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Akkumulatoren

*

Die einzelnen Akku-Systeme im Vergleich

Ich habe mal die wichtigsten Systeme miteinander verglichen, die aber von Her-
steller zu Hersteller und Baujahr unterschiedlich sein können.

Pb / Blei
Vorteile - ausgereifte und robuste Technik
- einfache Ladetechnik
- hochstromfähig
- sehr gutes Preis-Leistungsverhältnis
- recyclingfähig
Nachteile - sehr geringe Energiedichte (Verhältnis Kapazität zu Gewicht)
- hohes Gewicht
- schwermetallhaltig
   
Ni-Cd / Nickel-Cadmium
Vorteile - sehr gute Verfügbarkeit
- ausgereifte und robuste Technik
- auch bei niedrigen Temperaturen gut geeignet
- hohe Zyklenzahl
- Hochstrom-entladefähig
- ultraschnell-ladefähig
- große Auswahl an Baugrößen
- breites Kapazitätsspektrum
- gutes Preis-Leistungsverhältnis
- recyclingfähig
Nachteile - geringe Energiedichte (Verhältnis Kapazität zu Gewicht)
- möglicher Memory-Effekt, bei neuerer Bauart sehr reduziert
- schwermetallhaltig (Cadmium, Quecksilber)
   
Ni-MH / Nickel-Metall-Hydrid
Vorteile - gute Verfügbarkeit
- sehr hohe Energiedichte (Verhältnis Kapazität zu Gewicht)
- bei neuerer Bauart auch Hochstrom-entladefähig
- bei neuerer Bauart auch ultraschnell-ladefähig
- bieten mehr Kapazität als gleichgroße Ni-Cd-Typen (siehe unten)
- kein Memory-Effekt
- gutes Preis-Leistungsverhältnis
- frei von toxischen Schwermetallen
Nachteile - eingeschränkter Temperaturbereich
- nicht alle sind Hochstrom-entladefähig
- sensibler im Lade- und Entladeverhalten
- relativ hoher Ladekontrollaufwand
- hohe Selbstendladung
- etwas teurer als Ni-Cd
- nicht recyclebar

Zusammenfassend kann man sagen, dass im Modellbau derzeit eigentlich nur noch Ni-Cd und Ni-MH zum Einsatz kommen. Der Akku der Zukunft könnte der Lithium-Akku (Lithium-Ionen [LiIon] oder Lithium-Polymer [LiPo]) werden.

Akku-Packs grundsätzlich nur aus Zellen gleicher Größe, Kapazität,
Hersteller und System (Ni-Cd / Ni-MH) zusammenstellen!

Um Akku-Packs zusammenzustellen, sollte man die Akkus auch selektieren oder gleich selektiert kaufen. Dabei werden die einzelnen Zellen nach Spannungslage, Innenwiderstand und Kapazität vermessen, sortiert und entsprechend zu Akku-
Packs zusammengestellt.
Man sollte Akkus für Akku-Packs selektieren, damit möglichst geringe Unterschie-
de zwischen den einzelnen Akkus bestehen (siehe unten, Tiefentladung).

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Vergleich der Nennkapazitäten

Unter der Nennkapazität (C) in mAh (milli-Ampere-Stunde) oder Ah (Ampere-
Stunde) versteht man die Menge der elektrischen Ladung, die eine Zelle speichern kann.

Ein Akku mit z.B. 1100mAh kann bei idealer Umgebungstemperatur (ca. 20C) einen Strom von

I (in mA) = C (in mAh) / h (in Stunden)

oder einen bestimmten Strom für eine Anzahl von Stunden

h (in Stunden) = C (in mAh) / I (in mA)

abgeben.

Daraus ergäbe sich bei einer Nutzungsdauer von

einer Stunde ein Strom von I = 1100mAh / 1h = 1100mA
oder bei fünf Stunden ein Strom von I = 1100mAh / 5h = 220mA

oder bei einem vorgegebenen Strom von

550mA eine Nutzungsdauer von h = 1100mAh / 550mA) = 2h = 2 Stunden
oder bei 2000mA eine Nutzungsdauer von h = 1100mAh / 2000mA) =
= 0,55h
= 0,55 Stunden

Die Kapazität nimmt bei Temperaturen unter 15C und über 30C deutlich ab.

Akkus verfügen je nach System, Typ und Hersteller über recht unterschiedliche Nennkapazitäten (Stand November 2007).

