Die unterschiedlichen Eigenschaften verschiedener Batterietypen stellen Verbraucher und sogar Ingenieure bei der Auswahl von Batterien und Ladegeräten vor technische Herausforderungen. Dieser Artikel erläutert die Unterschiede zwischen zwei der gängigsten Batterietypen: Blei-Säure- und Lithiumbatterien. Außerdem wird erklärt, wie man ein geeignetes Ladegerät auswählt.
Eigenschaften von Blei-Säure- und Lithiumbatterien:
Blei-Säure-Batterien gehören zu den beliebtesten Batterietypen und blicken auf eine lange Geschichte zurück. Zu ihren Vorteilen zählen eine hohe Ladespannungstoleranz, eine hohe Überstromkapazität, ein breiter Betriebstemperaturbereich und geringe Kosten. Sie werden häufig in mobilen Anwendungen wie Autos und Gabelstaplern sowie in Notstromsystemen eingesetzt. Die Nachteile von Blei-Säure-Batterien sind ihre hohe Selbstentladungsrate und die relativ kurzen Lade-/Entladezyklen; daher eignen sie sich nicht für Energiespeicheranwendungen.
Im Gegensatz dazu sind Lithiumbatterien aufgrund ihrer hohen Lade-/Entladerate, der geringen Selbstentladungsrate und der hohen Energiedichte eine bessere Wahl für die Langzeitspeicherung von Energie. Je nach dem in der Kathode verwendeten Metall weisen Lithiumbatterien unterschiedliche Leistungseigenschaften auf. Lithium-Cobalt-Oxid (LCO) besitzt eine hohe Energiedichte und ist ideal für Unterhaltungselektronik. Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) zeichnet sich durch eine längere Lebensdauer und eine relativ gute thermische Stabilität aus und ist daher eine bessere Wahl für Energiespeicherlösungen. Die Einschränkung von Lithiumbatterien besteht darin, dass thermisches Durchgehen zu Bränden führen kann. Daher erfordern Lithiumbatterien ein kontrollierteres Laden und Entladen.
Ladealgorithmus für Batterien:
Die Nennspannung einer einzelnen Blei-Säure-Zelle beträgt ca. 1,8–2,3 V, der empfohlene maximale Ladestrom 0,3 C. Die meisten handelsüblichen Batterien bestehen aus mehreren in Reihe und parallel geschalteten Zellen und bilden so eine Hochleistungsbatterie mit praxisüblichen Spannungen wie 12 V, 24 V und 48 V. Die Angaben „12 V“, „24 V“ oder „48 V“ werden oft ungenau als Spannungsbereichsangabe verwendet. Die tatsächliche Spannung ändert sich ständig in Abhängigkeit von der verbleibenden Kapazität. Beispielsweise liegt die Leerlaufspannung einer typischen 12-V-AGM-Blei-Säure-Batterie zwischen 10,8 V (30 % Kapazität) und 13,8 V (100 % Kapazität).
Aufgrund der hohen Selbstentladung von Blei-Säure-Batterien wird häufig ein dreistufiges Ladeverfahren empfohlen. Ein typischer Ladezyklus beginnt in der Konstantstromphase („Phase 1“ in Abbildung 1). Hierbei begrenzt das Ladegerät seinen Ausgangsstrom auf die maximale Kapazität und erhöht die Ausgangsspannung langsam. Sobald die Batteriespannung die maximale Ladespannung erreicht hat, schaltet das Ladegerät in die Konstantspannungsphase („Phase 2“ in Abbildung 1). Nun gibt das Ladegerät kontinuierlich seine maximale Nennspannung aus und überwacht dabei den Ausgangsstrom. Schließlich schaltet das Ladegerät in die Erhaltungsladephase („Phase 3“ in Abbildung 1), sobald der Ladestrom unter etwa 10 % des Nennstroms fällt. In dieser Phase reduziert das Ladegerät seine Ausgangsspannung, um ein Überladen zu verhindern. Obwohl die Batterie zu diesem Zeitpunkt nahezu vollständig geladen ist, bezieht sie weiterhin Strom vom Ladegerät, um die Eigenverluste auszugleichen. Abbildung 1:
Dreistufige Ladekurve.
Lithiumbatterien können Nennspannungen von 3,2 V bis 4,4 V und einen maximalen Ladestrom von bis zu 1C aufweisen. Selbst Lithiumbatterien derselben chemischen Variante können, jedoch von verschiedenen Herstellern, unterschiedliche Nennspannungen und Ladeströme aufweisen. Im Gegensatz zu Blei-Säure-Batterien vertragen Lithium-Batterien keine hohen Ladespannungen und benötigen keine Erhaltungsladung, um ihren Zustand zu erhalten. Daher werden Lithium-Batterien oft in zwei Stufen geladen (Abbildung 2), ohne die Erhaltungsladung.
