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Das Laden von Nickel-Cadmium-Akkus
Akkuhersteller empfehlen, neue NiCd-Akkus über 24 Stunden
langsam zu laden, weil jede Zelle eine andere Selbstentladungsstromstärke
aufweist. Beim langsamen Laden werden alle Zellen eines Akkupacks
auf den gleichen Ladezustand gebracht. Außerdem werden
mit der zögernden Ladung die möglichen Trockenstellen
an den Separatoren, welche als Folge der Schwerkraft bei langen
Lagerungen entstehen können, wieder bedeckt.
Einige Hersteller bringen ihre Akkus vor dem Versand nicht
auf volle Leistungsfähigkeit. Diese wird erst nach mehreren
Lade/Entlade-Intervallen mit einem Akku-Analyser oder im normalen
Gebrauch erreicht. Bei Nickel-Akkus können sogar 50 bis
100 Lade/Entlade-Intervalle notwendig sein, bis die volle
Leistungsfähigkeit erreicht wird. Qualitätszellen,
wie die von Sanyo und Panasonic, erreichen bereits nach 5
bis 7 Intervallen ihre spezifizierte Kapazität. Anfangs
mag die Kapazität noch schwanken; aber ist der Akku einmal
zubereitet, bleibt die Kapazität konstant und erreicht
nach 100 bis 300 Intervallen ihren Spitzenwert.
Die meisten wiederaufladbaren Akkus besitzen ein Sicherheitsventil,
über welches bei Überladung Druck entweichen kann.
Bei NiCd-Zellen öffnet dieses Sicherheitsventil zwischen
1100 to 1400 kPa (~150 to 200 psi). (Der Druck eines Autoreifens
beträgt etwa 240 kPa oder 35 psi.) Vorausgesetzt, dass
sich das Ventil bei einem Druckausgleich wieder verschließt,
nimmt der Akku keinen Schaden, es geht nur etwas Elektrolyt
verloren. Nach einem solchen Vorgang besteht jedoch die Gefahr
eines undichten Ventils. Weißes Pulver an der Ventilöffnung
weist auf einen erfolgten Druckausgleich oder undichtes Ventil
hin.
Kommerziell erhältliche Ladegeräte arbeiten oft
nicht im besten Interesse des Akkus. Dies gilt insbesondere
bei Ladegeräten, die den Ladezustand des Akkus ausschließlich
nach seiner Ladetemperatur bestimmen. Es ist eine billige
und einfache Technik, die Abschaltung nach Temperatur ist
jedoch ungenau.
Bessere NiCd-Lader messen die Steilheit des Temperaturanstiegs
(dT/dt) während des Ladevorganges, was zu einer behutsameren
Ladung des Akkus führt, als das beim Abschalten des Ladestroms
bei Erreichen einer festen Temperatur der Fall ist. Ein Erwärmen
der Zellen ist aber notwendig, weil der Temperaturverlauf
gemessen werden muß.
Ein präziseres Erfassen des Ladezustandes wird durch
einen Mikroregler erreicht, der die Akkuspannung überwacht
und bei Erreichen eines bestimmten Spannungsverhaltens die
Ladung beendet. Bei voll geladenem Zustand sinkt die Spannung
nämlich ab. Dieses Phänomen ist als Negativ Delta
V oder NDV bekannt und ist bei NiCd-Akkus, die mit über
0,5 C geladen werden, am deutlichsten zu beobachten. Bei mit
NDV arbeitenden Ladegeräten muß zusätzlich
die Akkutemperatur beachtet werden, weil der Spannungsabfall
bei alten Akkus, und bei Akkus mit unterschiedlichen Zellen,
schwächer ist.
Schnelles Laden verbessert den Wirkungsgrad. Bei 1 C beträgt
dieser1,1 oder 91 Prozent, und die Ladezeit von ganz leer
auf voll liegt bei etwas über einer Stunde. Mit einer
Laderate von 0,1 C sinkt der Wirkungsgrad auf 1,4 oder 71
Prozent, und die Ladezeit beträgt 14 Stunden. Bei einem
nicht ganz leeren oder kapazitätsschwachen Akku ist die
Ladezeit natürlich entsprechend kürzer.
Bis zu einem Ladezustand von 70 Prozent nimmt ein NiCd-Akku
nahezu 100 Prozent des angebotenen Ladestromes auf. Mit dem
hohen Ladewirkungsgrad treten nur geringe Energieverluste
auf und der Akku bleibt somit kalt. Der Ladestrom kann sogar
einige C-Raten betragen, ohne daß nennenswerte Erwärmungen
auftreten. Superschnelle Lader nutzen dieses Phänomen
aus und laden den Akku in wenigen Minuten auf 70 Prozent auf.
Dann wird mit einer geringeren Rate weitergeladen, bis zur
Vollladung.
Ab einem Ladezustand von 70 Prozent läßt das Stromaufnahmevermögen
des Akkus langsam nach, während Temperatur und Druck
ansteigen. Um eine etwas höhere Kapazität zu erreichen,
erlauben einige Ladegeräte eine kurzzeitige Überladung.
Abbildung 1 zeigt den Verlauf von Zellenspannung, Druck und
Temperatur bei der Ladung eines NiCd-Akkus.
Abbildung 1: Ladung einer NiCd-Zelle. Bei NiMH-Zellen
verhalten sich Spannung, Druck und Temperatur ähnlich.
Bei einer Laderate von über 1 C erwärmen sich NiCd-Akkus
mit Ultra-hoch Kapazität mehr als normale NiCd-Akkus.
Einer der Gründe dafür ist der höhere Zelleninnerwiderstand.
Um der Erwärmung entgegenzuwirken, laden bessere Ladegeräte
am Anfang mit einem hohen Ladestrom und gehen bei höherem
Ladezustand auf das Aufnahmevermögen des Akkus ein. So
kann die Ladezeit kurz gehalten werden.
Ein Einstreuen von Entladeimpulsen zwischen den Ladeimpulsen
verbessert das Aufnahmevermögen von Nickel-Akkus. Diese
Methode wird als Reverse-Load bezeichnet. Diese Ladungsart
führt zu einer besseren Rekombination der beim Laden
erzeugten Gase, weil die auf den Elektroden zur Verfügunstehende
Oberfläche vergrößert wird. Die Ergebnisse
sind bessere Leistung, verminderte Kristallbildung (Memory)
und eine längere Lebensdauer.
Nach dem anfänglichen Schnellladen schließen einige
Ladegeräte mit einer zeitbegrenzten Auffüllladung
den Ladezyklus ab. Danach folgt die übliche Erhaltungsladung
zum Ausgleich der Selbstentladung. Bei NiCd-Akkus wird eine
Erhaltungsladung von 0,05 C bis 0,1 C empfohlen. Um Kristallbildung
zu vermeiden und das gleiche Gerät auch für NiMH-Akkus
benutzen zu können, ist der Erhaltungsladestrom moderner
Lader oft geringer.
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