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Akku-Grundlagen

2009-08-31T01:27:26Z

Cmock:

In diesem Artikel wird versucht, einen Einstieg in die etwas
unübersichtliche Welt der Akkus zu geben. Bei der Leserin und dem
Leser werden dabei Grundbegriffe der Elektrotechnik vorausgesetzt.

==Was ist eigentlich ein Akku?==

Ein Akku (kurz für "Akkumulator") ist ein wiederaufladbarer
elektrischer Energiespeicher. Beim Laden wird die elektrische Energie
in chemische Energie umgewandelt, beim Entladen wird aus der Chemie
wieder Elektrik. Einmal laden und wieder entladen ist ein "Zyklus",
und Akkus halten je nach Art und Behandlung 100 bis ca. 1000 Zyklen.

Eine Batterie ("Primärzelle") hingegen wandelt zwar beim Entladen auch
chemische in elektrische Energie um, läßt sich aber nicht wieder
aufladen, muß also nach Entnahme der Energie weggeworfen (bzw zu einer
entsprechenden Sammelstelle gebracht) werden.

Akkus verwendet man einerseits, weil sie auf Dauer kostengünstiger
sind als Batterien, andererseits, weil sie höhere Ströme abgeben
können als Batterien (Nickel- und Lithium-Akkus) oder weil sie bei
gleicher Energiemenge kleiner und leichter sind als Batterien
(Lithium-Akkus).

==Grundbegriffe==

===Zelle/Pack===

Eine Zelle ist die kleinste Einheit eines Akkus. Da die Spannung einer einzelnen Zelle bei den meisten Akkutypen nicht für den praktischen Einsatz reicht
(z.B. 1,2V bei Ni*-Akkus), werden mehrere Zellen zu einem "Pack" in
Reihe geschaltet. Die Gesamtspannung ergibt sich dann aus der Anzahl
der Zellen mal der Zellenspannung: ein Pack aus 6 NiMH-Zellen hat eine
Nennspannung von 7,2V.

===Kapazität===

Die Kapazität eines Akkus wird in Ah (Ampere-Stunden) oder mAh
(Milliampere-Stunden) angegeben. Sie besagt, wie lange der Akku den
entsprechenden Strom liefern kann: Ein Akku mit 2Ah (=2000mAh) kann
also ein Gerät, das 200mA Strom aufnimmt, 10 Stunden lang betreiben.

Dabei ist zu beachten, daß bei höheren Strömen i.A. weniger Kapazität
entnommen werden kann als bei niedrigeren Strömen (besonders
ausgeprägt ist dies bei Bleiakkus), und daß die Hersteller die
Kapazität für verschiedene Entladedauern bzw. Stromstärken angeben.
Ein Akku, der mit 2Ah bei einem Strom von 1A angegeben ist, sollte
also diesen Strom wirklich 2 Stunden lang liefern können, während dies
bei einem Akku, der mit 2Ah bei 100mA angegeben ist, nicht so sein
muß.

==="C"===

"C" ist derjenige Strom, der der Kapazität dividiert durch eine Stunde
entspricht; diese Angabe wird oft für Lade- und Entladeströme
verwendet.

Wenn für einen 2000mAh-Akku angegeben ist, er könne mit 5C
entladen und mit 2C geladen werden, ist C = 2000mAh/1h = 2A, er kann
also mit (bis zu) 10A entladen und mit (bis zu) 4A geladen werden.

===Spannungen===

Die "Nennspannung" eines Akkus ist eine nominelle Angabe, in
Wirklichkeit liegt die Spannung eines vollgeladenen Akkus deutlich
darüber, gegen Ende der Entladung deutlich darunter.

Die Entladeschlußspannung ist diejenige Spannung, unter die man den
Akku nicht entladen sollte; einerseits würde durch ein weiteres
Entladen kaum mehr Kapazität gewonnen, andererseits können Blei- und
Lithiumakkus bei Unterschreiten der angegebenen Entladeschlußspannung
Schaden nehmen.

Die Ladeschlußspannung wiederum ist diejenige Spannung, die man beim
Laden des Akkus nicht überschreiten sollte; sie ist nicht bei allen
Akkutypen relevant.

===Innenwiderstand===

Der Innenwiderstand ist der (theoretische) elektrische Widerstand im
Inneren eines Akkus. Bei einem Akku mit hohem Innenwiderstand sinkt
bei hoher Stromentnahme die Spannung stärker als bei einem Akku mit
niedrigerem Innenwiderstand. Wenn man z.B. an einem Akku mit 40mOhm
Innenwiderstand einen uC mit einer LED betreibt, die zusammen 40mA
brauchen, wird die Spannung um 1,6mV sinken.
Bei Betrieb eines Motors mit 10A Stromaufnahme hingegen sinkt die
Klemmenspannung am Akku schon um 0,4V.

