Der Akku hat in den letzten Jahren enorm an Beliebtheit gewonnen und ist nun eine der am weitesten verbreiteten Energiespeicherlösungen. Seine Verwendung erstreckt sich nicht nur auf Unterhaltungselektronik, mobile Werkzeuge und unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme, sondern auch auf Elektrofahrzeuge und die Speicherung erneuerbarer Energien. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der verschiedenen Akkutypen stehen Verbraucher und Ingenieure vor technischen 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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Lange Geschichte und vielseitige Verwendung von Blei-Säure-Akkus
Abb. 2: 2-Stufenladung (Foto: FORTEC Power GmbH)
Blei-Säure-Akkus sind seit vielen Jahren eine bewährte Technologie und werden aufgrund ihrer hohen Stoßstromfähigkeit und Toleranz bei der Ladespannung in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. In Fahrzeugen dienen sie als zuverlässige Starterbatterie und in Notstromsystemen als zuverlässige Stromquelle. Allerdings haben sie den Nachteil einer relativ kurzen Lebensdauer und einer hohen Selbstentladungsrate, was ihre Verwendung als Energiespeicher einschränkt.
Im Vergleich zu Blei-Säure-Akkus weisen Lithium-Akkus eine erheblich längere Lebensdauer von etwa 1000 bis 3000 Ladezyklen auf. Zudem haben sie eine geringe Selbstentladung und eine hohe Energiedichte. Diese Eigenschaften machen sie zur idealen Wahl für die langfristige Energiespeicherung. Je nach Kathodenmaterial gibt es verschiedene Arten von Lithium-Akkus. Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) zeichnet sich durch eine hohe Energiedichte aus und ist daher in der Unterhaltungselektronik sehr beliebt. Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) hingegen hat eine längere Lebensdauer und eine relativ 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.
Reichweite der Nennspannung von Bleisäurezellen erklärt
Abb. 3: Programmieroberfläche, HEP-1000-48, 3-Stufenladung (Foto: FORTEC Power GmbH)
Wenn eine einzelne Bleisäurezelle verwendet wird, beträgt ihre Nennspannung 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 Richtwert, da sich die tatsächliche Spannung je nach verbleibender Kapazität ändert. Eine typische 12 V Blei-Säure-Batterie hat eine Leerlaufspannung zwischen 10,8 V (30 % Kapazität) und 13,8 V (100 % Kapazität).
Die Bedeutung des C-Koeffizienten beim Laden von Akkus
Der C-Koeffizient ist ein Maß für den relativen Lade- oder Entladestrom eines Akkus. Er wird berechnet, indem der maximale zulässige Lade- oder Entladestrom durch die Kapazität des Akkus geteilt wird. 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.
Um die hohe Selbstentladung von Blei-Säure-Akkus zu reduzieren, wird oft die 3-Stufenladung empfohlen. Dabei wird der Ladezyklus mit einer Aufladung bei Konstantstrom begonnen, bei der das Ladegerät den Ausgangsstrom begrenzt und die Ausgangsspannung allmählich erhöht. Sobald die maximale Ladespannung erreicht ist, wechselt das Ladegerät zur Konstantspannung. Dieses Ladeverfahren gewährleistet eine schonende und effiziente Ladung der Akkus.
Während des Ladevorgangs gibt das Ladegerät eine konstante Ausgangsspannung ab und überwacht den Stromfluss. Wenn der Ladestrom auf etwa 10 % des Nennladestroms abfällt, schaltet das Ladegerät in den Erhaltungsmodus um. In dieser Phase reduziert das Ladegerät die Ausgangsspannung, um eine Überladung zu vermeiden. Obwohl der Akku fast vollständig geladen ist, verbraucht er immer noch einen kleinen Strom, um die Selbstentladung auszugleichen.
Abb. 4: Programmieroberfläche, HEP-1000-48, 2-Stufenladung (Foto: FORTEC Power GmbH)
Für Lithium-Akkus ist es wichtig zu beachten, dass sie eine Vielzahl von Nennspannungen haben können, je nach Hersteller und Material. Sie können jedoch 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. Stattdessen werden sie oft mit einem zweistufigen Ladeverfahren geladen, um ihre Lebensdauer zu verlängern.
Bei großen Lithium-Akkubänken stellt die unterschiedliche Fertigungstoleranz der Zellen ein Problem dar. Da der äquivalente Serienwiderstand (ESR) nicht perfekt aufeinander abgestimmt werden kann, 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. Dieses Ungleichgewicht kann die Lebensdauer des Akkus beeinträchtigen und zu vorzeitigen Ausfällen führen.
Wenn die Zellen eines Akkus ungleichmäßig geladen sind, kann dies zu einer verringerten Lebensdauer führen und sogar zu einem gefährlichen thermischen Durchgehen führen. Um dieses Problem zu vermeiden, 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 mithilfe von Leistungswiderständen entlädt. Obwohl ein passives BMS relativ einfach zu konstruieren ist, ist es nicht besonders 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.
Optimierung der Ladekurve für bessere Akkulebensdauer und Sicherheit
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 sind mit dem intelligenten Programmiergerät SBP-001 ausgestattet, das eine maßgeschneiderte Anpassung der Ladekurve für Akkus mit unterschiedlicher Zusammensetzung ermöglicht. Durch die Optimierung der Ladespannung und des Ladestroms können die Akkus effizienter geladen werden, was zu einer längeren Lebensdauer und einer verbesserten Leistungsfähigkeit führt. Die benutzerfreundliche Schnittstelle erleichtert die Anpassung und sorgt für eine zuverlässige und sichere Ladung der Akkus.
Mit dem HEP-1000-48 haben Sie ein zuverlässiges Konstantspannungsnetzteil zur Hand, das eine Ausgangsspannung von 48 V DC und eine maximale Leistung von 1008 W bietet. Dank des MEAN WELL Smart Charger Programmiergeräts SBP-001 können Sie das HEP-1000-48 sogar zu einem intelligenten Ladegerät umprogrammieren. Die Standard-Ladekurve dieses Geräts besteht aus drei Stufen und ist speziell für typische Blei-Säure-Akkus optimiert. Die Boost-Ladespannung beträgt 57,6 V DC und die Floating-Ladespannung 55,2 V DC. Sie haben die Flexibilität, die Ladespannung und den Ladestrom für verschiedene Arten von Blei-Säure-Akkus individuell einzustellen, im Bereich von 36 bis 60 V DC bzw. von 3,5 bis 17,5 A.
Mittels der Programmieroberfläche des HEP-1000-48 kann die Ladestrategie von einer 3-Stufenladung auf eine 2-Stufenladung umgestellt werden, wodurch eine Anpassung an Lithium-Akkus ermöglicht wird. Um 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 gewährleisten. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, den Ladestrom zu verringern, um eine Überhitzung zu vermeiden, und die Ladespannung zu senken, um eine Überladung zu verhindern.
Individuelle Anpassung der Ladekurven für MEAN WELL Ladegeräte
MEAN WELL bietet programmierbare Ladegeräte, die eine personalisierte Anpassung der Ladekurven ermöglichen. Auf diese Weise können Blei- oder Lithium-Akkus optimal geladen werden, da die Ladespannung und der Ladestrom individuell eingestellt werden können. Dadurch werden die Akkus geschont, ihre Kapazität optimal genutzt und ihre Lebensdauer verlängert.
