Intelligente Ladegeräte mit programmierbarer Ladekurve für Blei- und Lithium-Akkus

Der Akku als eine der am leichtesten zugänglichen Energiespeicherlösungen hat in den letzten Jahren an Popularität gewonnen. Heutzutage können Akkus nicht nur in der Unterhaltungselektronik, mobilen Werkzeugen und unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen (USV) eingesetzt werden, sondern auch in Elektrofahrzeugen und bei 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 zwei der gängigsten Typen wie Bleisäure- und Lithium-Akkus, sowie die Auswahl eines geeigneten Ladegeräts erörtert.

Merkmale von Blei- und Lithium-Akkus

Blei-Säure-Akkus als einer der beliebtesten Akkutypen haben eine lange Geschichte. Zu den Vorteilen gehören eine hohe Toleranz bei der Ladespannung, eine hohe Stoßstromfähigkeit, ein weiter Betriebstemperaturbereich und ein niedriger Preis. Blei-Säure-Akkus werden häufig als Starterbatterie in Kraftfahrzeugen, für den Antrieb von Gabelstaplern sowie in Notstromsystemen eingesetzt. Die Nachteile von Blei-Säure-Akkus sind die hohe Selbstentladungsrate, das hohe Gewicht und die relativ kurze Zyklenlebensdauer (ca. 300-1000 Ladezyklen je nach Endladetiefe), weshalb sie sich nur bedingt für Energiespeicheranwendungen eignen.

Im Gegensatz zu Blei-Säure-Akkus besitzen Lithium-Akkus eine sehr viel höhere Zyklenlebensdauer (ca. 1000-3000 Ladezyklen), eine geringe Selbstentladung und eine sehr hohe Energiedichte. Damit sind sie ideal für die längerfristige Speicherung von Energie geeignet. Je nach Kathodenmaterial der Lithium-Akkus, gibt es eine Reihe von Lithium-Akkus mit unterschiedlichen Leistungen. Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) hat eine hohe Energiedichte und ist in der Unterhaltungselektronik beliebt. Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) hat eine längere Lebensdauer und eine relativ gute thermische Stabilität, was diesen Akku zu einer besseren Option für Energiespeicherlösungen macht. Der Nachteil von Lithium-Akkus besteht darin, dass die Akkus bei Überhitzung in Brand geraten können. Daher müssen Lithium-Akkus beim Laden und Entladen sehr viel genauer beachtet und überwacht werden.

Ladeparameter und -kurven zum Laden eines Akkus

Die Nennspannung einer einzelnen Bleisäurezelle beträgt etwa 1,8 – 2,3 V DC. Sie können typischerweise mit einem C-Koeffizienten von bis zu 0,3C geladen werden. Die meisten handelsüblichen Akkus haben viele Zellen in Reihe und parallelgeschaltet, um einen Akku mit großer Kapazität und einer üblichen Ausgangsspannung wie 12, 24 und 48 V DC zu bilden. Die Angabe "12 V", "24 V" oder "48 V" auf dem Akku wird nur als Hinweis auf den Spannungsbereich verwendet. Die tatsächliche Spannung ändert sich ständig in Abhängigkeit von der verbleibenden Kapazität. Beispielsweise liegt die Leerlaufspannung einer typischen 12 V Blei-Säure-Batterie zwischen 10,8 V (30 % Batteriekapazität) und 13,8 V (100 % Kapazität).

Was bedeutet „C-Koeffizient“?

Der C-Koeffizient, auch C-Faktor oder C-Rate genannt, ist definiert als der Quotient zwischen maximal zulässigem Lade- oder Entladestrom und der Kapazität des Akkus. Die so definierte Größe beschreibt einen relativen Lade- oder Entladestrom, der einen Vergleich von Akkus unterschiedlicher Kapazität ermöglicht.

Der Kehrwert des C-Koeffizienten wiederum gibt die Zeit an, bis ein Akku bei maximaler Stromstärke vollständig ge- bzw. entladen ist. Ein C-Koeffizient von 1C bedeutet also, dass der Akku innerhalb von einer Stunde ge- bzw. entladen werden kann. Das obige Beispiel von 0,3C für die Ladung des Akkus bedeutet dementsprechend, dass dieser innerhalb von 3 Stunden und 20 Minuten geladen werden kann (1/ 0,3 h = 3,33 h = 3 h 20 min).

Aufgrund der hohen Selbstentladung von Blei-Säure-Akkus wird häufig die 3-Stufenladung empfohlen. Ein typischer Ladezyklus beginnt mit der Aufladung mit Konstantstrom (siehe Abbildung 1, Stufe 1), bei der das Ladegerät seinen Ausgangsstrom auf den maximalen Nennwert begrenzt und seine Ausgangsspannung langsam erhöht. Sobald die Akkuspannung die maximale Ladespannung erreicht hat, schaltet das Ladegerät auf eine Konstantspannung um (siehe Abbildung 1, Stufe 2). Das Ladegerät beginnt, seine maximale Nennspannung konstant auszugeben und seinen Ausgangsstrom zu überwachen. Schließlich wechselt das Ladegerät in die Erhaltungsladestufe (siehe Abbildung 1, Stufe 3), wenn der Ladestrom unter etwa 10 % des Nennladestroms fällt. In dieser Phase senkt das Ladegerät seine Ausgangsspannung, um eine Überladung zu vermeiden. Obwohl der Akku zu diesem Zeitpunkt fast vollständig geladen ist, entzieht er dem Ladegerät weiterhin Strom, um seine Selbstentladung zu kompensieren.

