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Programmierbare intelligente Ladegeräte für Blei- und Lithium-Akkus

Erfahren Sie mehr über die Vorteile programmierbarer Ladegeräte für Blei- und Lithium-Akkus und deren optimale Anpassung an verschiedene Akkutypen.

Akkus haben sich in den letzten Jahren als eine der zugänglichsten Energiespeicherlösungen etabliert und finden heute Anwendung in Unterhaltungselektronik, mobilen Werkzeugen, unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen (USV), Elektrofahrzeugen und der Speicherung erneuerbarer Energien.

Die unterschiedlichen Eigenschaften von Akkutypen stellen jedoch sowohl Verbraucher als auch Ingenieure vor Herausforderungen bei der Auswahl der passenden Akkus und Ladegeräte. Dieser Artikel beleuchtet die Unterschiede zwischen den beiden gängigsten Akkutypen – Bleisäure- und Lithium-Akkus – und gibt einen Überblick über die Auswahl eines geeigneten Ladegeräts.

Eigenschaften von Blei- und Lithium-Akkus

Blei-Säure-Akkus gehören zu den am weitesten verbreiteten Akkutypen und haben eine lange Geschichte. Sie bieten Vorteile wie eine hohe Toleranz gegenüber Ladespannungen, eine starke Stoßstromfähigkeit, einen breiten Betriebstemperaturbereich und niedrige Kosten. Aufgrund dieser Eigenschaften werden sie häufig als Starterbatterien in Fahrzeugen, für den Antrieb von Gabelstaplern und in Notstromsystemen eingesetzt. Allerdings weisen sie auch einige Nachteile auf, darunter eine hohe Selbstentladungsrate, ein hohes Gewicht und eine relativ kurze Zyklenlebensdauer von etwa 300 bis 1.000 Ladezyklen, abhängig von der Entladetiefe. Dadurch sind sie für langfristige Energiespeicherlösungen nur eingeschränkt geeignet.

Lithium-Akkus hingegen zeichnen sich durch eine deutlich höhere Zyklenlebensdauer von 1.000 bis 3.000 Ladezyklen, eine geringe Selbstentladung und eine hohe Energiedichte aus, was sie ideal für die langfristige Energiespeicherung macht. Je nach Kathodenmaterial gibt es unterschiedliche Lithium-Akkus mit spezifischen Eigenschaften:

  • Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) bietet eine hohe Energiedichte und wird bevorzugt in Unterhaltungselektronik verwendet.
  • Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) zeichnet sich durch eine längere Lebensdauer und eine hohe thermische Stabilität aus, wodurch er sich besonders für Energiespeicherlösungen eignet.

Ein wesentlicher Nachteil von Lithium-Akkus ist das potenzielle Brandrisiko bei Überhitzung. Daher ist eine präzise Überwachung beim Laden und Entladen erforderlich, um die Sicherheit zu gewährleisten.

Ladeparameter und Ladekurven für Akkus

Die Nennspannung einer einzelnen Blei-Säurezelle beträgt etwa 1,8 bis 2,3 V DC. Typischerweise können diese Akkus mit einem C-Koeffizienten von 0,1C bis 0,3C geladen werden. In handelsüblichen Akkus sind mehrere Zellen in Reihe und parallel geschaltet, um eine höhere Kapazität und gängige Ausgangsspannungen wie 12 V, 24 V oder 48 V DC zu erreichen.

Die Bezeichnung "12 V", "24 V" oder "48 V" dient als allgemeiner Spannungsbereichsindikator, da die tatsächliche Spannung je nach Ladezustand variiert. Zum Beispiel liegt die Leerlaufspannung einer 12 V Blei-Säure-Batterie typischerweise zwischen 10,8 V (30 % Batteriekapazität) und 13,8 V (100 % Kapazität). Diese dynamische Spannungsänderung hängt direkt mit der verbleibenden Kapazität des Akkus zusammen.

Was bedeutet „C-Koeffizient“?

Der C-Koeffizient (auch C-Faktor oder C-Rate) beschreibt das Verhältnis zwischen dem maximal zulässigen Lade- oder Entladestrom und der Kapazität eines Akkus. Diese Kennzahl ermöglicht einen direkten Vergleich von Akkus mit unterschiedlichen Kapazitäten

Der Kehrwert des C-Koeffizienten gibt die Zeit an, die ein Akku benötigt, um bei maximalem Strom vollständig geladen oder entladen zu werden.

  • Ein C-Koeffizient von 1C bedeutet, dass der Akku innerhalb von einer Stunde geladen oder entladen werden kann.
  • Ein C-Koeffizient von 0,3C bedeutet, dass der Ladevorgang 3 Stunden und 20 Minuten dauert (1/0,3 h = 3,33 h = 3 h 20 min).

3-Stufen-Ladung für Blei-Säure-Akkus

Aufgrund der hohen Selbstentladung von Blei-Säure-Akkus wird häufig die 3-Stufen-Ladung empfohlen:
1. Konstantstrom-Ladung: Das Ladegerät begrenzt den Ausgangsstrom auf den maximalen Nennwert und erhöht langsam die Ausgangsspannung.
2. Konstantspannungs-Ladung: Sobald die Akkuspannung die maximale Ladespannung erreicht, hält das Ladegerät diese Spannung konstant und reguliert den Ladestrom.
3. Erhaltungsladung: Wenn der Ladestrom unter 10 % des Nennladestroms fällt, reduziert das Ladegerät die Spannung, um Überladung zu vermeiden, während es weiterhin geringe Mengen Strom liefert, um die Selbstentladung auszugleichen.
Diese Methode sorgt für eine schonende Ladung und verlängert die Lebensdauer des Akkus, indem Überladung und unnötige Belastung vermieden werden.

