Fachlexikon Mechatronik / Akku

Akkumulator

Akkumulatoren (Akku) sind wiederaufladbare Zellen, die in Form von Gleichstrom zugeführte Energie als chemische Energie speichern (Laden) und bei Bedarf wieder als elektrische Energie abgeben (Enladen). Sind mehrere elektrische Zellen (Elemente) zusammengefasst, so nennt man diese Akkupack, Akkumulatorbatterien bzw. im allgemeinen Sprachgebrauch Akku. Das Akkupack besteht aus mehreren, in Reihe verlöteten Einzelzellen. Die Akkuspannung ist abhängig von der Zellenspannung des Elementes und der Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen. Die Kapazität bleibt die der Einzelzelle. Ein üblicher 4,8V-NiCd-Akku besteht beispielsweise aus 4 Zellen zu je 1,2V.

Akku-Typ	Ni-Cd	Ni-MH	Li-Ion	RAM-Zelle	Blei-Akku
Zellenspannung	1,2 V flat	1,2 V sloping	3,6 V flat	1,5 V	2,0 V
Spannungsfenster	0,8 - 1,3 V	0,8 - 1,4 V	2,7 - 4,1 V	...1,73 V	1,84 - 2,23 V
Spezifische Energie (Wh/kg)	50	60	110
Energiedichte (Wh/I)	150	220	250
Lebensdauer	> 500	> 1000	> 1000	> 100
Selbstentladerate pro Tag	< 0,5 %	< 1,5 %	< 0,2 %	ca. 0,01 %	0,1...0,2 %
Faradischer Wirkungsgrad	< 75 %	< 75 %	100 %		90 %
Ladeverfahren	Konstantstrom	Konstantstrom	I/U	Konstantspg.	I/U
max. Ladestrom	4 C	1,5 C	1 C
Temperaturbereich Ladung	- 10...50°C	-10...40°C	0...50°C
Temperaturbereich Entladung	- 20...60°C	- 20...60°C	- 20...60°C

Ladetechniken
Man unterscheidet nach folgenden Ladevertechniken: Standard-Ladetechnik mit einem unabhängig von der Kapazität bestimmten Ladestrom. Es wird keine Anpassung des Ladestromes vorgenommen. Eine Abschaltung nach beendeter Ladung erfolgt nicht. Der Anwender sollte deshalb unbedingt die Ladezeit (abhängig von Ladestrom, Akkukapazität und Ladezustand) berechnen und rechtzeitig eine Abschaltung vornehmen. Bei zeitgesteuerten Ladegeräten übernimmt ein eingebauter Timer die Ladestrom-Abschaltung. Die Ladezeit und die Ladeströme sind fest voreingestellt. Eine individuelle Anpassung auf den jeweiligen Akkutyp erfolgt nicht. Gefährliche Überladungen der Akkus sind aber weitgehend ausgeschlossen. Mit der gebräuchlichsten Delta-Peak-Lademethode wird der Akku nahezu auf seine Leistung aufgeladen. Beim Ladevorgang steigt die Spannung stetig an bis im vollgeladenen Zustand die Spannung kurz einbricht. Das Delta-Peak-Ladegerät überwacht diesen Spannungseinbruch (100 bis 200 mV bei NiCd bzw. 50 bis 100 mV bei NiMH) und schaltet in diesem Moment den Ladevorgang ab. Das Gerät zeigt über LED oder Display an, dass der Akku vollgeladen ist. Mikroprozessorgesteuerte Ladetechniken erkennen zudem den Akkutyp, sowie seinen Ladezustand. Der Ladestrom wird individuell angepasst. So werden die Akkus immer zu 100% geladen, jedoch niemals überladen. Dies erhöht die Kapazität und die Lebensdauer der Akkus.

