Der Akku hat in den letzten Jahren einen großen Sprung nach vorne gemacht und zählt mittlerweile zu den beliebtesten Energiespeicherlösungen. Er findet Anwendung in einer Vielzahl von Bereichen wie Unterhaltungselektronik, mobilen Werkzeugen, unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen, Elektrofahrzeugen und der Speicherung erneuerbarer Energien. Die unterschiedlichen Eigenschaften der verschiedenen Akkutypen stellen jedoch Verbraucher und sogar 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 diskutiert.
Inhaltsverzeichnis: Das erwartet Sie im Artikel
Blei-Säure-Akkus: Stoßstromfähigkeit und Betriebstemperaturbereich als Vorteile
Abb. 2: 2-Stufenladung (Foto: FORTEC Power GmbH)
Blei-Säure-Akkus sind aufgrund ihrer hohen Stoßstromfähigkeit und Toleranz bei der Ladespannung in vielen Anwendungen sehr beliebt. 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.
Im Gegensatz zu Blei-Säure-Akkus weisen Lithium-Akkus eine deutlich längere Lebensdauer von etwa 1000 bis 3000 Ladezyklen auf. Zusätzlich dazu haben sie eine geringe Selbstentladung und eine hohe Energiedichte, was sie ideal für die langfristige Energiespeicherung macht. Abhängig vom Kathodenmaterial gibt es verschiedene Arten von Lithium-Akkus. Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) zeichnet sich durch seine hohe Energiedichte aus und wird daher häufig in der Unterhaltungselektronik eingesetzt. Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) hingegen hat eine längere Lebensdauer und eine relativ gute thermische Stabilität, was ihn zu einer besseren Option für Energiespeicherlösungen macht. Ein möglicher Nachteil von Lithium-Akkus ist jedoch ihre Brandgefahr bei Überhitzung, weshalb beim Laden und Entladen eine sorgfältige Überwachung erforderlich ist.
Leerlaufspannung gibt Aufschluss über Batteriekapazität bei Bleisäureakkus
Abb. 3: Programmieroberfläche, HEP-1000-48, 3-Stufenladung (Foto: FORTEC Power GmbH)
Die Nennspannung einer einzelnen Bleisäurezelle beträgt normalerweise 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) 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).
Die Funktion des C-Koeffizienten beim Laden und Entladen von Akkus
Der C-Koeffizient, auch bekannt als C-Faktor oder C-Rate, ist ein Verhältnis zwischen dem maximalen zulässigen Lade- oder Entladestrom und der Kapazität des Akkus. Durch die Verwendung dieses Koeffizienten kann der relative Lade- oder Entladestrom von Akkus unterschiedlicher Kapazität verglichen werden. 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.
Die 3-Stufenladung wird 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 stellt eine konstante Ausgangsspannung bereit und überwacht den Ladestrom. Wenn der Strom auf etwa 10 % des Nennladestroms absinkt, wechselt das Ladegerät in den Erhaltungsmodus. In dieser Phase reduziert das Ladegerät die Ausgangsspannung, um eine Überladung zu vermeiden. Obwohl der Akku fast vollständig geladen ist, zieht er weiterhin einen kleinen Strom, um die Selbstentladung auszugleichen.
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. Diese Spannungen können je nach Hersteller und Material variieren. Im Gegensatz zu Blei-Säure-Akkus können Lithium-Akkus mit einem maximalen C-Koeffizienten von bis zu 1C geladen werden, was bedeutet, dass sie relativ schnell geladen werden können. Lithium-Akkus benötigen keine Erhaltungsladung, um ihren Ladezustand aufrechtzuerhalten, und werden normalerweise mit einem zweistufigen Ladeverfahren ohne Erhaltungsladestufe geladen, um eine Überladung zu vermeiden.
Bei großen Lithium-Akkubänken stellt die unterschiedliche Fertigungstoleranz der Zellen 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 Leistung und Lebensdauer des Akkus zu optimieren, ist es ratsam, ein Batteriemanagementsystem (BMS) einzusetzen, das die Zellen überwacht und ausgleicht.
Ein Ungleichgewicht in der Ladungsverteilung der Zellen eines Akkus kann zu einer verringerten Lebensdauer und Sicherheitsrisiken führen. Um dieses Problem zu lösen, 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 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. Obwohl ein passives BMS relativ einfach zu konstruieren ist, ist es weniger effizient und weniger wirksam im Vergleich zum aktiven BMS. Das aktive BMS hingegen lädt die Zellen einzeln auf, um die Ladezustände auszugleichen. Daher benötigen einige Lithium-Akkubänke mit aktivem Ausgleichs-BMS nur AC/DC-Netzteile mit konstanter Spannung als Ladegerät.
Akkuleistung verbessern durch individuelle Ladekurvenoptimierung
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 maßgeschneiderte Lösung für das Laden von Akkus mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Eigenschaften. 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 Handhabung und eine präzise Steuerung des Ladevorgangs.
Das HEP-1000-48 ist ein leistungsstarkes 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 umprogrammiert werden, um die Ladekurve an Ihre Bedürfnisse anzupassen. Die voreingestellte Ladekurve umfasst drei Stufen und ist speziell für Blei-Säure-Akkus optimiert. 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 einzustellen, 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 umgestellt werden, um das Laden von Lithium-Akkus zu ermöglichen. 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 erreichen. Der Ladestrom kann auch reduziert werden, um eine Überhitzung zu vermeiden, und die Ladespannung kann gesenkt werden, um eine Überladung des Akkus zu verhindern.
Effizientes Laden von Akkus mit individuell angepassten Ladekurven von MEAN WELL
MEAN WELL bietet programmierbare Ladegeräte, mit denen Ladekurven maßgeschneidert werden können, um Blei- oder Lithium-Akkus optimal zu laden. Durch die präzise Einstellung der Ladespannung und des Ladestroms werden die Akkus geschützt, ihre Kapazität bestmöglich genutzt und ihre Lebensdauer verlängert.
