akku ladegerät: Stromladung

Stromladung

Bei der Stromladung wird ein Akku mit einem festem oder gepulstem Strom geladen. Anders als bei der Spannungsladung ist also der geladene Strom pro Zeiteinheit konstant. Die Ladung mit Strom muss rechtzeitig, wenn der Akku voll ist, beendet werden. Folgende Ladeschlusserkennungen sind dabei üblich:

1. Ladeschlusserkennung nach Zeit
   Dies ist die einfachste, aber auch ungünstigste Ladeschlusserkennung, die in vielen günstigen Ladegeräten Anwendung findet.Geht man von einem leeren Akku aus, so braucht man einen konstanten Strom nur so lange zur Ladung fließen zu lassen, bis die Kapazität des Akkus erreicht ist. In der Praxis ist aber Aufgrund von Verlusten mehr Ladung erforderlich und zwar etwa 1,4C bis 1,6C.Beispiel: ein leerer 2000 mAh-Akku wird insgesamt mit einer Kapazität von 1,4·2000 mAh = 2800 mAh geladen. Also zum Beispiel 10 Stunden lang mit 280 mA oder 14 Stunden lang mit 200mAh. Letzteres ist eine typische Ladeanweisung für "langsames" Laden: 14h mit C/10.
   Diese Lademethode ist aber relativ ungeeignet. Denn damit sie funktioniert muss der Akku vollständig entladen oder sein "Füllstand" bekannt sein. Außerdem muss man seine Gesamtkapazität kennen die vor allem bei älteren Akkus stark unterhalb der aufgedruckten Nennkapazität liegt.
2. Ladeschlusserkennung nach "minus Delta U" (-ΔU) Mit dem Delta (Δ) bezeichnet man in der Mathematik Differenzen. "minus Delta U" bedeutet in diesem Fall eine negative Spannungsdifferenz. Diese Ladeschlusserkennung macht sich folgenden Effekt zu nutze: wird ein Akku mit konstantem Strom geladen, steigt seine Spannung immer weiter an. Ist ein Akku voll, so erreicht seine Spannung jedoch ein Maximum und fällt bei weiterem Stromfluss wieder leicht ab. Dieser leichte Spannungsabfall, der bei NiMH-Akkus nur etwa 15-25mV beträgt, wird von der Ladeelektronik erkannt und die Ladung wird beendet. Der Spannungsabfall entsteht durch einen Prozess, der unter "Ladeschlusserkennung nach Temperatur" weiter erläutert wird.Wichtig ist, dass der Ladestrom ausreichend hoch genug ist (etwa ab C/4), da sonst der Effekt der negativen Spannungsdifferenz zu gering ausfallen kann.
3. Ladeschlusserkennung nach "Ableitung der Spannung" (dU/dt)
   Mit dem Begriff "Ableitung" ist hier die mathematische Ableitung gemeint. In der Mathematik beschreiben Ableitungen eine Veränderungsrate. Mit "dU/dt" wird die Ableitung der Spannung nach der Zeit beschrieben, was soviel bedeutet wie: "Wie verändert sich die Spannung im Verlauf der Zeit, also des Ladeprozesses". Wie unter "Ladeschlusserkennung nach "minus Delta U" (-ΔU)" beschrieben, steigt die Spannung eines Akkus bei Konstantstromladung zunächst an. Für die Ableitung dU/dt (gelesen "dU nach dt") bedeutet das, dass der Wert der Ableitung positiv ist. Eine fallende Spannung hätte eine negative Ableitung zur Folge. Der Mikroprozessor eines Ladegerätes nach dU/dt-Prinzip beendet die Ladung nun genau dann, wenn die Ableitung dU/dt den Wert 0 erreicht, die Spannung also ihr Maximum erreicht hat. Dieser Zeitpunkt findet etwas eher statt als der Abschaltzeitpunkt nach -ΔU, wo die Spannung ja bereits wieder im Sinken begriffen war. Da die Abschaltung tatsächlich erfolgt wenn der Akku noch nicht ganz voll ist, wird noch einige Zeit mit einem geringerem Ladestrom, etwa C/10 weitergeladen.
4. Ladeschlusserkennung nach Temperatur
   Ist ein Akku beinahe voll geladen so beginnt neben den üblichen chemischen Prozessen im Akku die Produktion von Sauerstoff an der positiven Elektrode zuzunehmen. Dieser Prozess läuft zwar grundsätzlich immer ab, jedoch wird der Sauerstoff durch Katalysatoren im Akku normalerweise schnell genug wieder abgebaut. Erst gegen Ladungsende entsteht mehr Sauerstoff als kurzfristig abgebaut werden kann und der Zellinnendruck erhöht sich. Dabei erhöht sich auch die Temperatur, was das Ladegerät zur Abschalterkennung nutzt. Aufgrund der erhöhten Sauerstoffkonzentration an der positiven Elektrode kommt es übrigens zunächst zu einer leichten Spannungserhöhung und anschließend aufgrund der erhöhten Temperatur zu einem Spannungsabfall. Dies sind die Ursachen für die in den Methoden "Ladeschlusserkennung nach "Ableitung der Spannung" (dU/dt)" und "Ladeschlusserkennung nach "minus Delta U" (-ΔU)" beschriebenen Effekte.
   Der Einsatz der Ladeschlusserkennung nach Temperatur kann kritisch sein. So könnte Aufgrund mangelnder Wärme-Kopplung zwischen Zelle und Temperatursensor der Akku stark überladen und geschädigt werden. Bei guter Kopplung sind allerdings gute Resultate erzielbar. Sie findet daher teilweise Anwendung, wenn der Temperatursensor im Akkupack integriert ist. So sind auch Fehlfunktion relativ gut ausgeschlossen.