Ladeverfahren
Beim Laden mit konstanten Strom beziehen sich die Stromwerte immer auf die Nennkapazität. Das heißt: Ein Akku mit 1200 mAh wird mit 1/10 der Nennkapazität = 120 mA geladen. Man unterscheidet folgende Ladeverfahren: Standardladen mit 1/10 Strom der Nennkapazität mit einer Dauer von 14-16 h. Beschleunigtes Laden mit 3/10-4/10 der Nennkapazität mit einer Dauer von 4-6 h. Schnellladen mit 1,5fachen Strom der Nennkapazität mit einer Dauer von 1-1,5h. Erhaltungsladen mit einem kontinuierlichen Strom von 1/30 der Nennkapazität.

NiCd-Akku
Der bekannteste Akku-Typ ist der NiCd-Akku. Leider sind die Komponenten dieses Akku-Typs ziemlich giftig und müssen als Sondermüll entsorgt werden. Nachteilig ist besonders das Auftreten des sogenannten Memory-Effektes, bei der ein nicht vollständig entladener Akku bei mehrfachem vorzeitigen Wiederaufladen einen Teil seiner Kapazität verliert. Die Folge ist meist ein geschädigter Akku mit einem unwiederbringlichem Kapazitätsverlust. Die von den meisten Herstellern mitgelieferten Billigladegeräte tragen zu einem schnellen Akkuverschleiß bei. Entgegenwirken kann man diesem Effekt durch moderne, prozessorgesteuerte Ladegeräte, die den Akku vor dem Laden definiert entladen. Richtiges Laden: NiCd-Akkus werden mit 1/10 der Nennkapazität bei konstantem Strom ca. 14 Stunden geladen. (Normalladung) Beispiel: Eine Mignonzelle mit 500 mAh sollte 14 Stunden mit einem konstanten Strom von 50 mA geladen werden. Eine Überladung bis 1/10 ist in der Regel unbedenklich, sollte aber bei Zellen mit Masseelektroden vermieden werden. Die Erhaltungs- oder Pufferladung, d.h. die zulässige unbegrenzte Dauerladung darf maximal 1/20 betragen. Beispiel: Eine Mignonzelle mit 500 mAh darf dauernd mit 16-25 mA geladen werden. Eine Schnelladung darf nur bei Zellen mit Sinterelektroden durchgeführt werden. Es sollte darauf geachtet werden, dass der Akku nur bis zu seiner Nennkapazität vollgeladen wird. Vorher entlädt man die Zellen auf ca. 0,8 Volt Zellenspannung. Bei Spannungen unter 0,8V würde der Akku einen Schaden erleiden. Die Ladezeit in Stunden errechnet man, indem man die Kapazität in mAh durch den Ladestrom in mA dividiert und mit 1,4 multipliziert. Formel: (T = K : I x 1,4) Durch die Schnelladung erreicht eine Zelle nur ca. 85-95% ihrer Nennkapazität. Lädt man sie anschließend mit Normalladung 1-2 Stunden, so wird die volle Kapazität erreicht. Alle Angaben beziehen sich auf eine Umgebungstemperatur von 20° C. Höhere Temperaturen bedingen eine Erhöhung des Ladestroms, bei niedrigeren Temperaturen sollte der Ladestrom abgesenkt werden. Sollte das Ladegerät eine Temperaturerkennung haben, so sollten die NiCd-Akkus nur bis zur max. Zellentemperatur von 45°C geladen werden.

NiMH-Akku
Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH-Akku) ersetzen immer die NiCd-Akkus. NiMH-Akkus kommen meist in preisgünstigen Handies und Laptops zum Einsatz. Die Zellenspannung beträgt wie beim NiCd 1,24 Volt. NiMH-Akkus speichern im Vergleich zu NiCd-Akkus bei gleichem Volumen doppelt so viel Energie, haben einen deutlich reduzierten Memory-Effekt und eine längere Lebensdauer, dafür aber längere Ladezeiten. Bei der Umweltfreundlichkeit hat der NiMH-Akku die Nase vorne, er enthält wesentlich weniger giftige Stoffe, als der NiCd-Akku. Ein Nachteil der NiMH-Zelle ist die Empfindlichkeit gegen eine Überladung und die relativ hohe Selbstentladung. Auch hohe Entladeströme können von diesem Akkutyp nicht abgegeben werden. NiMH-Akkus sollten nur in hochwertigen Ladestationen aufgefrischt werden, da sie leicht überhitzen können und empfindlich auf Kälte reagieren.