  Typ
ANSI
(ALT)
Typ
IEC
(NEU)
Ni-Cd  /  Ni-MH
Kapazität
in mAh

Ni-Cd / Ni-MH
Abmessungen
in mm
Micro  AAA  KR03  HR03   350   1200 H 44   Ø 10
Mignon  AA  KR6  HR6 1100   2900 H 50   Ø 14
Baby  C  KR14  HR14 3000   6000 H 50   Ø 25
Mono  D  KR20  HR20 5000 11500 H 61   Ø 33
Sub-C *  SC  KR23/43  HR23/43 2400   4300 H 43   Ø 23

* Sonderbauform
   - teilweise Hochstrom-entladefähig
   - teilweise schnellladefähig
   - mit Z-Lötfahnen

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Ladung von Akkus

Akkus können je nach nach System und Hersteller auf unterschiedliche Arten geladen werden.

C = Nennkapazität der Zelle

Normalladen:
  Ladestrom = 0,1 C
Überladung relativ unkritisch
Ladezeit: 12 - 16 Stunden
Beschleunigtes Laden:
  Ladestrom = (0,2 - 0,5) C
um Überladung zu verhindern mit Timer abschalten
Ladezeit: 3 - 6 Stunden
Schnellladen:
  Ladestrom = (0,5 - 2,0) C
um Überladung zu verhindern mit Timer, Temperatursensor oder spannungsab-
hängig abschalten
Ladezeit: 1 - 3 Stunden
Ultraschnellladen:
  Ladestrom = ca. 6 C
die Abschaltautomatik ist dabei nicht im Ladegerät, sondern direkt im Akku inte-
griert
Ladezeit: max. 15 Minuten
Erhaltungs-Ladung:
  Ladestrom max. = 0,03 C
Memory-Effekt durch Überladung möglich
 

Ein Beispiel für beschleunigtes Laden bei einem Akku mit einer Nennkapazität von 1000mAh:

ILaden = 0,5 C = 0,5 1000mA = 500mA = 0,5A

Mit dem eben berechneten Ladestrom ergeben sich folgende Ladezeiten:

Ni-Cd

t = (C / I) 1,4 = (1000mAh / 500mA) 1,4 = 2,8h = 2,8 Stunden

Ni-MH

t = (C / I) 1,5 = (1000mAh / 500mA) 1,5 = 3h = 3 Stunden

Das Schnellladen ist aber mit einer gewissen Vorsicht zu genießen. Denn nicht jeder Akku ist für die Schnellladung ausgelegt. Es sind daher unbedingt die Her-
stellerangaben des jeweiligen Akkus zu beachten.

Ich persönlich bin kein Freund der Schnell- oder Ultraschnellladung. Meine Ein-
stellung: lieber etwas langsamer - aber dafür ordentlich. Ich halte die langsame-
re Ladung grundsätzlich auch für schonender. Und man kann die Akkus nach der Ladung wenigstens auch noch anfassen, ohne sich gleich die Finger zu verbren-
nen.

Es gibt folgende Typen von Ladegeräten:

- Standard
die Akkus werden unabhängig von ihrer Restkapazität mit einem bestimm-
ten Ladestrom geladen
nach beendeter Ladung erfolgt keine automatische Abschaltung!
es muss daher nach berechneter Ladezeit die Abschaltung manuell erfol-
gen
durch Überladung und Überhitzung kann sich die Lebensdauer eines Akkus erheblich verringern!
- Timer
hierbei wird der Ladestrom nach einer bestimmten Zeit automatisch ab-
geschaltet
Ladezeiten und Ladeströme sind für die unterschiedlichen Akkugrößen fest voreingestellt
ein gefährliches Überladen ist damit fast ausgeschlossen
- Mikro-Prozessorgesteuerte
diese Geräte erkennen den Akku-Typ und seinen Ladezustand und passen dementsprechend den Ladestrom individuell an
sie überwachen (z.B. Spannungsverlauf am Akku, Temperatur) ständig den Ladevorgang
einige dieser Geräte verfügen über spezielle Akku-Pflegeprogramme:
- automatischer Akkutest
- automatische Umschaltung auf Erhaltungsladung nach Ladeende
- Entladefunktion
- Auffrischen / Regenerieren (mehrmaliges Laden und Entladen zur Rege-
   neration der Zelle)

Grundsätzlich ist aber immer darauf zu achten, dass die einzelnen Systeme (Pb, Ni-Cd und Ni-MH) gegebenenfalls unterschiedliche Ladegeräte benötigen. Die Investition in ein gutes Ladegerät rechnet sich durch die längere Nutzungsdauer der Akkus allemal.