Lithium-Akkus haben Nennspannungen von 3,2 V bis 4,4 V und können mit einem maximalen C-Koeffizienten von bis zu 1C geladen werden. Selbst Lithium-Akkus mit den gleichen Materialien, aber von verschiedenen Herstellern, können unterschiedliche Nennspannungen und Ladeströme aufweisen. Im Gegensatz zu Blei-Säure-Akkus vertragen Lithium-Akkus keine zu hohe Ladespannung und benötigen keine Erhaltungsladung, um ihren Ladezustand aufrechtzuerhalten. Daher werden Lithium-Akkus häufig mit einem zweistufigen Ladeverfahren (siehe Abbildung 2) ohne die Erhaltungsladestufe geladen.

Die unterschiedliche Fertigungstoleranz der Zellen ist ein Problem bei großen Lithium-Akkubänken. Hierdurch kann der äquivalente Serienwiderstand (ESR) von Lithiumzellen nicht perfekt aufeinander abgestimmt werden. Die Unterschiede zwischen den Zellen führen dazu, dass Zellen in derselben Bank mit einer anderen Spannung oder einem anderen Strom geladen werden können. Die Zellen mit niedrigem ESR werden immer zuerst vollständig geladen/entladen, so dass diese Zellen schneller altern und ausfallen. Das Ungleichgewicht der Zellen verkürzt nicht nur die Lebensdauer des Akkus, sondern kann auch zu einem thermischen Durchgehen führen und somit ein nicht unerhebliches Sicherheitsrisiko darstellen. Um dieses Problem zu lösen, sollten große Lithiumbatteriebänke immer mit Batteriemanagementsystemen (BMS) ausgestattet sein. Die grundlegende Funktion von BMS ist die Überwachung des Ladezustands und der Ausgleich der Zellen entweder passiv oder aktiv. Das passive BMS gleicht die Ladezustände der einzelnen Zellen aus, indem es die volleren Zellen mit Hilfe von Leistungswiderständen entlädt. Ein passives BMS ist relativ einfach zu konstruieren, aber nicht effizient und weniger wirksam. Das aktive BMS hingegen lädt die Zellen einzeln auf, um die Ladezustände anzugleichen. Da das aktive BMS die Ladesteuerung für jede Zelle übernimmt, benötigen einige Lithium-Akkubänke mit aktivem Ausgleichs-BMS nur AC/DC-Netzteile mit konstanter Spannung als Ladegerät.

Programmierung der Ladekurven und -parameter

Wie bereits erwähnt, können Akkus mit unterschiedlicher Zusammensetzung und von verschiedenen Herstellern unterschiedliche Eigenschaften haben. Es wird auch empfohlen (für Lithium-Akkus zwingend vorgeschrieben), die Ladekurve für die Akkus zu optimieren, um Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Sicherheit zu gewährleisten. 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 mit dem intelligenten Programmiergerät SBP-001 bieten eine hohe Flexibilität und eine benutzerfreundliche Schnittstelle für die Anpassung der Ladekurve. 

Als Beispiel für die Programmierung der Ladekurve betrachten wir das bewährte HEP-1000-48. Das HEP-1000-48 ist in seiner Standardkonfiguration ein Konstantspannungsnetzteil mit 48 V DC und maximal 1008 W. Das HEP-1000-48 kann mit dem MEAN WELL Smart Charger Programmiergerät SBP-001 zu einem intelligenten Ladegerät programmiert werden.  Als Standard-Ladekurve ist eine 3-Stufen-Ladekurve (siehe Abbildung 3) für typische Blei-Säure-Akkus mit einer Boost-Ladespannung von 57,6 V DC und einer Floating-Ladespannung von 55,2 V DC hinterlegt. Die Ladespannung und der Ladestrom lassen sich von 36 auf 60 V DC bzw. von 3,5 auf 17,5 A für die unterschiedlichen Arten von Blei-Säure-Akkus einstellen. 

Über die Programmieroberfläche lässt sich die 3-Stufenladung auf eine 2-Stufenladung ändern. Dadurch kann das HEP-1000-48 auch zum Laden von Lithium-Akkus verwendet werden. Zum Laden einer 20 Ah LiFePO4-Batterie mit einer maximalen Ladespannung von 56 V DC können die in Abbildung 4 gezeigten Optionen "CV" und "CC" auf 56 V DC und 17,5 A eingestellt werden, um die schnellste Ladung zu erzielen. Der Benutzer kann auch den Ladestrom senken, um einen durch hohe Ströme verursachten Temperaturanstieg zu vermeiden. Ebenfalls lässt sich die Ladespannung senken, um eine mögliche Überladung des Akkus zu verhindern.

Fazit

Die programmierbaren Ladegeräte von MEAN WELL bieten eine individuelle Anpassung der Ladekurven, die für das optimale Laden von Blei- oder Lithium-Akkus erforderlich sind. Durch die Optimierung der Ladespannung und des Ladestroms werden die Akkus geschont, die vorhandene Kapazität genutzt und die Lebensdauer verlängert.