Lithium-Ionen-Akku
	Der Lithium-Ionen-Akku setzt neue Maßstäbe. Der seit 1991 erhältliche Li-Ion-Akku bietet Vorteile hinsichtlich der Speicherdichte, der Baugröße und des Gewichts. Leider ist der Lithium-Ionen-Akku auch etwas teurer. Li-Ion-Akkus verfügen bei gleichem Gewicht, im Vergleich zu NiCd-Akkus über dreimal mehr Energie, bei gleichem Volumen über zweimal mehr Energie. Durch seine Zellenspannung von 3,6-3,8 Volt braucht man für viele Anwendungen nur noch eine Zelle. Ein Memory-Effekt ist praktisch nicht vorhanden, das Nachladen kann deshalb jederzeit, bei jedem Kapazitätszustand erfolgen. Ein kleiner Nachteil ist die Temperaturabhängigkeit einer solchen Zelle. Die empfohlene Betriebstemperatur beträgt 5-30° C, außerhalb dieses Bereichs ist die Kapazität dementsprechend geringer. Der Ladevorgang von sekundären Lithium-Ionen-Batterien funktioniert nach folgenden Prinzip: Beim Ladeprozess werden Lithium-Ionen aus dem Lithium-Übergangsmetalloxid ausgelagert, zur negativen Elektrode transportiert und dort in das Wirtsgitter des Kohlenstoffes eingelagert. Beim Entladeprozess verläuft der Prozess umgekehrt. Der Elektrolyt dient nur als Transportmedium für die Lithium-Ionen und nimmt selbst nicht an der Reaktion teil. Dadurch kann der Elektrolytfilm sehr dünn ausgelegt werden. So erzielen Lithium-Akkus eine spezifische Energie von 120 bis 160 Wh/kg und eine Energiedichte von 200 bis 300 Wh/l.

Lithium-Polymer-Zelle
Die Lithium-Polymer-Zelle benötigt kein festes Gehäuse. Ein durch Aluminiumfolie verstärkte Platikfolie genügt als Verpackung. In diese werden die Zellen unter Vakuum eingeschweißt. Die Flexibilität des Designs macht die Lithium-Polymer-Zellen besonders attraktiv für Mobiltelefone, Notebooks und akkubetriebene Handwerkzeuge.

Blei-Akku
Blei-Akkus bestehen aus einer positiven Elektrode mit Bleidioxid (PbO2) und einer negativen Elektrode aus einer Bleiplatte. Diese beiden Platten haben eine gitterartige Struktur. Als Elektrolyt wird Schwefelsäure verwendet, deren Säuredichte im entladenen Zustand bei 1,14 g/cm³ und geladen bei 1,28 g/cm³ liegt. Bei Blei-Gel-Batterien wird ein Gel als Elektrolyt verwendet. Der Ladezustand einer Bleibatterie lässt sich mit einem Säureheber oder durch genaue Spannungsmessungen feststellen. Bei einer verschlossenen Gel-Batterie ist Feststellung des Ladezustand nur durch Spannungsmessung möglich. Wird der Ladezustand durch Spannungsmessung ermittelt, sollte die Batterie vorher über längere Zeit (ca. 10 - 12 Stunden) nicht beansprucht werden.

