Fachgerechte Pflege für Ni-xx-Akkus an unseren klassischen Fahrzeugen

Stärken und Schwächen von Nicd und Nimh Akkus

Nicd Akkus gelten allgemein als robuste Arbeitstiere, sind weitgehend temperaturstabil und vertragen sehr hohe Entladeströme, womit man sogar Kraftfahrzeuge an kleinen Akkublocks starten könnte. Die Kehrseite liegt leider im stark ausgeprägten Memory-Effekt, folglich darf man Nicd Zellen nicht wirklich dauerhaft geringe Kapazitätsmengen entnehmen und diese wieder nachladen. Bei derartiger Behandlung würde die verfügbare Kapazität allmählich weniger, bis der Akku völlig unbrauchbar wird. Nimh-Akkus verfügen etwa über die doppelte Energiedichte und der unerwünschte Memory-Effekt kommt kaum zur Geltung! Leider regieren Nimh Akkus sehr sauer gegen Überladungen und auch die Temperatur hat großen Einfluss auf die Entladekapazität. Während höhere Umgebungstemperaturen die nutzbare Kapazität sogar geringfügig steigen lassen, haben niedrigere Temperaturen merkbaren Kapazitätsverlust zur folge. So sind bei -10°C oftmals nur noch knapp über 50% der Kapazität entnehmbar, welche bei 25°C zur Verfügung stände. Selbst bei 0°C sind nur max. 80% der Kapazität nutzbar. Dieses Problem wird durch die höhere Energiedichte weitgehend ausgeglichen, ein weiteres Problem liegt aber an wesentlich niedrigeren Entladeströmen. Folglich wäre es sinnvoll bei Nimh Akkus immer um eine Nummer größer zu kaufen, oder die Stromaufnahme von elektrischen Verbrauchern (beispielsweise Blinkleuchten) zu verringern!

Die Nennkapazität (Ah)

Die Kapazität wird in Amperestunden angegeben. Eine Amperestunde (Ah) bedeutet beispielsweise, dass eine Stunde lang ein Strom von 1 Ampere entnommen werden kann, oder auch 10 Stunden lang 100 Milliampere usw. Tatsächlich ist es aber so, dass bei Akkus die Kapazität mit dem Entladestrom abnimmt. Zum Beispiel kann es vorkommen, dass eine frische ULO-Box EBL801 (mit 6 Volt 1Ah Akkublock) über 20 Stunden lang einen Strom von 50 mA liefern kann, bei vierzigfacher Stromentnahme von 2,0 Ampere aber nicht ein vierzigstel der Zeit, sondern max. 25 Minuten durchhält. Üblicherweise entspricht die auf einem Akku aufgedruckte Nenn-Kapazität derjenigen Kapazität, die man bei einem Entlandestrom von "C/10" erhält.

Was bedeutet die Abkürzung C ?

Mit dem Buchstaben C wird allgemeinen die Kapazität von Akkus in Amperestunden (Ah) bezeichnet. Angaben wie C/10, C/2 oder 2C beziehen sich auf einen Lade- oder Entladestrom. Hat ein Akku beispielsweise eine Kapazität von 1000 mAh, also 1 Ah, so ist diese Kapazit 1C. Eine Angabe beim Ladestrom von C/10 bedeutet dann, dass dieser Akku mit einem Strom, der dem Zehntel seiner Kapazitt entspricht, also 100 mA geladen wird!

Mögliche Lademethoden

Spannungsladung

Die Spannungsladung ist für Blei-Akkus optimal geeignet, aber nicht für NICD oder NIMH-Akkus. Bei der Ladung nach Spannung wird eine konstante Spannung über eine Strombegrenzung, an den Akku angelegt. Der Strom der in den Akku fließt und diesen auflädt, wird überwiegend durch die Spannung des Akkus bestimmt. Ein leerer Akku hat eine niedrige Spannung und eine große Spannungsdifferenz zwischen Akku und Ladestromquelle. Bei zunehmender Akku-Spannung wird der Ladestrom kleiner. Liegt die Ladespannung unterhalb der empfohlenen Ladeschlußspannung, so kann ein Akku bei dieser Lademethode nicht überladen werden. Allerdings ist die Spannung an NICD oder NIMH Akkus nicht unbedingt ein Kriterium für dessen Füllstand und hängt stark vom Strom, Temperatur und (Alter) ab.