==Arten von Akkus==

Für die Robotik sind folgende Arten von Akkus relevant:

===NiCd (Nickel-Cadmium)===

NiCd-Akkus sind die "älteste" Energiequelle der Modellbauszene und
dort auch immer noch im Einsatz, da sie sehr hohe Ströme (zig Ampere)
liefern können. Wo diese hohen Ströme nicht notwendig sind, sind sie
wegen geringerer Kapazität und wegen des verwendeten Schwermetalls
Cadmium von NiMH abgelöst worden.

NiCd-Zellen kommen in den üblichen Batterie-Baugrößen (AA, AAA, C,
D...) vor, im Modellbaubereich aber auch in diversen anderen
zylindrischen Bauformen, aus denen sich Packs in verschiedenen Formen
zusammenstellen lassen.

Die Nennspannung bei NiCd-Akkus beträgt 1,2V, die
Entladeschlußspannung üblicherweise 0,9V-1,0V. Als Ladeverfahren kommt
zeitgesteuertes Laden, temperaturgesteuertes Laden oder das
-dU-Verfahren zum Einsatz.

===NiMH (Nickel-Metallhydrid)===

NiMH-Akkus sind die Nachfolger der NiCd-Akkus und haben diese, wenn es
nicht um extreme Hochstromanwendungen geht, ersetzt. Sie haben bei
gleicher Baugröße etwa die doppelte Kapazität und kommen ohne das
schädliche Cadmium aus. Auch NiMH-Akkus liefern recht hohe Ströme und
weisen einen deutlich geringeren Innenwiderstand als gleichgroße
Batterien auf.

NiMH-Akkus kommen in denselben Bauformen wie NiCd-Akkus vor, auch
Nenn- und Entladeschlußspannung sowie Ladeverfahren sind identisch.

===Blei-Akkus===

Blei-Akkus basieren auf Blei und Schwefelsäure, sind recht schwer,
dafür aber preisgünstig, einfach zu laden und (je nach Ausführung) sehr
hochstromfähig, bis zu vielen hundert Ampere in Starterbatterien für
Autos.

Es existieren verschiedene Arten von Bleiakkus, im wesentlichen
reduziert sich das in der Praxis aber auf solche mit flüssigem
Elektrolyten (wie die klassische Autobatterie), die man
naheliegenderweise nur stehend betreiben sollte, und solche mit
Gel-Elektrolyten ("Blei-Gel", "AGM", ...), die lageunabhängig zu
betreiben sind. Bei den Akkus mit flüssigem Elektrolyten gibt es noch
die Unterscheidung in "Wartungsfrei" und "nicht Wartungsfrei", bei den
nicht-wartungsfreien kann man (destilliertes/entmineralisiertes)
Wasser nachfüllen, wenn sich der Flüssigkeitsstand wegen Überladung
reduziert hat.

Bleiakkus werden im wesentlichen in Quaderform gebaut und kommen
(jedenfalls im für uns relevanten Bereich) nicht als Einzelzellen vor,
sondern nur als Pack; allerdings heißt das "Pack" bei Bleiakkus
"Batterie".

Die Nennspannung pro Zelle beträgt 2V, die Entladeschlußspannung um
die 1,8V und die Ladeschlußspannung je nach Bauart bis 2,4V. Als
Ladeverfahren wird spannungsbegrenztes Konstantstromladen verwendet
("CCCV").

Kapazitäten bei Blei-Akkus werden oft auf Basis einer zwanzigstündigen
Entladedauer angegeben, bei einer Entladung mit höheren Strömen steht
dann deutlich weniger Kapazität zur Verfügung ("Peukert-Effekt").

===LiIon (Lithium-Ionen) und LiPo (Lithium-Polymer)===

Lithium-basierte Akkus sind in den letzten Jahren marktreif geworden
und aus der Welt der Handys und Notebooks nicht mehr wegzudenken. Sie
bieten, sowohl nach Gewicht als auch nach Volumen, die höchste
Energiedichte aller Akkutypen, sind hochstromfähig und daher
besonders bei Modellfliegern sehr beliebt.

Lithium-Akkus werden in allen möglichen Bauformen angeboten, von
zylindrischen Zellen (allerdings nicht in den üblichen Batteriegrößen)
bis zu flachen, tütenförmigen Formen. Im Modellbauhandel erhält man
sowohl Einzelzellen wie fertige Packs.

Lithium-Akkus (ausgenommen die neuen LiFePo-Akkus) sind recht
empfindlich, was Über- und Unterschreiten der Spannungsgrenzen,
Überschreiten der spezifizierten Lade- und Entladeströme und
mechanische Beschädigung angeht; sie können brennen und sogar
explodieren. Da gerade die Ladeschlußspannungen auf wenige Millivolt
exakt eingehalten werden müssen, ist beim Laden von Packs ein sog.
"Balancer" sehr empfehlenswert, der die Spannungen der einzelnen
Zellen im Pack überwacht.

Die Nennspannung von Lithium-Akkus liegt je nach Untertyp bei
3,6V-3,7V, die Ladeschlußspannung bei 4,1V-4,2V und die
Entladeschlußspannung bei um die 3V. Als Ladeverfahren wird
spannungsbegrenztes Konstantstromladen verwendet.