Ermittlung des Spannungszustandes durch Spannungsmessung (bei 25°C)
Ladezustand:	geladen	50%	25%	tiefentladen
Zellenspannung:	über 2,1 V	ca. 2,05 V	ca. 2,0 V	unter 1,7 V

Als Ladeverfahren wird das I/U-Verfahren angewendet. Die verschiedenen Ladeverfahren unterscheiden sich durch den Strom- und Spannungsverlauf während des Ladens und durch entsprechende Ladezeiten. Für die zur Zeit in der Praxis eingesetzen Ladegeräte sind in DIN 41772 die Formen und Kurzzeichen der Kennlinien festgelegt. Die optimale Ladekennlinie für Bleibatterien ist die IUoU Ladekennlinie. Dabei wird die Blei-Zelle mit konstanten, maximalen Ladestrom aufgeladen, bis die Batteriespannung den Gasungspunkt (2,4V/Zelle) erreicht hat. Nach Erreichen der Gasungsspannung wird die Gerätespannung konstant gehalten. Der Ladestrom klingt mit zunehendem Füllgrad der Batterie ab, bis zur Vollladung. Jetzt wird auf Erhaltungsladung (2,3V/Zelle) umgeschaltet. Blei-Zellen verlieren durch Selbstentladung pro Tag etwa 0,1..0,2 % ihrer Kapazität. Bei längerer Nichtnutzung muss deshalb der Ladungsverlust regelmäßig ausgeglichen werden, oder besser eine regelmäßige Aktivierung der Batterie durch definiertes Entladen mit anschließendem Wiederaufladen durchgeführt werden. Aufgrund des Kapazitätsverlustes werden Blei-Akkus nach ca. 6 jähriger Betriebsdauer im professionellen/kommerziellen Bereich ersetzt, weil ein störungsfreier Betrieb nicht mehr garantiert werden kann. Angewendet werden Blei-Akkus überall dort, wo eine hohe Strombelastbarkeit erforderlich ist. Dabei muss beachtet werden, dass Blei-Akkus ein sehr hohes Gewicht haben. Beispielsweise werden sie als Starterakku, zur Netzausfallreserve und in der Solarenergie eingesetzt.
Verschlossene Batteriesystem wie beispielsweise Gel-Batterien sind wartungsfrei und betriebssicher. Beim Laden von Bleibatterien wird Wasser durch die Nebenreaktion mit Wasserstoff- und Sauerstoffbildung freigesetzt. Deshalb müssen normale Bleibatterien gewartet werden, indem das Wasser kontrolliert oder auffüllt. Verschlossene Batterien sind mit einem Ventil verschlossen und der Elektrolyt ist in dem Gel oder Vlies festgelegt. Dies ermöglicht einen lageunabhängigen Einbau und verringert zudem das Gefahrenpotential beim Transport, bei der Montage und während des Betriebs gegenüber geschlossenen Batterien. Im Gegensatz zur typischen Gasung von Nassbatterien (Batterien mit Flüssigelektrolyt) sind verschlossene Batteriesysteme gasungsarm. Dies beruht auf die Verwendung einer Blei-Calcium-Legierung anstatt Antimon wie es bei Bleiplatten von herkömmlichen Nass-Batterien der Fall ist.

RAM-Zelle
RAM-Zellen (Rechargeable Alkali Mangan) sind wiederaufladbare Alkali-Mangan-Zellen, deren größter Vorteil es ist, die volle Zellenspannung einer Batterie mit 1,5 V zur Verfügung zu stellen, bei gleichzeitiger Nachladefähigkeit. Sie wurden als nahezu vollwertiger Ersatz für die Einweg-Batterie entwickelt und sind sehr gut für alle Anwendungen mit geringer bis mittlerer Belastung geeignet. RAM-Zellen weisen nur eine sehr geringe Selbstentladung auf und sind deshalb lange lagerfähig. RAM-Zellen sind schnellladefähig, erfordern allerdings ein spezielles Ladegerät. Zu beachten ist jedoch, dass die Zellen nicht hochstromfähig sind. Deshalb sind die aufladbaren alkalischen Batterien nicht für Anwendungen mit hohem Stromverbrauch wie z.B. Digitalkamera, Blitzgeräte, usw. geeignet. Da die Batterien keinen Memory-Effekt aufweisen und um die Lebensdauer zu verlängern, sollten die Batterien so oft wie möglich aufgeladen werden. Auch nach einer nur teilweisen Entladung. Eine Tiefentladung unter 0,9 V sollte in jedem Fall vermieden werden.