Stromladung

Bei der Stromladung werden Ni-xx Akkus meistens, aber nicht immer mit pulsierendem Gleichstrom geladen. Anders als bei der Spannungsladung ist der Ladestrom konstant. Die Ladung mit Strom muss aber rechtzeitig, "wenn der Akku voll ist", beendet werden.

Ladeschlusserkennung nach Zeit

Geht man von einem leeren Akku aus, so braucht man nur so lange Ladestrom 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. Ein leerer 3000 mAh-Akku wird insgesamt mit einer Kapazität von 1,4 x 3000 mAh = 4200 mAh geladen. Also 10 Stunden lang mit 420 mA oder 14 Stunden lang mit 300mAh. Letzteres ist eine typische Ladeanweisung für langsames Laden: 14h mit C/10. Damit sie funktioniert muss der Akku vollständig entladen oder sein Füllstand bekannt sein, aufgrund sehr niedriger Ladeströme wäre auch leichtes überladen in unterbrochenen Zeitabständen (beispielsweise an historischen Kraftfahrzeugen) unkritisch!

Ladeschlusserkennung nach "minus Delta U"

Diese Ladeschlusserkennung macht sich folgenden Effekt zu nutze: wird ein NiCd Akku mit konstantem Strom geladen, steigt seine Spannung immer weiter an. Ist der Akku voll, so erreicht seine Spannung ein Maximum und fällt bei weiterem Stromfluss wieder leicht ab. Dieser leichte Spannungsabfall, der bei NiMH-Akkus nur etwa 15-25mV beträgt, muß von der Ladeelektronik erkannt werden, damit die Ladung beendet wird. Folglich ist es sehr wichtig, dass der Ladestrom ausreichend hoch ist (etwa ab C/4), da sonst der Effekt der negativen Spannungsdifferenz zu gering ausfallen kann. Diese Lademethode ist für den mobilen Einsatz unserer klassischen Fahrzeuge unmöglich, weil sie bestenfalls auf langen Strecken mit üppigen Motordrehzahlen funktionieren könnte!

Ladeschlusserkennung nach Temperatur

Zum Ladungsende entsteht mehr Sauerstoff als kurzfristig abgebaut werden kann und der Zelleninnendruck erhöht sich. Dabei steigt auch die Temperatur, was die Ladeschaltung zur Abschalterkennung nutzt. Der Einsatz der Ladeschlusserkennung nach Temperatur kann kritisch sein, weil bei schlechter Wärmekopplung zwischen Zellen und Temperatursensor der Akku stark überladen und geschädigt wird. Bei guter Wärmekopplung sind allerdings sehr gute Resultate erzielbar. Sie findet daher Anwendung, wenn der Temperatursensor (beispielsweise an kompakten ULO EBL801 Ladeeinheiten) im Akkupack integriert ist. So sind auch Fehlfunktion relativ gut auszuschließen.

Dauer-Niedrigstrom-Ladung

Dauerladung mit niedrigem Ladestrom ist möglich, allerdings darf an NiMH-Akkus ein zeitlich unbegrenzter Ladestrom von C/20 bis max. C/10 nicht überschritten werden. Gute SUB C-Akkus von www.newtecs.de können Dauerladung bis max. C/10 sehr lange (ohne Beschädigung) überleben. An historischen Kraftfahrzeugen kann man gefahrloslos einen 12 Volt 3900 mAh SUB-C Akkublock mit einer einfachen Gleichrichterdiode an 350 mA Konstantstrom (Primärwicklung von Motorfahrrad-Zündspulen) direkt laden! Mit zunehmendem Alter (Anstieg vom Innenwiderstand) werden NIMH Zellen auch bei C/10 warm, aber es fährt kaum jemand mit klassischen einspurigen Fahrzeugen rund um die Uhr?

