Der Akku hat sich in den letzten Jahren als eine der beliebtesten Energiespeicherlösungen etabliert. Er findet Anwendung in verschiedenen Bereichen wie Unterhaltungselektronik, mobilen Werkzeugen, Stromversorgungssystemen und erneuerbaren Energien. Die Auswahl des richtigen Akkus und Ladegeräts stellt jedoch Verbraucher und Ingenieure vor Herausforderungen aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der verschiedenen Akkutypen. In diesem Artikel werden die Unterschiede zwischen den gängigen Typen Bleisäure- und Lithium-Akkus sowie die Auswahl eines geeigneten Ladegeräts erläutert.
Inhaltsverzeichnis: Das erwartet Sie in diesem Artikel
Vor- und Nachteile von Blei-Säure-Akkus im Überblick
Abb. 2: 2-Stufenladung (Foto: FORTEC Power GmbH)
Blei-Säure-Akkus sind aufgrund ihrer hohen Toleranz bei der Ladespannung und Stoßstromfähigkeit sehr beliebt. Sie werden häufig in der Fahrzeugindustrie als Starterbatterie eingesetzt, da sie auch bei extremen Temperaturen zuverlässig funktionieren. Allerdings haben sie einen Nachteil: Sie entladen sich relativ schnell und haben eine begrenzte Lebensdauer, was sie weniger geeignet für die Speicherung erneuerbarer Energien macht.
Im Vergleich zu Blei-Säure-Akkus weisen Lithium-Akkus eine deutlich längere Zyklenlebensdauer von ungefähr 1000 bis 3000 Ladezyklen auf. Zudem haben sie eine geringe Selbstentladung und eine hohe Energiedichte. Daher eignen sie sich hervorragend für die langfristige Speicherung von Energie. Es gibt verschiedene Arten von Lithium-Akkus, abhängig vom Kathodenmaterial. Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) bietet eine hohe Energiedichte und wird daher in der Unterhaltungselektronik häufig verwendet. Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) hat eine längere Lebensdauer und eine gute thermische Stabilität, wodurch es sich besser für Energiespeicherlösungen eignet. Ein Nachteil von Lithium-Akkus ist jedoch ihre Brandgefahr bei Überhitzung, weshalb sie beim Laden und Entladen sorgfältig überwacht werden müssen.
Nennspannung von Bleisäurezellen und deren Variation
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. Für einen optimalen Ladevorgang wird ein C-Koeffizient von 0,1C bis 0,3C empfohlen. 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 Angabe der Spannung auf dem Akku (z.B. 12 V) dient lediglich als Hinweis auf den Spannungsbereich, da die tatsächliche Spannung von der verbleibenden Kapazität abhängt. Eine typische 12 V Blei-Säure-Batterie hat eine Leerlaufspannung zwischen 10,8 V (30 % Kapazität) und 13,8 V (100 % Kapazität).
Was ist der C-Koeffizient und wie wird er berechnet?
Der C-Koeffizient, auch bekannt als C-Faktor oder C-Rate, gibt das Verhältnis zwischen dem maximalen Lade- oder Entladestrom und der Kapazität des Akkus an. Dies 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 minimieren. Der Ladezyklus beginnt mit der Aufladung bei Konstantstrom, bei der das Ladegerät den Ausgangsstrom begrenzt und die Ausgangsspannung langsam erhöht. Sobald die maximale Ladespannung erreicht ist, wechselt das Ladegerät zur Konstantspannung. Dieses Ladeverfahren sorgt für eine optimale Ladung und verhindert eine Überladung der Akkus.
Das Ladegerät regelt die Ausgangsspannung auf das Maximum und überwacht den Ausgangsstrom. Wenn der Ladestrom auf etwa 10 % des Nennladestroms fällt, wechselt das Ladegerät in die Erhaltungsladestufe. In dieser Phase wird die Ausgangsspannung des Ladegeräts gesenkt, um eine Überladung zu verhindern. Obwohl der Akku zu diesem Zeitpunkt fast vollständig geladen ist, zieht er weiterhin Strom vom Ladegerät, um die Selbstentladung auszugleichen.
Abb. 4: Programmieroberfläche, HEP-1000-48, 2-Stufenladung (Foto: FORTEC Power GmbH)
Lithium-Akkus haben eine breite Palette von Nennspannungen, die von 3,2 V bis 4,4 V reichen. Sie 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 können Lithium-Akkus keine zu hohe Ladespannung tolerieren und erfordern keine Erhaltungsladung. Stattdessen werden sie normalerweise mit einem zweistufigen Ladeverfahren geladen, um ihren Ladezustand aufrechtzuerhalten.
