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Ladetechnik

In diesem Abschnitt dreht sich alles um die verschiedenen Ladeverfahren, deren Vor- und Nachteile, deren Einstellparameter und wichtige Tipps zum Thema Ladetechnik und Akkus. Aufgrund des sehr großen Themengebietes werde ich hier nur die Ladeverfahren erläutern, die für NiCd und NiMH-Akkus geeignet sind.

Memoryeffekt

Direkt übersetzt heißt es so viel wie "Gedächtnis-Effekt" und deutet auf einen Vorgang hin, der sich ergibt, wenn man einen Akku mehrmals aus einem teilentladenen Zustand auflädt. Vor allem NiCd-Akkus sind hier besonders empfindlich und verringern ihre Kapazität (Innenwiderstand erhöht sich) recht schnell. Um dies zu beseitigen müssen NiCd-Akkus immer aus einem möglichst tiefentladenen Zustand heraus aufgeladen werden. Wie auf den meisten Websites zu lesen ist, sollen NiMH-Akkus keinen Memoryeffekt aufweisen. Dies ist jedoch falsch. NiMH-Akkus weisen ebenfalls diesen Effekt auf, jedoch nicht so stark. Lediglich Lithium-Ionen Akkus haben keinen Memoryeffekt. Daher empfehle ich auch NiMH-Akkus immer auf eine Entladeschlußspannung von 0,8V pro Zelle zu entladen, bevor man mit dem Ladevorgang beginnt.

Formierungsladung

Die Formierungsladung ist prinzipiell eine Konstantstromladung mit kleinem Ladestrom. Üblicherweise wird ein Ladestrom verwendet, der 1/10 der Akkukapazität entspricht. Das entspricht also beispielsweise bei einem 3000mAh-Akku einem Ladestrom von 300mA. Rein rechnerisch müsste man den Akku dann 10Stunden laden. Allerdings sinkt mit zunehmender Ladung auch der Ladewirkungsgrad, so dass der Akku normalerweise länger angeschlossen werden muss. Bei NiCd-Akkus verwendet man üblicherweise den Faktor 1,4 bis 1,5 und bei NiMH-Akkus nur 1,3 bis 1,4. Bei unserem oberen Beispiel ergibt dies also eine Ladezeit von etwa 14 Stunden. Bei einer solchen Ladung werden die unterschiedlichen Ladungszustände der einzelnen Zellen untereinander angeglichen. Eine solche Formierungsladung sollte hin und wieder durchgeführt werden (ca. jede 5.Ladung). Senderakkus sollten übrigens immer auf diese Weise geladen werden.

Konstantstromladung (Linearladung)

Diese Methode ist wohl das gebräuchlichste Ladeverfahren. Es kann sowohl für NiCd, als auch für NiMH verwendet werden. Nicht selektierten Standardakkus sollte man höchstens 3 bis 4A zumuten (die Chance, das eine der Zellen zerstört wird ist erheblich größer als bei selektierten). Selektierte Akkus können durchaus mit 5 bis 6A geladen werden. Je höher der Ladestrom, desto höher ist der Druck, den der Akku bei seiner nächsten Entladung aufbringen kann. Aber man sollte es wiederum nicht übertreiben, da die zur Verfügung stehende Kapazität geringer ausfallen kann. Ein Akku der hingegen mit nur 1A über 3 oder 4 Stunden geladen wurde hat daher erheblich mehr Fahrzeit, allerdings auch wieder weniger Druck. Daher stellt sich für Wettbewerbsakkus ein gesundes Mittelmaß von ungefähr 5 Ampere ein.

Impulsstromladung

Bei dieser Lademethode wird der Akku mit einem hohen Strom einige Millisekunden geladen (> 5A), dann eine kurze Ruhepause eingelegt (0A), bevor wieder ein weiterer Ladezyklus beginnt. Durch diesen Vorgang gelingt es, etwas mehr in den Akku zu bekommen. Allerdings findet dieses Verfahren nicht mehr oft Anwendung. Es wurde mittlerweile durch das Reflex-Laden abgelöst. In den Pausen wird der Akku vermessen (Akkuspannung). Diese Methode ist genau wie das Reflex-Laden für NiCd geeignet.