Nach dem Kauf oder längerer Lagerung sollte man ca. drei Zyklen (3 x Entladen / Laden) durchführen, um die volle Leistungsfähigkeit der Zellen zu erreichen.

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Hochstromfähig / Hochstrom-entladefähig

Unter einem Akku der Hochstromfähig / Hochstrom-entladefähig ist, versteht man einen Akku, der einen geringen Innenwiderstand Ri hat und somit einen hohen Entlade- / Laststrom abgeben kann.

mit:
UKl = äußere abgreifbare Spannung in V Volt  
U0 = innere Spannung in V Volt  
I = Laststrom in A Ampere  
Ri = Innenwiderstand in mΩ milli-Ohm  

Aus der Formel kann man ersehen:
je kleiner der Innenwiderstand Ri, desto kleiner der Spannungsabfall im Akku.

Hochstrom-entladefähige Akkus können je nach System

- Pb 0,2C sind üblich, kurzzeitig bis 1C möglich
- Ni-Cd 10C bis 30C; Innenwiderstand Ri ca. 5mΩ
- Ni-MH 5C bis 15C

und Typ Dauerströme bis zu 30A und Kurzzeitströme bis zu 80A abgeben.

Nicht Hochstromfähige / Hochstrom-entladefähige Akkus können je nach System (Ni-Cd und Ni-MH) und Typ Ströme bis zu 3C oder 4A abgeben.

Für mich machen die Akkus, die Hochstrom-entladefähig sind, nur für Baumaschi-
nen oder dergleichen Sinn. Denn nur dort werden kurzzeitig wirklich hohe Ströme benötigt.

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Der Tod jedes Akkus

Es gibt viele Möglichkeiten einen Akku in die ewigen Jagdgründe zu schicken. Eine kleine Auswahl:

Pb
  • weite Entladung oder sogar Tiefentladung:
    man riskiert einen Kurzschluss
  • ständiges Arbeiten mit einem halbvollen Akku:
    die Kapazität sinkt langsam ab
  • überladen:
    der Akku beginnt zu gasen und verliert Wasser
    auch Kurzschlüsse können auftreten
  • laden mit zu hohem Strom:
    es treten die gleichen Effekte wie bei der Überladung auf
Ni-Cd
  • tiefenentladen eines Akkupacks:
    dadurch werden die schwächsten Zellen umgepolt und dauerhaft zerstört
  • nachladen ohne Entladung:
    die Zelle verliert relativ schnell ihre Kapazität durch den Memory-Effekt man kann das durch mehrmaliges entladen (einzelner Zellen!) und Nach-
    laden wieder reparieren
  • überladen mit hohen Strömen:
    die Zelle wird durch Gasung zerstört, das Sicherheitsventil kann anspre-
    chen
  • lange Lagerung von vollgeladenen Ni-Cd Akkus:
    durch chemische Prozesse "frisst" sich der Akku ganz langsam selbst auf
Ni-MH
  • mit zu hohen Strömen entladen:
    die Zellen werden durch große Hitzeentwicklung zerstört
  • tiefenentladen eines Akkupacks:
    dadurch werden die schwächsten Zellen umgepolt und dauerhaft zerstört
  • überladen:
    selbst geringe Überladung kann die Zelle schädigen
  • Lagerung von leeren Ni-MH Zellen:
    die Zelle zerstört sich chemisch selbst

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Tiefentladung

Bei der Tiefentladung eines Akku-Packs (z.B. bei Ni-Cd, Entladen unter 0,85V / Zelle) kann sich die Polarität einer Zelle umkehren. Im Lauf der Zeit (zyklisches Laden / Entladen) oder auch durch Kapazitätsstreuung bei der Zellenherstellung bilden sich unterschiedliche Kapazitäten der einzelnen Zellen im Pack. Mit ande-
ren Worten: Die schwächste Zelle im Akku-Pack erreicht die Entlade-
schlussspannung früher als die anderen Zellen
. Darauf folgt eine Tiefent-
ladung für diese Zelle und somit besteht die Möglichkeit einer Umpolung. Diese Polaritätsumkehr wird noch forciert, wenn man bei Akkus ständig versucht, Strom zu entnehmen, obwohl sie eigentlich schon leer sind.
Es empfiehlt sich daher bei längerer Nichtbenutzung, die Akkus immer von dem Gerät / Verbraucher zu trennen.

Ein Akkusatz ist leer, sobald ein Leistungseinbruch spürbar ist. Fährt man sein Modellfahrzeug weiter, bis es stehen bleibt, kann man sich ziemlich sicher sein, dass man die Akkus bereits geschädigt hat!

