Der Akku hat in den letzten Jahren eine enorme Beliebtheit erlangt und gehört nun zu den weitverbreitetsten Energiespeicherlösungen. Er wird nicht nur in der Unterhaltungselektronik, mobilen Werkzeugen und unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen verwendet, sondern auch in Elektrofahrzeugen und bei der Speicherung erneuerbarer Energien. Die unterschiedlichen Eigenschaften der verschiedenen Akkutypen stellen jedoch Verbraucher und Ingenieure vor technische Herausforderungen bei der Auswahl von Akkus und Ladegeräten. In diesem Artikel werden die Unterschiede zwischen zwei der gängigsten Typen, nämlich Bleisäure- und Lithium-Akkus, sowie die Auswahl eines geeigneten Ladegeräts erörtert.
Nachteile von Blei-Säure-Akkus: Selbstentladungsrate und Gewicht
Abb. 2: 2-Stufenladung (Foto: FORTEC Power GmbH)
Blei-Säure-Akkus sind aufgrund ihrer hohen Stoßstromfähigkeit und Toleranz bei der Ladespannung in verschiedenen Bereichen weit verbreitet. Sie werden häufig als Starterbatterien in Fahrzeugen und als Backup-Stromquellen in Notstromsystemen eingesetzt. Allerdings haben sie den Nachteil einer relativ kurzen Zyklenlebensdauer und einer hohen Selbstentladungsrate, was ihre Verwendung als Energiespeicher einschränkt.
Im Gegensatz zu Blei-Säure-Akkus weisen Lithium-Akkus eine viel längere Lebensdauer von etwa 1000 bis 3000 Ladezyklen auf. Zudem haben sie eine geringe Selbstentladung und eine hohe Energiedichte, wodurch sie sich ideal für die langfristige Energiespeicherung eignen. Abhängig vom Kathodenmaterial gibt es verschiedene Arten von Lithium-Akkus. Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) zeichnet sich durch seine hohe Energiedichte aus und wird daher häufig in der Unterhaltungselektronik verwendet. Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) hat hingegen eine längere Lebensdauer und eine relativ gute thermische Stabilität, was es zu einer besseren Option für Energiespeicherlösungen macht. Ein möglicher Nachteil von Lithium-Akkus ist jedoch ihre Brandgefahr bei Überhitzung, weshalb eine genaue Überwachung beim Laden und Entladen erforderlich ist.
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Verwendung von Hinweis-Spannung auf Bleisäureakkus erklärt
Abb. 3: Programmieroberfläche, HEP-1000-48, 3-Stufenladung (Foto: FORTEC Power GmbH)
Die Nennspannung einer einzelnen Bleisäurezelle liegt normalerweise zwischen 1,8 und 2,3 V DC. Um eine höhere Kapazität und eine übliche Ausgangsspannung von 12, 24 oder 48 V DC zu erreichen, werden in handelsüblichen Akkus mehrere Zellen in Reihe und parallel geschaltet. Die auf dem Akku angegebene Spannung (z.B. 12 V) dient lediglich als Orientierung, da sich die tatsächliche Spannung je nach verbleibender Kapazität ändert. Bei einer typischen 12 V Blei-Säure-Batterie liegt die Leerlaufspannung zwischen 10,8 V (30 % Kapazität) und 13,8 V (100 % Kapazität).
Warum der C-Koeffizient für die Akkuladung wichtig ist
Der C-Koeffizient beschreibt das Verhältnis zwischen dem maximalen Lade- oder Entladestrom und der Kapazität eines Akkus. Er ermöglicht einen Vergleich der Lade- und Entladeströme verschiedener Akkus. Ein C-Koeffizient von 1C bedeutet, dass der Akku innerhalb einer Stunde vollständig geladen oder entladen werden kann. Bei einem C-Koeffizienten von 0,3C dauert die Ladung des Akkus etwa 3 Stunden und 20 Minuten.
Die 3-Stufenladung wird empfohlen, um die hohe Selbstentladung von Blei-Säure-Akkus zu reduzieren. Der Ladezyklus beginnt mit einer Aufladung bei Konstantstrom, bei der das Ladegerät den Ausgangsstrom begrenzt und die Ausgangsspannung langsam erhöht. Sobald die maximale Ladespannung erreicht ist, schaltet das Ladegerät auf eine Konstantspannung um. Diese Ladetechnik gewährleistet eine optimale Ladung der Akkus und verhindert eine Überladung.
Das Ladegerät liefert eine stabile Ausgangsspannung und überwacht den Ladestrom. Sobald der Strom auf etwa 10 % des Nennladestroms abfällt, wechselt das Ladegerät in den Erhaltungsmodus. In dieser Phase reduziert das Ladegerät die Ausgangsspannung, um eine Überladung zu vermeiden. Obwohl der Akku fast vollständig geladen ist, nimmt er immer noch einen geringen Strom auf, um die Selbstentladung auszugleichen.