Abbildung 2. Zweistufige Ladekurve.
Zellungleichgewicht ist ein Problem vieler Lithiumbatterien. Aufgrund von Fertigungstoleranzen lässt sich der äquivalente Serienwiderstand (ESR) von Lithiumzellen nicht perfekt angleichen. Die Differenz führt dazu, dass Zellen innerhalb desselben Batterieblocks mit unterschiedlichen Spannungen oder Strömen geladen werden. Zellen mit niedrigem ESR werden immer zuerst vollständig geladen/entladen, wodurch sie schneller altern und ausfallen. Zellungleichgewicht verkürzt nicht nur die Batterielebensdauer, sondern kann auch zu thermischem Durchgehen und damit zu einem Sicherheitsrisiko führen. Um dieses Problem zu lösen, sollten große Lithiumbatteriebänke stets mit Batteriemanagementsystemen (BMS) ausgestattet sein. Die Hauptfunktion eines BMS besteht darin, den Ladezustand zu überwachen und die Zellen passiv oder aktiv auszugleichen. Ein passives BMS gleicht die Zellen aus, indem es die am stärksten geladenen Zellen mithilfe von Leistungswiderständen entlädt. Es ist robust und relativ einfach zu konstruieren, aber weniger effizient und weniger effektiv. Ein aktives BMS hingegen lädt die Zellen einzeln, um ihren Ladezustand anzugleichen. Da das aktive BMS die Ladekontrolle für jede Zelle übernimmt, benötigen einige Lithium-Batteriebänke mit einem aktiven Balancer-BMS lediglich AC/DC-Netzteile mit konstanter Spannung als Ladegerät.
Intelligente Batterieladelösung von MEAN WELL:
Wie bereits erwähnt, können Batterien unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung und verschiedener Hersteller unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Für Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Sicherheit ist eine optimierte Ladekurve empfehlenswert (bei Lithiumbatterien sogar zwingend erforderlich). Die programmierbaren DC-Ladegeräte von MEAN WELL bieten in Kombination mit dem intelligenten Ladeprogrammierer SBP-001 Flexibilität und eine benutzerfreundliche Oberfläche zur Anpassung der Ladekurve.
Als Beispiel verwenden wir die neue HEP-1000-Serie und wählen das Modell HEP-1000-48 mit einer Konstantspannung von 48 V und einer maximalen Leistung von 1008 W. Benutzer können das HEP-1000-48 an den intelligenten Ladeprogrammierer MEAN WELL SBP-001 anschließen und den Lademodus aktivieren. Die Standard-Ladekurve besteht aus drei Stufen (Abbildung 3) für typische verschlossene Bleiakkumulatoren mit einer Ladespannung von 57,6 V (Boost-Laden) und einer Erhaltungsladespannung von 55,2 V. Die Ladespannung und der Ladestrom lassen sich für andere Bleiakkumulatoren einfach auf 36–60 V bzw. 3,5–17,5 A einstellen.
Abbildung 3 zeigt das intelligente Ladeprogramm (HEP-1000-48, 3-stufiges Laden).
Durch einfaches Auswählen des 2-stufigen Lademodus kann der HEP-1000 auch zum Laden von Lithiumakkumulatoren im gleichen Einstellbereich verwendet werden. Um einen 20-Ah-LiFePO4-Akku mit einer maximalen Ladespannung von 56 V zu laden, können die in Abbildung 4 dargestellten Optionen „CV“ und „CC“ für einen schnelleren Ladevorgang auf 56 V und 17,5 A eingestellt werden. Der Benutzer kann den Ladestrom auch reduzieren, um Überhitzung und Spannungsabfälle zu vermeiden und somit ein Überladen zu verhindern.
Abbildung 4. Intelligentes Ladeprogramm (HEP-1000-48, 2-stufiges Laden)
Zusammenfassend
lässt sich sagen, dass die programmierbaren Ladegeräte von MEAN WELL zur individuellen Anpassung der Ladekurven für Blei-Säure- oder Lithiumbatterien verwendet werden können. Die temperaturabhängige Anpassung von Ladespannung und -strom schont die Batterie, optimiert ihre Kapazität und verlängert ihre Lebensdauer.
Autorin: Anke Ge/Technisches Servicezentrum
Übersetzung: Marketingabteilung von OLFER Electronics
