Der Akku hat in den letzten Jahren einen großen Aufschwung erlebt und zählt mittlerweile zu den am weitesten verbreiteten Energiespeicherlösungen. Neben der Unterhaltungselektronik, mobilen Werkzeugen und unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen finden Akkus auch in Elektrofahrzeugen und der Speicherung erneuerbarer Energien Anwendung. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der verschiedenen Akkutypen stehen Verbraucher und sogar Ingenieure vor technischen Herausforderungen bei der Auswahl von Akkus und Ladegeräten. In diesem Artikel werden die Unterschiede zwischen den gängigsten Typen, wie Bleisäure- und Lithium-Akkus, sowie die Auswahl eines geeigneten Ladegeräts erläutert.
Inhaltsverzeichnis: Das erwartet Sie in diesem Artikel
Einsatzmöglichkeiten von Blei-Säure-Akkus in verschiedenen Bereichen
Abb. 2: 2-Stufenladung (Foto: FORTEC Power GmbH)
Blei-Säure-Akkus sind aufgrund ihrer hohen Toleranz bei der Ladespannung und Stoßstromfähigkeit in vielen Anwendungen sehr beliebt. Sie werden häufig als Starterbatterien in Fahrzeugen und als Stromquellen in Notstromsystemen eingesetzt. Allerdings haben sie den Nachteil einer relativ kurzen Zyklenlebensdauer und einer hohen Selbstentladungsrate, weshalb sie sich weniger für die Speicherung erneuerbarer Energien eignen.
Lithium-Akkus bieten im Vergleich zu Blei-Säure-Akkus eine deutlich längere Lebensdauer von etwa 1000 bis 3000 Ladezyklen. Zudem haben sie eine geringe Selbstentladung und eine hohe Energiedichte, was sie ideal für die langfristige Energiespeicherung macht. Je nach Kathodenmaterial gibt es verschiedene Arten von Lithium-Akkus. Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) zeichnet sich durch seine hohe Energiedichte aus und findet daher in der Unterhaltungselektronik Verwendung. Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) hingegen hat eine längere Lebensdauer und eine relativ gute thermische Stabilität, wodurch es sich besser für Energiespeicherlösungen eignet. Allerdings besteht bei Lithium-Akkus die Gefahr, dass sie bei Überhitzung in Brand geraten, weshalb eine sorgfältige Überwachung beim Laden und Entladen erforderlich ist.
Parallelschaltung für größere Kapazität und Ausgangsspannung von Bleisäureakkus
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) ist jedoch nur ein Hinweis auf den Spannungsbereich, da sich die tatsächliche Spannung abhängig von der verbleibenden Kapazität ständig ändert. Bei einer typischen 12 V Blei-Säure-Batterie liegt die Leerlaufspannung zwischen 10,8 V (30 % Kapazität) und 13,8 V (100 % Kapazität).
Die Beziehung zwischen C-Koeffizient und Ladezeit eines Akkus
Der C-Koeffizient, auch C-Faktor oder C-Rate genannt, 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 minimieren, wird häufig die 3-Stufenladung angewendet. Der Ladezyklus beginnt 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 ermöglicht eine effiziente und schonende Ladung der Akkus.
Während des Ladevorgangs gibt das Ladegerät eine konstante Ausgangsspannung ab 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, zieht er weiterhin einen kleinen Strom, um die Selbstentladung zu kompensieren.
Abb. 4: Programmieroberfläche, HEP-1000-48, 2-Stufenladung (Foto: FORTEC Power GmbH)
Lithium-Akkus haben unterschiedliche Nennspannungen, die von 3,2 V bis 4,4 V reichen und von Hersteller zu Hersteller variieren können. 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 benötigen Lithium-Akkus keine Erhaltungsladung, um ihren Ladezustand aufrechtzuerhalten. Stattdessen werden sie normalerweise mit einem zweistufigen Ladeverfahren ohne Erhaltungsladestufe geladen, um eine Überladung zu vermeiden.
In großen Lithium-Akkubänken kann die unterschiedliche Fertigungstoleranz der Zellen zu Herausforderungen führen. Der äquivalente Serienwiderstand (ESR) kann nicht perfekt aufeinander abgestimmt werden, wodurch Zellen in derselben Bank mit unterschiedlichen Spannungen oder Strömen geladen werden können. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Alterung der Zellen, da diejenigen mit niedrigem ESR schneller vollständig geladen/entladen werden. Es ist daher wichtig, große Lithiumbatteriebänke mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) auszustatten, um das Ungleichgewicht der Zellen zu überwachen und auszugleichen.
Ungleichmäßige Ladungszustände in den Zellen eines Akkus können zu einer verkürzten Lebensdauer und Sicherheitsrisiken 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) entlädt die volleren Zellen durch Leistungswiderstände, um die Ladezustände der einzelnen Zellen auszugleichen. Obwohl ein passives BMS relativ einfach zu konstruieren ist, ist es nicht 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, können einige Lithium-Akkubänke mit aktivem Ausgleichs-BMS nur AC/DC-Netzteile mit konstanter Spannung als Ladegerät verwenden.
Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit bei der Anpassung der Ladekurve
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 unterschiedlichen Eigenschaften ermöglicht. Durch die Optimierung der Ladespannung und des Ladestroms können die Akkus effizienter geladen werden, was zu einer längeren Lebensdauer und einer verbesserten Leistung führt. Die benutzerfreundliche Schnittstelle erleichtert die Programmierung und ermöglicht eine präzise Steuerung des Ladevorgangs.
Das HEP-1000-48 ist ein vielseitiges Konstantspannungsnetzteil mit einer Ausgangsspannung von 48 V DC und einer maximalen Leistung von 1008 W. Durch die Verwendung des MEAN WELL Smart Charger Programmiergeräts SBP-001 kann das HEP-1000-48 zu einem intelligenten Ladegerät umfunktioniert werden. Es bietet eine voreingestellte 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 individuell anzupassen, um verschiedene Arten von Blei-Säure-Akkus optimal zu laden, im Bereich von 36 bis 60 V DC bzw. von 3,5 bis 17,5 A.
Mit Hilfe der Programmieroberfläche des HEP-1000-48 kann die Ladekurve von einer 3-Stufenladung auf eine 2-Stufenladung umprogrammiert werden, um Lithium-Akkus zu laden. Wenn zum Beispiel 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. Es besteht auch die Möglichkeit, den Ladestrom zu senken, um eine Überhitzung zu vermeiden, und die Ladespannung zu reduzieren, um eine Überladung zu verhindern.
MEAN WELL Ladegeräte optimieren Ladespannung und Ladestrom für längere Akkulebensdauer
Mit den programmierbaren Ladegeräten von MEAN WELL können Ladekurven individuell angepasst werden, um Blei- oder Lithium-Akkus optimal zu laden. Die Möglichkeit, die Ladespannung und den Ladestrom präzise einzustellen, ermöglicht den Schutz der Akkus, eine effiziente Nutzung ihrer Kapazität und eine Verlängerung ihrer Lebensdauer.