Abb. 4: Programmieroberfläche, HEP-1000-48, 2-Stufenladung (Foto: FORTEC Power GmbH)
Es ist wichtig zu beachten, dass Lithium-Akkus eine breite Palette von Nennspannungen haben, die von 3,2 V bis 4,4 V reichen. Diese Spannungen können je nach Hersteller und Material variieren. Lithium-Akkus können mit einem maximalen C-Koeffizienten von bis zu 1C geladen werden, was bedeutet, dass sie relativ schnell geladen werden können. Im Gegensatz zu Blei-Säure-Akkus benötigen Lithium-Akkus keine Erhaltungsladung, um ihren Ladezustand aufrechtzuerhalten. Sie werden oft mit einem zweistufigen Ladeverfahren ohne Erhaltungsladestufe geladen, um eine Überladung zu vermeiden.
Bei großen Lithium-Akkubänken kann die unterschiedliche Fertigungstoleranz der Zellen zu Problemen führen. Aufgrund des nicht perfekt abgestimmten äquivalenten Serienwiderstands (ESR) können Zellen in derselben Bank mit unterschiedlichen Spannungen oder Strömen geladen werden. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Alterung der Zellen, da diejenigen mit niedrigem ESR schneller vollständig geladen/entladen werden. Um dies zu vermeiden, ist es ratsam, große Lithiumbatteriebänke mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) auszustatten, das die Zellen überwacht und ausgleicht.
Das Ungleichgewicht der Ladung in den Zellen eines Akkus kann zu einer verringerten Lebensdauer und potenziell gefährlichen Situationen führen. Um diesen Problemen vorzubeugen, ist es ratsam, große Lithiumbatteriebänke mit Batteriemanagementsystemen (BMS) auszustatten. Diese Systeme überwachen den Ladezustand der Zellen und gleichen Ungleichgewichte entweder passiv oder aktiv aus, um die Lebensdauer des Akkus zu verlängern und die Sicherheit zu gewährleisten.
Das passive Batteriemanagementsystem (BMS) gleicht die Ladezustände der einzelnen Zellen aus, indem es die volleren Zellen mit Hilfe von Leistungswiderständen entlädt. Ein passives BMS ist vergleichsweise einfach zu konstruieren, jedoch weniger effizient und nicht so wirksam wie ein aktives BMS. Im Gegensatz dazu lädt das aktive BMS die Zellen einzeln auf, um die Ladezustände auszugleichen. Daher können einige Lithium-Akkubänke mit aktivem Ausgleichs-BMS nur AC/DC-Netzteile mit konstanter Spannung als Ladegerät verwenden.
Programmierbare Ladegeräte für individuelle Akkuoptimierung
Die programmierbaren Ladegeräte der Serien NPB-450/750/1200/1700, RPB-1600, RCB-1600, DBU-3200, DBR-3200, DRS-240/480, HEP-2300-55 und HEP-1000 von MEAN WELL bieten eine vielseitige Lösung für das Laden von Akkus mit unterschiedlichen Eigenschaften. Mit dem intelligenten Programmiergerät SBP-001 können die Ladekurven individuell angepasst werden, um eine optimale Ladeeffizienz und eine längere Lebensdauer der Akkus zu gewährleisten. Die benutzerfreundliche Schnittstelle ermöglicht eine einfache Handhabung und eine präzise Steuerung des Ladevorgangs.
Das HEP-1000-48 ist ein leistungsstarkes Konstantspannungsnetzteil, das eine Ausgangsspannung von 48 V DC und eine maximale Leistung von 1008 W bietet. Mit dem MEAN WELL Smart Charger Programmiergerät SBP-001 können Sie das HEP-1000-48 zu einem intelligenten Ladegerät umprogrammieren und so die Ladekurve an Ihre Bedürfnisse anpassen. Die voreingestellte Ladekurve besteht aus drei Stufen und ist speziell für Blei-Säure-Akkus optimiert. Sie können die Ladespannung und den Ladestrom individuell einstellen, um verschiedene Arten von Blei-Säure-Akkus optimal zu laden, im Bereich von 36 bis 60 V DC bzw. von 3,5 bis 17,5 A.
Durch die Programmieroberfläche des HEP-1000-48 ist es möglich, die Ladeeinstellungen von einer 3-Stufenladung auf eine 2-Stufenladung umzustellen, um Lithium-Akkus zu laden. Wenn beispielsweise eine 20 Ah LiFePO4-Batterie mit einer maximalen Ladespannung von 56 V DC geladen werden soll, können die Optionen „CV“ und „CC“ auf 56 V DC und 17,5 A eingestellt werden, um eine schnelle Ladung zu erzielen. Der Benutzer hat auch die Möglichkeit, den Ladestrom zu verringern, um eine übermäßige Erwärmung zu vermeiden, und die Ladespannung zu senken, um eine Überladung des Akkus zu verhindern.
Schonendes Laden von Blei- und Lithium-Akkus mit MEAN WELL Ladegeräten
MEAN WELL bietet programmierbare Ladegeräte, die eine anpassbare Ladekurve ermöglichen, um Blei- oder Lithium-Akkus optimal zu laden. Die genaue Einstellung der Ladespannung und des Ladestroms ermöglicht den Schutz der Akkus, eine effiziente Nutzung ihrer Kapazität und eine Verlängerung ihrer Lebensdauer.