Ideales Laden von NiCD und NiMH-Akkus an unseren betagten Kraftfahrzeugen

Ein idealer Verlauf des Ladestromes wäre bei Ladebeginn mit höherem Strom zu laden, damit eventuell durch Tiefentladung umgepolte Zellen oder Zellen die durch längere Lagerung ihre Formierung verloren haben wieder reaktiviert werden. Dann mit mittleren Strömen C/10 bis C/5 des der Kapazität entsprechenden Ladestromes auf ca. 80% der Kapazität laden. Die Restladung mit geringen C/20 bis C/15 Ladestrom ergänzen. Zu Ladebeginn sollen die Zellen in ihrer Formierung mit höherem Strom stabilisiert werden, dann den überwiegenden Teil der Energie mit mittlerem Ladestrom einladen, und die letzten 20% der rechnerischen Kapazität langsam einladen. Dann werden NiMH Zellen im Falle von Überladungen auch nicht überhitzt und der Zelleninnendruck bleibt immer im grünen Bereich. Langsam laden ist ist entgegen vielen "Modellflieger-Weisheiten" die schonendste Methode, kann jedoch zu tiefentladene Akkus nicht mehr regenerieren. Sehr schnelles Laden ist praktisch, weil die Geräte schnell wieder einsetzbar sind, verkürzt aber das Akkuleben erheblich.

Selbstentladung

NiCd und NiMH-Akkus unterliegen einer Selbstentladung. Je älter ein Akku, desto größer wird seine Selbstentladungsrate. Hohe Temperaturen beschleunigen die Selbstentladung enorm. Eine durchschnittliche Selbstentladungsrate mit etwa 25% pro Monat ist realistisch. Das bedeutet, dass ein 3000 mAh-Akku nach einem Monat nur noch 2250 mAh geladene Kapazit und nach einem weiterem Monat nur noch 1687 mAh...usw. Kapazität hat. Diese hohe Anfangsselbstentladung ist aber auf lange Sicht gesehen viel unkritischer, als an Bleiakkus.

Entladen von in Reihe geschalteten Akkus

Die Gesamtkapazität von in Reihe geschalteten Akkus entspricht immer nur der Zelle mit der geringsten Kapaziät. Gröbere Probleme liegen (wie oft in der Welt) in extremen Parametern. Begriffe wie "zu groß oder sehr klein" sind relativ zu den Akku-Kapazitäten zu sehen. Der Normalbereich erstreckt sich von C/20 bis max. 3/C der angegebenen Kapazität. Zu hohe Entladeströme beanspruchen die Zellen thermisch sehr stark und ungleichmäßig, sehr kleine Entladeströme (im Bereich der Selbstentladung) sind nicht mehr linear mit der Kapazität berechenbar. Entladen mit hohen Strömen (relativ zur Akku-Kapazität) wirkt in jedem Fall lebensdauerverkürzend. Wenn dann noch, (wie z.B. mit niederohmigen Lampen), die Grenze zur Tiefentladung unbemerkt überschritten wird, dann hat der Akkublock wirklich geringe Chancen, alt zu werden. Es kann dann fatale Folgen haben, wenn eine Zelle geringere Kapazität als ihre gesünderen Nachbarn hat, beim Entladen nimmt die Spannung eines Akkus langsam ab. Ist nun eine Zelle schwächer als die anderen im gesamten Akkublock, so kann sie bereits vollständig entladen sein, während der gesamte Akkublock noch über genügend Energie verfügt. Dadurch kann eine bereits vollständig entladene Zelle auf eine Spannung unter 0V fallen und wird von den restlichen Zellen mit entgegengesetzter Polung aufgeladen. Dieses Problem ist die häufigste Ursache für zerstörte Akkus, daher nur Akkuzellen mit annähernd gleicher Kapazität gemeinsam verwenden und einen solchen Akkublock niemals völlig leersaugen. Bei sehr niedrigen Entladeströmen (beispielsweise ultrahelle Leuchtdioden) ist dieses schwerwiegende Problem weitgehend zu vernachlässigen.