Unter der Enladeschlussspannung versteht man die Spannung, ab der die Ent-
ladegrenze des Akkus erreicht ist. Der Akku darf niemals unter diese Spannung entladen werden!

Entladeschlussspannungen:

- Pb 1,75V pro Zelle
- Ni-Cd 0,85V pro Zelle
0,9V pro Zelle; mit Reserve bei Akkupacks, siehe oben
- Ni-MH 0,85V pro Zelle
0,9V pro Zelle; mit Reserve bei Akkupacks, siehe oben

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Memory-Effekt - Lazy-Battery-Effekt

Bei den Ni-Cd-Akkus versteht man unter dem Memory-Effekt (Memory = engl. Erinnerung) den Vorgang, dass sich ein Akku bei unvollständiger Entladung diesen Zustand merkt / "speichert" und bei vorzeitigem Laden einen Teil seiner Ladung / Kapazität verliert. Dieser Effekt äußert sich in einem frühen Spannungs-
abfall. Die Lebensdauer des Akkus verkürzt sich.

Der Memory-Effekt einmal bildlich dargestellt.
  • das erste Teilbild stellt die Kapazität des Akkus bei Volladung (100%) dar
  • das zweite Teilbild stellt die Kapazität des Akkus dar, wenn er mehrfach nur bis auf 20% der Nennkapazität entladen und dann geladen wurde
    der Akku speichert diesen unvollständigen Entladezustand als leer
    => die Restkapazität beträgt nur noch 80% der Nennkapazität
  • das dritte Teilbild stellt die Kapazität des Akkus dar, wenn er weiterhin nur unvollständig entladen und dann geladen wird
    => die Restkapazität beträgt jetzt nur noch 60% der Nennkapazität   usw.

Bei den Ni-MH-Akkus tritt der Lazy-Battery-Effekt auf, der zu einer Verringe-
rung der Spannung führt. Die Ursachen sind im Prinzip die gleichen wie beim Memory-Effekt. Die Spannung verläuft hier etwas unterhalb der normalen Ent-
ladespannung (siehe unten). Die Nutzungsdauer ist davon aber weniger als beim Memory-Effekt betroffen. Dieser Effekt ist daher auch weit weniger gravierend.

Schematische Darstellung des Memory-Effektes bei Ni-Cd-Akkus
grüne Linie = normale Entladekurve
rote Linie = Entladekurve mit Memory-Effekt

Schematische Darstellung des Lazy-Battery-Effektes bei Ni-MH-Akkus
grüne Linie = normale Entladekurve
rote Linie = Entladekurve mit Lazy-Battery-Effekt

Folgende Empfehlungen können gegeben werden:

  • eine vollständige Entladung vor jeder Ladung ist nicht notwendig
  • gelegentliches vollständiges Entladen, nach etwa 10 Teilentladezyklen, ist empfehlenswert

Wenn der Memory-Effekt oder Lazy-Battery-Effekt jedoch schon eingetreten ist, helfen Ladegeräte mit speziellen Pflegeprogrammen (Refresh-Funktion, siehe oben).

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Überladung

Unter der Ladeschlussspannung versteht man die Spannung, ab der die Lade- bzw. Kapazitätsgrenze des Akkus erreicht ist. Der Ladevorgang muss dann von hohen Strömen in kleine Erhaltungsladungen übergehen. Lädt man einen Akku über die Ladeschlussspannung hinaus, führt dieses zur Überladung / Überhitzung und damit zur Kapazitätsminderung oder sogar zur Zerstörung des Akkus.

Maximal zulässige Ladeschlussspannung:
- Pb 2,25V - 2,30 V pro Zelle
- Ni-Cd 1,5V pro Zelle
- Ni-MH 1,5V pro Zelle

Gute Mikro-Prozessorgesteuerte Ladegeräte erkennen den Akku-Typ und seinen Ladezustand und passen dementsprechend den Ladestrom individuell an. Sie überwachen unter anderem auch den Spannungsverlauf am Akku und die Tempe-
ratur des Akkus. Diese Geräte mit integrierter Ladeelektronik schalten nach dem vollständigen Aufladen auf Erhaltungsladung um und vermeiden dadurch Überla-
dungen und Überhitzungen.
Fehlt diese Funktion, sollte der geladene Akku möglichst nicht über längere Zeit (mehrere Tage) im Ladegerät bleiben.

