Der Akku hat in den letzten Jahren einen regelrechten Boom erlebt und gehört nun zu den begehrtesten Energiespeicherlösungen. Sein Einsatzgebiet umfasst nicht nur Unterhaltungselektronik, mobile Werkzeuge und unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme, sondern auch Elektrofahrzeuge und die Speicherung erneuerbarer Energien. Die unterschiedlichen Eigenschaften der verschiedenen Akkutypen stellen jedoch sowohl Verbraucher als auch Ingenieure vor technische Herausforderungen bei der Auswahl von Akkus und Ladegeräten. Dieser Artikel behandelt die Unterschiede zwischen den gängigen Typen Bleisäure- und Lithium-Akkus sowie die Auswahl eines geeigneten Ladegeräts.
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Blei-Säure-Akkus: hohe Toleranz, niedriger Preis, kurze Lebensdauer
Abb. 2: 2-Stufenladung (Foto: FORTEC Power GmbH)
Blei-Säure-Akkus haben sich aufgrund ihrer hohen Stoßstromfähigkeit und Toleranz bei der Ladespannung als äußerst beliebte Akkutypen erwiesen. Sie werden häufig in der Fahrzeugindustrie eingesetzt, da sie zuverlässig genug sind, um Motoren zu starten. Allerdings haben sie den Nachteil einer relativ kurzen Lebensdauer und einer hohen Selbstentladungsrate, was bedeutet, dass sie regelmäßig gewartet und ersetzt werden müssen.
Im Gegensatz zu Blei-Säure-Akkus haben Lithium-Akkus eine viel längere Lebensdauer von etwa 1000 bis 3000 Ladezyklen. Zudem ist ihre Selbstentladung gering und ihre Energiedichte sehr hoch. Daher eignen sie sich ideal für die langfristige Energiespeicherung. Abhängig vom Kathodenmaterial gibt es verschiedene Arten von Lithium-Akkus. Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) zeichnet sich durch eine hohe Energiedichte aus und wird daher in der Unterhaltungselektronik häufig verwendet. Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) hingegen hat eine längere Lebensdauer und eine relativ gute thermische Stabilität, was ihn zu einer besseren Option für Energiespeicherlösungen macht. Ein Nachteil von Lithium-Akkus ist jedoch ihre Brandgefahr bei Überhitzung, weshalb sie beim Laden und Entladen sorgfältig überwacht werden müssen.
C-Koeffizient ermöglicht optimale Ladung von Bleisäurezellen
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) gibt lediglich den Spannungsbereich an, 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).
Wie der C-Koeffizient den Ladestrom eines Akkus beeinflusst
Der C-Koeffizient gibt das Verhältnis zwischen dem maximal zulässigen Lade- oder Entladestrom und der Kapazität des Akkus an. 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 oft empfohlen, um die hohe Selbstentladung von Blei-Säure-Akkus zu berücksichtigen. Der Ladezyklus beginnt mit einer Aufladung bei Konstantstrom, bei der das Ladegerät den Ausgangsstrom auf den maximalen Nennwert begrenzt und die Ausgangsspannung langsam erhöht. Sobald die maximale Ladespannung erreicht ist, wechselt das Ladegerät zur Konstantspannung. Dieses Ladeverfahren sorgt für eine schonende Ladung der Akkus und verhindert eine Überladung.
Das Ladegerät hält die Ausgangsspannung konstant und überwacht den Ladestrom. Wenn der Strom auf etwa 10 % des Nennladestroms abnimmt, wechselt das Ladegerät in den Erhaltungsmodus. In dieser Phase reduziert das Ladegerät die Ausgangsspannung, um eine Überladung zu verhindern. Obwohl der Akku fast vollständig geladen ist, zieht er immer noch einen geringen Strom, um die Selbstentladung zu kompensieren.
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 müssen Lithium-Akkus nicht mit einer Erhaltungsladung aufgeladen werden, um ihren Ladezustand aufrechtzuerhalten. Stattdessen werden sie oft mit einem zweistufigen Ladeverfahren geladen, um eine Überladung zu vermeiden und ihre Lebensdauer zu maximieren.
Die Fertigungstoleranz der Zellen in großen Lithium-Akkubänken kann zu Problemen führen. Da der äquivalente Serienwiderstand (ESR) nicht perfekt abgestimmt werden kann, können Zellen in derselben Bank mit unterschiedlichen Spannungen oder Strömen geladen werden. Dies hat zur Folge, dass Zellen mit niedrigem ESR schneller vollständig geladen/entladen werden, was zu einer ungleichmäßigen Alterung und einem vorzeitigen Ausfall führen kann. Um dieses Problem zu lösen, sollten große Lithiumbatteriebänke mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) ausgestattet sein, um die Zellen zu überwachen und auszugleichen.
Eine ungleiche Ladung der Zellen in einem Akku kann nicht nur die Lebensdauer des Akkus verkürzen, sondern auch zu gefährlichen Situationen führen. Um dieses Problem zu lösen, ist es wichtig, 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 maximieren und das Risiko von Überhitzung und anderen Sicherheitsproblemen zu minimieren.
Das passive Batteriemanagementsystem (BMS) gleicht die Ladezustände der einzelnen Zellen aus, indem es die volleren Zellen mithilfe von Leistungswiderständen entlädt. Im Vergleich zum aktiven BMS ist das passive BMS relativ einfach in der Konstruktion, aber weniger 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.
Zuverlässigkeit und Langlebigkeit durch optimierte Ladekurven gewährleisten
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 flexible Lösung für das Laden von Akkus mit unterschiedlicher Zusammensetzung und von verschiedenen Herstellern. 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 und präzise Programmierung der Ladeparameter.
Das HEP-1000-48 ist ein leistungsstarkes Konstantspannungsnetzteil mit einer Ausgangsspannung von 48 V DC und einer maximalen Leistung von 1008 W. Mit Hilfe des MEAN WELL Smart Charger Programmiergeräts SBP-001 kann das HEP-1000-48 zu einem intelligenten Ladegerät umprogrammiert werden. Es verfügt über eine vorgefertigte Ladekurve mit drei Stufen, die speziell für den Einsatz mit Blei-Säure-Akkus entwickelt wurde. Die Boost-Ladespannung beträgt 57,6 V DC und die Floating-Ladespannung 55,2 V DC. Sie haben die Möglichkeit, die Ladespannung und den Ladestrom für verschiedene Arten von Blei-Säure-Akkus individuell anzupassen, 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, von einer 3-Stufenladung auf eine 2-Stufenladung umzuschalten, 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 erreichen. Der Benutzer kann den Ladestrom auch reduzieren, um eine Überhitzung zu vermeiden, und die Ladespannung senken, um eine Überladung zu verhindern.
Akku-Laden auf höchstem Niveau: MEAN WELL Ladegeräte bieten Anpassungsmöglichkeiten
Die programmierbaren Ladegeräte von MEAN WELL erlauben eine individuelle Anpassung der Ladekurven zur optimalen Ladung von Blei- oder Lithium-Akkus. Durch die präzise Einstellung der Ladespannung und des Ladestroms werden die Akkus geschützt, ihre Kapazität effizient genutzt und ihre Lebensdauer maximiert.