Lagern von Nimh Akkus

Werden Nimh Akkus länger nicht benützt, (beispielweise Winterpause von Schönwetterfahrzeugen) dann im teilweise bis voll geladenem Zustand aufzubewahren. Die bei der Selbstentladung auftretenden, langsamen Prozesse können auch dauerhaft schädliche Wirkungen haben und die Gesamtlebenszeit des Akkus verringern. Während Nickel-Cadmium Akkus bis auf 0V entleert und so gelagert werden konnten, ist bei Nimh Akkus eine so tiefe Entladung nicht empfehlenswert. Manchmal liest man auch "daß sich zu lang gelagerte" Nimh Akkus chemisch zersetzen" ? Vor ca. 3 Jahren analysierte ich einen 3,6 Volt 70 mAh Nimh Akku von 1999, welcher seither an ca. 1µA Dauerlast in einem Lagerraum vergessen wurde! Bei ähnlichen Steuerplatinen mit tiefentladenen Nicd Akkus befanden sich schon stark ätzende Oxdschichten um die Akkus, aber der Nimh Akku war dicht und wirkte optisch wie neu! Die gemessene Spannung von nur 1,43 Volt (durchschnittlich 0,47 Volt Zellenspannnung) war nicht sehr ermutigend, aber der kleine Akku verhielt sich beim anschließenden einstündigen schnelladen mit 50 mA Vorbildlich. Als ich diesen verwahrlosten Nimh Akku 5 Monate später wieder überprüfte, betrug die Leerlaufspannung 3,72 Volt und er zeigte bei 20 mA Last keine ausgeprägten Schwächen!

Später erwarb ich bei www.newtecs.de 10 Stück SUB-C Akkus vom Typ Blue-Line mit 3000mAh und lagerte diese Zellen ganze 30 Monate unbehandelt bei ca. 10 bis max. 22° C, bis die durchschnittliche Zellenspannung auf 0,9 Volt absank. Dann verlötete ich diese Zellen zu einem Akkublock und lud ihn 14 Stunden mit 300 mA C/10. Später erfolgte die kontrollierte Entladung an einer 12 Volt 5 Watt KFZ Lampe (ca. 400 mA Last) Die Lampe leuchtete beinahe 6 Stunden, bis die schwächste Zelle unter 0,9 Volt absank. NIMH Akkus altern tatsächlich bei Lagerung, der Innenwiderstand steigt und die Kapazität nimmt ab. Folge: die Spannung unter hoher Last wird deutlich geringer (man merkt das richtig bei hohen Entladeströmen). Darum am besten NIMH Akkus bei ca. 50% Ladung lagern und nach der Winterpause entladen (aber nicht völlig leersaugen) sowie wieder laden, ideal wäre: 3 mal, oder das Fahrzeug regelmäßig bewegen und dabei die elektrischen Verbraucher benützen!

Empfehlungen von anderen Autoren, zur Langzeitlagerung von Nimh Akkupacks

Da auch diese Akkus innerhalb von mehreren Monaten ihre Ladung verlieren, ist es bei NiMH Akkus prinzipiell egal, in welchem Zustand sie gelagert werden. Bei längerer Lagerung (länger als ein halbes Jahr) sollte ein NiMH Akku jedoch im vollgeladenen Zustand gelagert werden. Zudem sollte er alle 12 Monate mindestens einmal geladen werden. Der empfohlene Temperaturbereich für Langzeitlagerung liegt zwischen +10°C und +30°C bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50%. Und hier noch Aufzeichnungen von langjährigen persönlichen Erfahrungen mit NiCD, NiMH und Bleiakkus.

Verwahrloste Bleiakkus sind nach 30 Monaten Winterschlaf garantiert irreparabel sulfatiert und zerstört, falls man sie in der Zwischenzeit nicht mehrmals nachlädt!