Reflex-Ladung

Bei diesem Verfahren wird der Akku mit hohem Strom (etwa 1s) geladen, dann für eine kurze Zeit (einige ms) mit einem noch höheren Strom entladen und anschließend in einer kurzen Pause (ms) vermessen. Beim Laden mit hohem Strom entstehen durch Elektrolyseprozesse kleine Sauerstoffbläschen an den Elektroden des NiCd-Akkus. Die Elektrodenfläche wird dadurch reduziert und die Impedanz der Akkuzelle wird erhöht. Eine erhöhte Zellimpedanz hat eine geringere Ladeeffektivität und zudem eine höhere Akkutemperatur zur Folge. Um dies zu vermeiden, ist der periodische Entladeimpuls vorgesehen. Dieser löst die Sauerstoffbläschen von den Elektroden ab und fördert durch den umgekehrten Stromfluss eine Rekombination an der negativen Elektrode. Dieses Verfahren wird daher hauptsächlich für NiCd-Akkus eingesetzt (zur Verminderung des Memory-Effektes).

Erhaltungsladung

Die Erhaltungsladung ist eigentlich keine richtige Lademethode. Nach Beendigung des Ladevorgangs schalten nahezu alle Ladegeräte auf diesen Modus um. Dabei fließt nur noch ein geringer Konstantstrom. Dieser Strom wird so hoch gewählt, dass der "Eigenverbrauch" der Zelle (jede Zelle verliert über die Zeit gesehen an gespeicherter Ladung) gerade so abgedeckt wird. Beim Renneinsatz sollte man jedoch darauf achten, dass der Akku möglichst knapp vor dem Lauf abschaltet, damit man noch etwas mehr Druck (aufgrund einer höheren Zelltemperatur; vor allem bei NiMH) zur Verfügung hat. Man unterscheidet folgende 3 Abschaltkriterien:

1. Zeitabschaltung

Die Zeitabschaltung ist extrem ungenau und daher auch nicht zu empfehlen. Sie rührt aus der einfachen Formel: Kapazität = Ladestrom mal Ladezeit. Soll heißen, wenn ich einen 3000mAh Akku mit 3Ampere lade, ist er nach einer Stunde voll. Wenn der Akku jedoch teilgeladen ist, einen defekt aufweist oder das Abschalten gar vergessen wird, kann es bei zu langer Ladung zur völligen Zerstörung des Akkus führen. Daher sollte diese Ladeart höchstens nur für Senderakkus eingesetzt werden.

2. Delta-Peak-Abschaltung

Die Delta-Peak-Abschaltung macht sich einen technischen Effekt zum Nutzen. Während des Ladevorgangs erhöht sich laufend die Akkuspannung (kann bei einem halbwegs guten Ladegerät auf dem Display abgelesen werden). Ist der Akku vollständig geladen, bricht auch die Spannung ein, was ein Delta-Peak-Lader erkennt und somit den Ladevorgang beendet. Bei einem guten Ladegerät kann man die Delta-Peak-Abschaltspannung in mV einstellen. Sie gibt an, um wie viel mV die Akkuspannung zusammenbrechen muss, damit der Ladevorgang beendet wird. Der Wert sollte bei NiCd-Akkus bei etwa 20-30mV liegen und bei NiMH bei etwa 10-20mV. Es sei aber anzumerken, dass es bei schlechten oder alten Akkus zu einer verfrühten Abschaltung kommen kann. Das passiert vor allem dann, wenn eine Zelle des Akkus defekt ist und somit schon kurz nach Ladebeginn einen Spannungseinbruch erfährt. Bei einem guten Delta-Peak-Lader, wie z.B. von Robitronic oder der GMVIS Commander, kann jedoch eine feste Zeit eingestellt werden, in der das Ladegerät auf keine Spannungseinbrüche nach Ladungsbeginn reagiert. Viele Ladegeräte kombinieren auch die Delta-Peak-Abschaltung mit der Temperaturabschaltung.

