Der Akku hat in den letzten Jahren eine beeindruckende Entwicklung durchlaufen und ist heute eine der am leichtesten zugänglichen Energiespeicherlösungen. Er findet Verwendung in verschiedenen Bereichen wie Unterhaltungselektronik, mobilen Werkzeugen, unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen, Elektrofahrzeugen und 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 den beiden gängigsten Typen, Bleisäure- und Lithium-Akkus, sowie die Auswahl eines geeigneten Ladegeräts ausführlich erläutert.
Inhaltsverzeichnis: Das erwartet Sie in diesem Artikel
Kurze Lebensdauer von Blei-Säure-Akkus: eine Herausforderung für Anwendungen
Abb. 2: 2-Stufenladung (Foto: FORTEC Power GmbH)
Blei-Säure-Akkus sind aufgrund ihrer hohen Toleranz bei der Ladespannung und Stoßstromfähigkeit in vielen Anwendungen 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.
Lithium-Akkus bieten im Vergleich zu Blei-Säure-Akkus eine deutlich längere Lebensdauer von etwa 1000 bis 3000 Ladezyklen. Darüber hinaus zeichnen sie sich durch eine geringe Selbstentladung und eine hohe Energiedichte aus, wodurch sie sich ideal für die langfristige Energiespeicherung eignen. Je nach verwendetem Kathodenmaterial gibt es verschiedene Arten von Lithium-Akkus. Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) weist eine hohe Energiedichte auf und ist daher in der Unterhaltungselektronik weit verbreitet. Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) hingegen bietet eine längere Lebensdauer und eine relativ gute thermische Stabilität, was es zu einer besseren Wahl für Energiespeicherlösungen macht. Ein möglicher Nachteil von Lithium-Akkus ist jedoch ihre Brandgefahr bei Überhitzung, weshalb eine sorgfältige Überwachung beim Laden und Entladen erforderlich ist.
Veränderung der Spannung abhängig von der verbleibenden Kapazität
Abb. 3: Programmieroberfläche, HEP-1000-48, 3-Stufenladung (Foto: FORTEC Power GmbH)
Eine einzelne Bleisäurezelle hat eine Nennspannung von 1,8 bis 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 nur als Referenz, da die tatsächliche Spannung abhängig von der verbleibenden Kapazität ist. Bei einer typischen 12 V Blei-Säure-Batterie liegt die Leerlaufspannung zwischen 10,8 V (30 % Kapazität) und 13,8 V (100 % Kapazität).
Die Auswirkungen des C-Koeffizienten auf die Ladegeschwindigkeit eines Akkus
Der C-Koeffizient, auch als C-Faktor oder C-Rate bezeichnet, gibt das Verhältnis zwischen dem maximal zulässigen Lade- oder Entladestrom und der Kapazität des Akkus an. Dieser Koeffizient ermöglicht einen Vergleich des relativen Lade- oder Entladestroms von Akkus mit unterschiedlicher Kapazität. Ein C-Koeffizient von 1C bedeutet, dass der Akku innerhalb einer Stunde vollständig geladen oder entladen werden kann. Ein Beispiel von 0,3C für die Ladung des Akkus bedeutet, dass dieser innerhalb von 3 Stunden und 20 Minuten geladen werden kann.
Um die hohe Selbstentladung von Blei-Säure-Akkus zu minimieren, wird häufig die 3-Stufenladung angewendet. Dabei beginnt der Ladezyklus mit einer Aufladung bei Konstantstrom, 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 effiziente und schonende Ladung der Akkus.
Während des Ladevorgangs hält das Ladegerät die Ausgangsspannung konstant und überwacht den Ladestrom. Sobald der Strom auf etwa 10 % des Nennladestroms abfällt, schaltet das Ladegerät in den Erhaltungsmodus um. In dieser Phase senkt das Ladegerät die Ausgangsspannung, um eine Überladung zu verhindern. Obwohl der Akku fast vollständig geladen ist, entnimmt er immer noch einen geringen Strom, um die Selbstentladung zu kompensieren.
Abb. 4: Programmieroberfläche, HEP-1000-48, 2-Stufenladung (Foto: FORTEC Power GmbH)
Bei Lithium-Akkus ist es wichtig zu beachten, dass sie 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. Stattdessen werden sie oft mit einem zweistufigen Ladeverfahren ohne Erhaltungsladestufe geladen, um eine Überladung zu vermeiden und ihre Lebensdauer zu verlängern.
Die unterschiedliche Fertigungstoleranz der Zellen stellt bei großen Lithium-Akkubänken eine Herausforderung 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. Um die Lebensdauer des Akkus zu verlängern und die Sicherheit zu gewährleisten, ist es wichtig, ein Batteriemanagementsystem (BMS) zu verwenden, das die Zellen überwacht und ausgleicht.
Ungleichmäßige Ladungszustände in den Zellen eines Akkus können zu einer verkürzten Lebensdauer und potenziell gefährlichen Situationen führen. Um diese Probleme zu vermeiden, sollten große Lithiumbatteriebänke immer mit Batteriemanagementsystemen (BMS) ausgestattet sein. BMS überwachen den Ladezustand der Zellen und gleichen Ungleichgewichte entweder passiv oder aktiv aus, um die Lebensdauer des Akkus zu optimieren 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. Im Vergleich zum aktiven BMS ist das passive BMS relativ einfach in der Konstruktion, jedoch weniger effizient und weniger wirksam. Das aktive BMS hingegen lädt 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.
Ladekurve anpassen für bessere Akkunutzung und längere Lebensdauer
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 unterschiedlichen Zusammensetzungen 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 Programmierung und eine präzise Steuerung des Ladevorgangs.
Das HEP-1000-48 ist ein zuverlässiges 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, um die Ladekurve individuell anzupassen. Die vorgefertigte Ladekurve besteht aus drei Stufen und ist speziell für den Einsatz mit Blei-Säure-Akkus entwickelt worden. Mit einer Boost-Ladespannung von 57,6 V DC und einer Floating-Ladespannung von 55,2 V DC können Sie die Ladespannung und den Ladestrom für verschiedene Arten von Blei-Säure-Akkus im Bereich von 36 bis 60 V DC bzw. von 3,5 bis 17,5 A flexibel einstellen.
Durch die Verwendung der Programmieroberfläche des HEP-1000-48 kann die Ladekurve von einer 3-Stufenladung auf eine 2-Stufenladung umgestellt werden, 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 ermöglichen. Der Benutzer hat auch die Möglichkeit, den Ladestrom zu senken, um eine Überhitzung zu vermeiden, und die Ladespannung zu reduzieren, um eine Überladung des Akkus zu verhindern.
Optimale Ladekurven für längere Akkulaufzeit: MEAN WELL Ladegeräte im Einsatz
Die programmierbaren Ladegeräte von MEAN WELL ermöglichen eine individuelle Anpassung der Ladekurven, um Blei- oder Lithium-Akkus optimal zu laden. Durch die genaue Einstellung der Ladespannung und des Ladestroms werden die Akkus geschützt, ihre Kapazität effizient genutzt und ihre Lebensdauer maximiert.
