Der Akku hat in den letzten Jahren einen enormen Aufschwung erlebt und ist heute eine der meistgenutzten Energiespeicherlösungen. Er findet Anwendung in zahlreichen Bereichen wie Unterhaltungselektronik, mobilen Werkzeugen, unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen, Elektrofahrzeugen und der Speicherung erneuerbarer Energien. Die unterschiedlichen Eigenschaften der verschiedenen Akkutypen stellen jedoch sowohl Verbraucher als auch Ingenieure vor technische Herausforderungen bei der Auswahl von Akkus und Ladegeräten. Dieser Artikel bietet eine detaillierte Betrachtung der Unterschiede zwischen den beiden gängigsten Typen, Bleisäure- und Lithium-Akkus, sowie eine umfassende Anleitung zur Auswahl eines geeigneten Ladegeräts.
Inhaltsverzeichnis: Das erwartet Sie in diesem Artikel
Preisvorteil von Blei-Säure-Akkus im Vergleich zu anderen Typen
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, weshalb sie sich weniger für die Speicherung erneuerbarer Energien eignen.
Im Gegensatz zu Blei-Säure-Akkus haben Lithium-Akkus eine viel längere Lebensdauer von etwa 1000 bis 3000 Ladezyklen. Darüber hinaus weisen sie eine geringe Selbstentladung und eine hohe Energiedichte auf, was sie zu idealen Energiespeichern für langfristige Anwendungen macht. Es gibt verschiedene Arten von Lithium-Akkus, je nach verwendetem Kathodenmaterial. Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) bietet eine hohe Energiedichte und wird daher häufig in der Unterhaltungselektronik eingesetzt. Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) zeichnet sich durch eine längere Lebensdauer und eine relativ gute thermische Stabilität aus, was es zu einer besseren Option für Energiespeicherlösungen macht. Allerdings besteht bei Lithium-Akkus die Gefahr von Bränden bei Überhitzung, weshalb eine genaue Überwachung beim Laden und Entladen erforderlich ist.
Leerlaufspannung als Indikator für den Ladezustand von Bleisäurebatterien
Abb. 3: Programmieroberfläche, HEP-1000-48, 3-Stufenladung (Foto: FORTEC Power GmbH)
Die Nennspannung einer einzelnen Bleisäurezelle liegt in einem Bereich 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) 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).
Warum der C-Koeffizient für die Leistungsfähigkeit eines Akkus entscheidend ist
Der C-Koeffizient, auch C-Faktor oder C-Rate genannt, definiert das Verhältnis zwischen dem maximal zulässigen Lade- oder Entladestrom und der Kapazität des Akkus. Dieser Koeffizient ermöglicht den Vergleich des relativen Lade- oder Entladestroms von Akkus unterschiedlicher Kapazität. Ein C-Koeffizient von 1C bedeutet, dass der Akku innerhalb einer Stunde vollständig geladen oder entladen werden kann. Im Falle eines Ladestroms von 0,3C würde der Akku in etwa 3 Stunden und 20 Minuten vollständig geladen werden.
Die 3-Stufenladung wird empfohlen, um die hohe Selbstentladung von Blei-Säure-Akkus zu reduzieren. Der Ladezyklus beginnt mit einer Aufladung bei Konstantstrom, bei der das Ladegerät den Ausgangsstrom begrenzt und die Ausgangsspannung langsam erhöht. Sobald die maximale Ladespannung erreicht ist, schaltet das Ladegerät auf eine Konstantspannung um. Dieses Ladeverfahren gewährleistet eine optimale Ladung der Akkus und verhindert eine Überladung.
Das Ladegerät liefert eine konstante Ausgangsspannung und überwacht den Ladestrom. Sobald der Strom 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 verhindern. Obwohl der Akku fast vollständig geladen ist, zieht er weiterhin einen geringen Strom, um die Selbstentladung auszugleichen.
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. 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 oft mit einem zweistufigen Ladeverfahren ohne Erhaltungsladestufe geladen, um eine Überladung zu vermeiden und ihre Lebensdauer zu maximieren.
Die unterschiedliche Fertigungstoleranz der Zellen stellt bei großen Lithium-Akkubänken eine Herausforderung dar. Aufgrund des nicht perfekt abgestimmten äquivalenten Serienwiderstands (ESR) 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 maximieren und eine optimale Leistung zu gewährleisten, sollte ein Batteriemanagementsystem (BMS) verwendet werden, das die Zellen überwacht und ausgleicht.
Das Ungleichgewicht in der Ladungsverteilung der Zellen eines Akkus kann zu einer verkürzten Lebensdauer und möglichen Sicherheitsproblemen führen. Um dieses Problem zu lösen, empfiehlt es sich, 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 maximieren 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 herzustellen ist, ist es nicht besonders effizient und weniger wirksam im Vergleich zum aktiven BMS. Im Gegensatz dazu lädt das aktive BMS 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.
Individuelle Ladekurven für optimale Akkuleistung 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 bieten eine individuelle Anpassung der Ladekurve für Akkus mit unterschiedlicher Zusammensetzung und von verschiedenen Herstellern. Mit dem intelligenten Programmiergerät SBP-001 können die Ladeparameter genau eingestellt werden, um eine optimale Ladeeffizienz und eine längere Lebensdauer der Akkus zu gewährleisten. Die benutzerfreundliche Schnittstelle erleichtert die Anpassung und ermöglicht eine präzise Steuerung des Ladevorgangs.
Das HEP-1000-48 ist ein 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 individuell anzupassen. Die vorgefertigte Ladekurve besteht aus drei Stufen und ist speziell für den Einsatz mit Blei-Säure-Akkus optimiert. 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 variieren.
Mithilfe 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 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 gewährleisten. Der Ladestrom kann auch reduziert werden, um eine Überhitzung zu vermeiden, und die Ladespannung kann gesenkt werden, um eine Überladung des Akkus zu verhindern.
MEAN WELL Ladegeräte nutzen vorhandene Akkukapazität durch Anpassung der Ladekurven
Mit den programmierbaren Ladegeräten von MEAN WELL können Ladekurven individuell angepasst werden, um Blei- oder Lithium-Akkus optimal zu laden. Die präzise Einstellung der Ladespannung und des Ladestroms gewährleistet den Schutz der Akkus, eine effiziente Nutzung ihrer Kapazität und eine Verlängerung ihrer Lebensdauer.