3. Temperaturabschaltung

Diese Abschalttechnik macht sich zu Nutze, das sich der Akku beim Ladevorgang erwärmt. Das Ladegerät schaltet also erst bei einer bestimmten, eingestellten Temperatur ab. Diese liegt bei NiCd bei 42 bis 47°C, während sie bei NiMH zwischen 45°C und 50°C liegt. Im Prinzip stellt dieses Abschaltkriterium (unter geringen Einschränkungen) das ideale Verfahren dar. Denn selbst alte und kaputte Akkus werden immer zum richtigen Zeitpunkt abgeschaltet. Einziger Punkt den es zu beachten gilt ist die Umgebungstemperatur. Bei einem Rennen in Florida müssen höhere Abschalttemperaturen gewählt werden als z.B. bei einem Regenrennen im Winter in Deutschland. Bei solchen Bedingungen sollte man daher eher auf eine Kombination aus Delta-Peak und Temperaturabschaltung wählen.

Netzteil

Ich habe mich für ein Standard-Netzteil mit 10A Ausgangsstrom (max.12A) entschieden. Solche gibt es in jedem Elektronikgeschäft billiger als von namhaften Herstellern aus der RC-Car-Branche. Will man möglichst wenig für ein Netzteil ausgeben, kann ich noch einen Tipp geben. In jedem PC sind Schaltnetzteile eingebaut, welche man vor allem auf Messen schon für 5 bis 10EUR bekommt. Ein 200W-Netzteil kann schon ca. 8A bei 12V Ausgangsspannung liefern. Das ist für ein Ladegerät schon vollkommen ausreichend.

Ladegerät

Als Ladegerät habe ich mir den GMVIS-Commander 2000 von GM-Racing zugelegt. Der große Vorteil liegt in der breitbandigen Anwendung dieses Laders. Er kann nämlich von 1 bis 30 Zellen laden und eignet sich dadurch nicht nur für RC-Cars, sondern auch für 12 oder 24-Zellen Boote und für das Nachselektieren einzelner Zellen. Es ist daher auch möglich, seine eigenen Zellen zu selektieren und über eine PC-Schnittstelle sämtliche Zellendaten (und Graphen) auszugeben. Das Ladegerät beherrscht eine Vielzahl von Ladeverfahren, kann Delta-Peak und Temperaturabschaltung und hat einen zusätzlichen  Ausgang zum Laden des Senders. Ein weiterer Vorteil ist der hohe Entladestrom mit dem man einen Akku entleeren kann (bis zu 20A). Denn entscheidend ist die nutzbare Kapazität, die sich beim Entladen mit solch hohen Strömen ergibt und nicht der Wert, den man beim Ladevorgang angezeigt bekommt. Im Renneinsatz braucht man Akkus, die über die gesamte Fahrzeit (5 bis 7min) Druck haben (hohe Spannungslage) und nicht solche, die die ersten 2min gut sind, anschließend jedoch von Runde zu Runde immer mehr abbauen und dann das Auto noch weitere 5min langsam vorantreiben. Daher ist diese Entladeoption eine wichtige Funktion zur Überprüfung eines Akkus. Die anschließend im Akku befindliche Restkapazität entlade ich dann mit einem Einzelzellen-Entlader von Trinity.

Entladeplatine

Im Prinzip ist auch dieser Entlader für eine vollständige Entladung eines Akkus geeignet. Allerdings ist es nicht RealTime wie es der Hersteller schreibt. Eine vollständige Entleerung dauert gut und gerne 30 Minuten. Wenn mein Auto 30min fahren würde, wäre ich echt glücklich. Dennoch ist der Trinity-Entlader sehr zu empfehlen, da er für jede Zelle eine einzelne Glimmlampe montiert hat, anhand der man erkennt, wie viel noch in der Einzelzelle war. Je besser der Akku, desto gleichmäßiger erlöschen die Lampen. Aber Achtung: NiMH müssen herausgenommen werden, sobald die Lampe dunkler wird. Nicht erst wenn diese bereits erloschen ist. Man erinnere sich an den Abschnitt "Akku". NiMH-Akkus dürfen nur bis zu einer Entladeschlußspannung von 0,8V pro Zelle entladen werden. NiCd-Akkus dürfen hingegen auch nachdem alle Lampen aus sind eingespannt bleiben. Dadurch wird die Zelle auf 0V tief entladen. Durch die Einzelzellenentladung kann es nicht zu einer Umpolung der Zellen kommen. Ein zusätzlich eingebauter Lüfter im Innern kühlt den Akku und die Entladewiderstände während des Entladevorgangs.