==Ladeverfahren==

===Zeitgesteuertes Laden===

Das zeitgesteuerte Laden ist die primitivste Art, einen Akku zu laden,
es kommt vor allem bei billigen "Ladegeräten" für Ni*-Akkus zum
Einsatz.

Bei diesem Verfahren wird die Kapazität des Akkus durch den Ladestrom
dividiert, ein Faktor für die Ladeverluste dazumultipliziert, und
daraus ergibt sich die Zeit, in der der Akku voll sein sollte und das
Ladegerät abschaltet oder (Geiz ist geil!) der Benutzer es abstecken
sollte.

Am weitesten verbreitet ist dabei das "C/10"-Laden: ein Akku mit
2000mAh würde also mit 200mA geladen, und zwar für 14 Stunden (der
o.g. Faktor wird im Allgemeinen mit 1,4 angesetzt). C/10 wird deshalb
verwendet, weil NiCd-Akkus ein Überladen mit diesem Strom meistens
endlos überstehen; bei NiMh-Akkus ist das nicht unbedingt der Fall.

Das Problem bei diesem Ladeverfahren ist, daß es davon ausgeht, daß
der Akku erstens bei Ladebeginn leer ist und zweitens eine bekannte
Kapazität hat, was bei älteren Akkus nicht der Fall ist. Das Risiko, den Akku zu überladen und dadurch zu schädigen, ist also hoch.

===Temperaturgesteuertes Laden===

Das temperaturgesteuerte Laden wird für Ni*-Akkus verwendet und
basiert auf dem Umstand, daß am Ende des Ladevorganges die in den Akku
eingespeiste Energie nicht mehr chemisch umgewandelt, sondern zu Hitze
wird; die Temperaturerhöhung wird gemessen und bei Überschreiten eines
Schwellwertes wird der Ladevorgang beendet.

Dieses Ladeverfahren funktioniert bei mittleren bis hohen Ladeströmen
prinzipiell zuverlässig und kann auch mit wechselnden Ladezuständen
und Kapazitäten umgehen, es muß allerdings gewährleistet sein, daß der
Temperaturfühler guten Kontakt zu den Zellen hat und die Temperatur
nicht z.B. durch Luftzug verfälscht wird. Am besten funktioniert das
Verfahren mit Akkupacks, in denen ein Fühler eingebaut ist, etwa in
den Packs mancher Akkuschrauber.

===-dU===

Das "-dU"-Verfahren wird für Ni*-Akkus verwendet und macht sich den
Umstand zunutze, daß die Spannung eines Akkus gegen Ende des Ladens
erst ansteigt, um dann wieder zurückzugehen; dieses Zurückgehen ist
das "negative Delta U", nach dem das Verfahren benannt ist und das
erkannt werden muß.

Dieses Verfahren funktioniert bei unterschiedlichen Ladezuständen und
Kapazitäten und ist ''State of the Art'' bei hochwertigen Ladegeräten.

Problematisch bei -dU ist der Umstand, daß die Spannungsspitze bei
NiMH-Akkus recht gering ausfällt, insbesondere bei niedrigen
Ladeströmen (<C/2); das Laden von NiMH-Akkus in älteren Ladegeräten,
die für NiCd ausgelegt sind, wird daher nicht immer zuverlässig
beendet. Auch das Laden von Akkupacks ist um so problematischer, je
mehr Zellen diese beinhalten und je unterschiedlicher die Kapazitäten
dieser Zellen sind: wenn die Zellen zu unterschiedlichen Zeitpunkten
vollgeladen sind, "verschleift" sich die Spannungsspitze u.U. so, daß
sie nicht mehr erkannt wird.

===CCCV/Spannungsbegrenztes Konstantstromladen===

Für Lithium- und Bleiakkus kommt dieses Verfahren zum Einsatz. Es
hat zwei Parameter: den max. Ladestrom und die Ladeschlußspannung.

Zu Beginn des Ladevorganges liegt die Akkuspannung unterhalb der
Ladeschlußspannung, es wird mit dem maximalen Ladestrom geladen. Bei
Erreichen der Ladeschlußspannung wird der Strom sukzessive reduziert,
um den Akku genau auf der Ladeschlußspannung zu halten, fällt der
Strom dann unter einen Mindestwert, ist der Ladevorgang beendet.

Wesentlich bei diesem Ladeverfahren ist die korrekte
Ladeschlußspannung: bei Lithium-Akkus ist sie von der konkreten Bauart
abhängig und muß auf wenige mV genau eingehalten werden, bei Bleiakkus
ist sie von der Bauart und der Temperatur abhängig, dafür nicht so
exakt einzuhalten.

--[[Benutzer:Cmock|Cmock]] 03:27, 31. Aug 2009 (CEST)

[[Kategorie:Grundlagen]]

Akku-Grundlagen

2009-08-31T01:25:55Z

Cmock:

Akku-Grundlagen

2009-08-31T01:22:48Z

Cmock: erste fassung