Akkumulatoren sollten in der Regel die Temperatur von 55C – 60C nicht über-
schreiten. Wird diese Temperatur dennoch überschritten, kann die Zelle aufgrund der Druckerhöhung im Inneren ihre Dichtigkeit verlieren und auslaufen. Die Ab-
schaltung der Ladung bei einer bestimmten Temperatur wird in einigen Ladege-
räten 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 Ni-Cd- und Ni-MH-Akkus auch unterscheiden. Zudem beeinflusst auch die Umgebungstemperatur den Abschalt-
zeitpunkt.
Darum sollte auf Ladegeräte zurückgegriffen werden, die jede Zelle einzeln überwachen (Einzelschachtüberwachung). Weiterhin sollte die Ladungsend-Er-
kennung durch "minus Delta U (-ΔU)", "Ableitung der Spannung (dU/dt)" oder "Peak Voltage Detection" erfolgen.

Maximal zulässige Temperatur während des Ladens:
- Pb 50C
- Ni-Cd 60C
empfohlen bis 45C
- Ni-MH 50C
empfohlen bis 35C

*

Selbstentladung - empfohlene Lagerung

Unter der Selbstentladung versteht man den Vorgang, bei dem sich ein geladener Akkumulator auch ohne Anschluss eines Verbrauchers (z.B. Lagerung bis zum nächsten Einsatz) mehr oder weniger schnell entlädt. Die Geschwindigkeit der Selbstentladung ist in der Regel im vollständig geladenen Zustand am größten und nimmt mit zunehmender Zeit ab.
Die Selbstentladung ist temperaturabhängig und bei hohen Temperaturen größer. Ideale Lagertemperaturen liegen unterhalb der Zimmertemperatur (ab ungefähr +10C aufwärts, wie z.B. im Keller). Vor der Ladung oder der erneuten Benutzung sollte der Akku sich aber wieder auf Zimmertemperatur erwärmen.

Vor der Lagerung sollten bei allen Akku-Systemen grundsätzlich alle Verbraucher abtrennt werden. Denn auch in einem ausgeschalteten Gerät kann ein geringer Strom fließen, der nach längerer Zeit zu einer Tiefentladung (siehe oben) führt, die dem Akku schadet und ihn im Extremfall zerstört.

Die angegeben Werte der Selbstentladung sind als Richtlinie zu verstehen und von Hersteller zu Hersteller und auch Baujahr unterschiedlich.

  Selbstentladung pro Monat bei 20C und Lagerung
Pb -
-
2 bis 30% (je nach Ausführung)
Ladezustand 100%
sofort nach Gebrauch aufladen
möglichst kühl und trocken lagern
Blei-Akkus sollten nicht längere Zeit ungeladen lagern
bei zu langer Lagerung trocknet der Akku aus
Ni-Cd -
-




-
15 bis 20%
Ladezustand ca. 50%
da sie diese Ladung allerdings verlieren, müssen sie in regelmäßigen Abständen geprüft und nachgeladen werden
bei möglichst niedriger Temperatur (unter Zimmertemperatur) und trocken lagern
Lagerfähigkeit:
- einige Monate bei Zimmertemperatur
- ca. 1 Monat bei höheren Temperatur
- keine Lagerung über 65C
Ni-MH -

-






-
15 bis 100%
neuere Typen (ab 2006) 15% pro Jahr
Ladezustand ca. 50%
sollten (im Gegensatz zu Ni-CD Zellen) bei längerer Lagerung (größer 6 Monate) randvoll geladen gelagert werden
da sie diese Ladung allerdings verlieren, müssen sie in regelmäßigen Abständen geprüft und nachgeladen werden
bei möglichst niedriger Temperatur (unter Zimmertemperatur) und trocken lagern
Lagerfähigkeit:
- einige Monate bei Zimmertemperatur
- wenige Wochen bei hohen Temperaturen

Um die Selbstentladung zu kompensieren und Akkumulatoren ständig einsatz-
bereit zu halten, müssen diese in regelmäßigen Abständen wieder aufgeladen werden (ca. alle drei Monate) oder nach dem eigentlichen Aufladen mit der so genannten Erhaltungsladung (siehe oben) aufgeladen werden (aber nicht über mehrere Tage; es droht Überladung).

Nach längerer Lagerung sollte man ca. drei Zyklen (3 x Entladen / Laden) durch-
führen, um die volle Leistungsfähigkeit der Zellen wieder zu erreichen.

 

Erstellt am: 06.11.2007
Letzte Aktualisierung: 28.11.2007

 

 

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