Ladeparameter für Lithium-Akkus

Lithium-Akkus haben Nennspannungen zwischen 3,2 V und 4,4 V und können mit einem maximalen C-Koeffizienten von bis zu 1C geladen werden. Selbst Akkus mit identischen Materialien können je nach Hersteller unterschiedliche Nennspannungen und Ladeströme aufweisen.

Im Gegensatz zu Blei-Säure-Akkus sind Lithium-Akkus empfindlich gegenüber zu hoher Ladespannung und benötigen keine Erhaltungsladung, um ihren Ladezustand zu halten. Daher erfolgt die Ladung meist mit einem zweistufigen Ladeverfahren (siehe Abbildung 2), das ohne die Erhaltungsladestufe auskommt.

Batteriemanagementsysteme (BMS) für große Lithium-Akkubänke

Ein häufiges Problem bei großen Lithium-Akkubänken ist die unterschiedliche Fertigungstoleranz der Zellen, wodurch der äquivalente Serienwiderstand (ESR) nicht perfekt abgestimmt ist. Diese Unterschiede führen dazu, dass einzelne Zellen innerhalb derselben Akkubank unterschiedlich geladen oder entladen werden.

Folgen eines Zellungleichgewichts:

  • Zellen mit niedrigem ESR werden schneller geladen/entladen und altern dadurch schneller.
  • Dies verkürzt die Lebensdauer des Akkus und kann das Risiko eines thermischen Durchgehens erhöhen, was ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellt.
Lösung: Batteriemanagementsystem (BMS)
Um dieses Problem zu vermeiden, sollten große Lithium-Akkubänke immer mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) ausgestattet sein. Das BMS gleicht die Ladezustände der Zellen entweder passiv oder aktiv aus:

  • Passives BMS:
    - Entlädt vollere Zellen mithilfe von Leistungswiderständen, um ein Gleichgewicht herzustellen.
    - Vorteil: Einfach in der Konstruktion.
    - Vorteil: Einfach in der Konstruktion.
  • Aktives BMS:
    - Lädt die Zellen individuell auf, um die Ladezustände optimal anzugleichen.
    - Vorteil: Effizientere Ladesteuerung und längere Lebensdauer der Akkubank.
    - Zusätzlicher Nutzen: Akkubänke mit einem aktiven Ausgleichs-BMS benötigen teilweise nur AC/DC-Netzteile mit konstanter Spannung als Ladegerät, da das BMS die Ladesteuerung für jede einzelne Zelle übernimmt.
Ein effektives BMS ist entscheidend für die Sicherheit, Langlebigkeit und Effizienz großer Lithium-Akkubänke, insbesondere in energieintensiven Anwendungen.
Programmierung der Ladekurven und -Parameter

Akkus mit unterschiedlicher Zusammensetzung und von verschiedenen Herstellern weisen oft spezifische Eigenschaften auf. Um Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Sicherheit zu gewährleisten, wird daher empfohlen – und für Lithium-Akkus sogar zwingend vorgeschrieben – die Ladekurve entsprechend zu optimieren.

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 zusammen mit dem intelligenten Programmiergerät SBP-001 eine hohe Flexibilität und eine benutzerfreundliche Schnittstelle zur individuellen Anpassung der Ladekurve.

Ein Beispiel für eine programmierbare Ladekurve ist das bewährte HEP-1000-48. Standardmäßig ist es als Konstantspannungsnetzteil mit 48 V DC und maximal 1008 W ausgelegt. Mit dem MEAN WELL Smart Charger Programmiergerät SBP-001 kann es jedoch zu einem intelligenten Ladegerät umprogrammiert werden. Die Standard-Ladekurve umfasst eine 3-Stufen-Ladung (siehe Abbildung 3) für Blei-Säure-Akkus mit einer Boost-Ladespannung von 57,6 V DC und einer Floating-Ladespannung von 55,2 V DC.

Zur weiteren Anpassung lassen sich die Ladespannung im Bereich von 36 bis 60 V DC und der Ladestrom von 3,5 bis 17,5 A individuell einstellen, um die Anforderungen unterschiedlicher Blei-Säure-Akkus optimal zu erfüllen.

Flexible Anpassung der Ladekurven für Lithium-Akkus

Über die Programmieroberfläche lässt sich die 3-Stufenladung auf eine 2-Stufenladung umstellen, wodurch das HEP-1000-48 auch für das Laden von Lithium-Akkus geeignet ist.

Zum Beispiel kann eine 20 Ah LiFePO4-Batterie mit einer maximalen Ladespannung von 56 V DC optimal geladen werden, indem die in Abbildung 4 gezeigten Optionen "CV" (Constant Voltage) und "CC" (Constant Current) auf 56 V DC und 17,5 A eingestellt werden. Dies ermöglicht die schnellstmögliche Ladung.

Zusätzlich kann der Benutzer den Ladestrom reduzieren, um einen durch hohe Ströme verursachten Temperaturanstieg zu vermeiden, oder die Ladespannung senken, um das Risiko einer Überladung des Akkus zu minimieren. Diese individuellen Anpassungen tragen dazu bei, die Sicherheit, Effizienz und Lebensdauer des Akkus zu maximieren.

Die programmierbaren Ladegeräte von MEAN WELL ermöglichen eine individuelle Anpassung der Ladekurven, die für das optimale Laden von Blei- und Lithium-Akkus erforderlich sind. Durch die präzise Einstellung von Ladespannung und Ladestrom wird der Akku geschont, seine Kapazität optimal genutzt und die Lebensdauer erheblich verlängert. Diese Flexibilität sorgt für eine effiziente, sichere und langlebige Energieversorgung in unterschiedlichsten Anwendungen.

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