Die unterschiedliche Fertigungstoleranz der Zellen in großen Lithium-Akkubänken kann zu einem Problem werden. Diese Unterschiede führen dazu, dass die Zellen in derselben Bank mit unterschiedlichen Spannungen oder Strömen geladen werden können. Insbesondere die Zellen mit niedrigem äquivalentem Serienwiderstand (ESR) werden schneller vollständig geladen/entladen und altern daher schneller. Dies kann zu einem vorzeitigen Ausfall dieser Zellen führen und die Lebensdauer des Akkus insgesamt verkürzen.
Eine ungleiche Verteilung der Ladung in den Zellen eines Akkus kann zu einer verkürzten Lebensdauer führen und birgt ein Sicherheitsrisiko. Um dieses Problem zu lösen, empfiehlt es sich, große Lithiumbatteriebänke mit Batteriemanagementsystemen (BMS) auszustatten. Diese überwachen den Ladezustand der Zellen und gleichen Ungleichgewichte entweder passiv oder aktiv aus.
Das passive Batteriemanagementsystem (BMS) entlädt die volleren Zellen durch Leistungswiderstände, um die Ladezustände der einzelnen Zellen auszugleichen. Es ist einfach zu konstruieren, aber nicht sehr effizient und weniger wirksam. Im Gegensatz dazu lädt das aktive BMS die Zellen einzeln auf, um die Ladezustände auszugleichen. Da das aktive BMS die Ladesteuerung für jede Zelle übernimmt, benötigen einige Lithium-Akkubänke mit aktivem Ausgleichs-BMS nur AC/DC-Netzteile mit konstanter Spannung als Ladegerät.
Individuelle Anpassung der Ladekurve für optimale Akkuleistung
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 mit dem intelligenten Programmiergerät SBP-001 ermöglichen eine individuelle Anpassung der Ladekurve, um eine optimale Leistung und Sicherheit für Akkus mit unterschiedlicher Zusammensetzung und von verschiedenen Herstellern zu gewährleisten. Diese Ladegeräte bieten eine benutzerfreundliche Schnittstelle und eine hohe Flexibilität, um die Ladespannung und den Ladestrom entsprechend den Anforderungen anzupassen und somit die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Akkus zu verbessern.
Das HEP-1000-48 ist ein zuverlässiges Konstantspannungsnetzteil mit einer Ausgangsspannung von 48 V DC und einer maximalen Leistung von 1008 W. Mit dem MEAN WELL Smart Charger Programmiergerät SBP-001 kann das HEP-1000-48 zu einem intelligenten Ladegerät umprogrammiert werden. Es verfügt über eine Standard-Ladekurve mit drei Stufen, die speziell für typische Blei-Säure-Akkus entwickelt wurde. Die Boost-Ladespannung beträgt 57,6 V DC und die Floating-Ladespannung 55,2 V DC. Je nach Bedarf können die Ladespannung und der Ladestrom für verschiedene Arten von Blei-Säure-Akkus im Bereich von 36 bis 60 V DC bzw. von 3,5 bis 17,5 A eingestellt werden.
Mit Hilfe der Programmieroberfläche des HEP-1000-48 können die Ladeeinstellungen von einer 3-Stufenladung auf eine 2-Stufenladung umgestellt werden. Dadurch ist es möglich, auch Lithium-Akkus mit dem Ladegerät zu laden. Um beispielsweise eine 20 Ah LiFePO4-Batterie mit einer maximalen Ladespannung von 56 V DC zu laden, können die Optionen „CV“ und „CC“ auf 56 V DC und 17,5 A eingestellt werden, um eine schnelle Ladung zu erreichen. Der Benutzer hat außerdem die Möglichkeit, den Ladestrom zu reduzieren, um eine übermäßige Erwärmung zu vermeiden, sowie die Ladespannung zu senken, um eine Überladung des Akkus zu verhindern.
Maßgeschneiderte Ladekurven für optimales Akku-Laden mit MEAN WELL
Die programmierbaren Ladegeräte von MEAN WELL ermöglichen eine maßgeschneiderte Anpassung der Ladekurven, um Blei- oder Lithium-Akkus optimal zu laden. Durch die individuelle Einstellung der Ladespannung und des Ladestroms werden die Akkus geschützt, ihre volle Kapazität genutzt und ihre Lebensdauer verlängert.
