden ist dabei nicht nötig.

Stabilisierung:
Vom Funktionsprinzip her, benötigt die CCS-Methode keine Stromtabilisierung. Erstmalig können Stromschwankungen aus alternativen Energiequellen (z.B. Solarstrom, Dynamo) ohne Stabilisierungsverluste akzeptiert werden.

Temperatur:
Untersuchungen haben gezeigt, dass das CCS-Abschaltkriterium auch unter extremen Temperaturbedingungen (-20° bis +70°C) ohne Einschränkung gültig ist.

Sicherheit:
Es sind keine zusätzlichen Schutzmechanismen wie z. B. Temperaturabschaltung, Zeitabschaltung o. dgl. erforderlich. Selbst defekte Zellen oder irrtümlich eingelegte Primärbatterien werden sicher abgeschaltet.

Lebensdauer:
Mit dem Einsatz des neuen CCS-Verfahrens wird die Lebensdauer der Akkus auch bei extrem hohen Ladeströmen deutlich verlängert (nachweislich über 5000 Schnellladezyklen bei NC ohne nennenswerten Kapazitätsverlust = 15 Jahre Lebensdauer). Alte und unbrauchbar "müde" Akkus werden automatisch regeneriert.

Umwelt:
Problemlösung durch Abfallvermeidung & Recycling

Realität:
Die o. a. angeführten Vorteile sind nicht nur Wunschvorstellung oder graue Theorie, sondern in Form von CCS-Ladecontroller-IC's, Modulen oder Fertiggeräten realisiert und seit Jahren im Einsatz.

Evaluation:
Die Funktion der CCS-Ladetechnik ist für jedermann einfach überprüfbar. Mit Hilfe von Evaluation-Boards kann der applikationsspezifische Einsatz der verschiedenen Chips unter realistischen Bedingungen getestet werden. Für Laboranwendungen wurde ein High-End Gerät, der CCS-Superlader, vorgestellt, der nicht nur Ladefunktionen für alle Akku-Technologien von der Knopfzelle bis zur Autobatterie besitzt, sondern auch alle anderen Funktionen aufweist, die der Entwicklungsingenieur für batteriebetriebene Stromversorgungen benötigt. Messung der Akkukapazität, Restenergiemenge, Ladeeffizienz, Konditionierung und Regenerierung sowie Ausheilung der aktiven Masse sind unentbehrliche Hilfsmittel zur Beurteilung des Akkuzustandes, vor allem im Zusammenhang mit seiner Funktion als Stromversorger eines bestimmten Gerätes. Die digitalen Interfaces ermöglichen den Aufbau von vollautomatischen Mess- und Prüfplätzen mit entsprechender Dokumentation der Messergebnisse und Testserien.

Verlässlichkeit:
CCS-Geräte werden bei Anwendungen mit höchsten Anforderungen an die Zuverlässigkeit eingesetzt und haben sich mittlerweile mehr als 100.000fach bewährt

Erfahrung:
Die Anwendung der neuen Erkenntnisse vermeidet praktisch alle Probleme bei der Ladung von Akkus. Es kann damit gezeigt werden, dass die Akkus wesentlich besser sind als ihr Ruf und, dass vor allem die "AKKU-KILLER", d. h. die derzeit verwendeten, ungenügenden und laienhaften Lademethoden sind, welche die zur Genüge bekannten Akku- und Ladeprobleme verursachen. Daher kann zusammengefasst werden: 

Es gibt ein optimales Ladeverfahren: CCS

Verfasser: Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gerhard Wiesspeiner

Technische Universität Graz, Institut für Elektro- und Biomedizinische Technik
Ludwig Boltzmann Institut für Technische Lebenshilfen
Tel: ++43/316/873-7392
Fax: ++43/316/46 53 48
Email:WP@BMT.TU-GRAZ.AC.AT

Ergänzende Informationen und Unterlagen: BTI - Büro für Technologie und Innovation
A-8010 Graz, Rudolfstraße 14, Tel.: ++43/316/32 60 31
Fax: ++43/316/38 18 08
D-82194 Gröbenzell, von Branca Straße 6b, Tel&Fax: ++49/8142/57 4 65
P. Schneider, D-65527 Niedernhausen, Lenzenbergstr. 18, Tel&Fax: ++49/6127/58 23

 

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