Grundwissen Akkutechnik

Grundwissen Akkutechnik
Diese Themen erwarten Sie:
  • Hohe Kapazität dank Li-Ion
  • Akkus mit Elektronik
  • Vorteile der Li-Ion-Technik
  • Li-Ion-Akkus richtig pflegen
  • Gängige Akku-Elektrowerkzeuge
  • Typische Akku-Gartengeräte
  • Akku-Geräte im Kleinformat
  • Akku-Power mit Zukunft

Der Akku kommt: Derzeit erleben wir nicht nur bei Elektrowerkzeugen einen Trend von der kabelgebundenen Stromversorgung hin zum Betrieb aus Stromspeichern. Und das praktisch ohne Leistungsverzicht! Unser Grundwissen Akkutechnik gibt einen Überblick über die boomende Energieversorgungstechnik.

Akkus können elektrische Energie chemisch speichern – das ist an sich nichts Neues. Schon 1803 baute der Naturforscher Johann Wilhelm Ritter mit seiner Ladungssäule einen solchen Stromspeicher – der freilich noch weit von der praktischen Anwendung entfernt war. Erst 50 Jahre später kamen erste Blei-Akkumulatoren auf den Markt. Immerhin begann die Geschichte des Automobils einst elektrisch! Die an sich elegante Idee des Stromspeichers kämpft allerdings bis heute mit drei großen Problemen: der vielfach zu geringen Energiedichte, einem allzu schwachen Wirkungsgrad und schließlich einer begrenzten Lebensdauer. Erst mit der Entwicklung moderner Akkutechnik steht für anspruchsvolle mobile Geräte – bis hin zum Auto – genügend Kraft zur Verfügung, wie unser Grundwissen im Detail erklärt.

Umfang: 8 Seiten
0,99€

 

Grundwissen Akkus: Mehr Volt = mehr Wert ?

Mit hohen Voltzahlen protzen billige Akkumaschinen im Baumarkt – aber für die Anwendung ist ein guter mechanischer Wirkungsgrad der Geräte weitaus wichtiger. Gern knausern die Hersteller auch bei der Ladetechnik – das gesparte Geld wird der Käufer jedoch schon bald für Ersatzakkus losEgal ob 12, 14,4 oder 18 Volt – angetrieben werden Akkuwerkzeuge letztlich immer von kleinen, batterieähnlichen Rundzellen, die im Akku-Pack sitzen. Da diese Einzelzellen stets 1,2 Volt Spannung bereitstellen, kann man aus der Voltzahl des Akkupacks auf die Anzahl der Zellen schließen: In einem 4,8- Volt-Akku arbeiten vier, in einem 18- Volt-Akku schon 15 der in Reihe geschalteten Stromspeicher.

Akkutechnik

Mehr Volt bedeutet aber nicht auch mehr Leistung, wie es die Werbung vor allem bei preiswerten Geräten gern suggeriert. Denn wieviel Energie im Akkupack zur Verfügung steht, hängt außerdem noch von der Kapazität des Stromspeichers ab. Erst die Multiplikation der beiden Werte Volt (V) für die Spannung und Amperestunden (Ah) für die Kapazität ergibt den Wert Wattstunden (Wh), der eine vergleichende Aussage über die in einem Akku gespeicherte Energie ermöglicht. Ein 18-Volt-Akku mit 0,8 Ah hat also den gleichen Energiegehalt wie ein 7,2-Volt-Akku mit 2 Ah, nämlich 14,4 Wattstunden.

Besonder hohe Voltzahlen sollten nur für Anwendungen gewählt werden, die eine hohe Dreh- oder Hubzahl erfordern – also zum Beispiel Bohren oder Sägen. Zum Schrauben wird hingegen eher ein hohes Drehmoment gefordert, und dabei sind Geräte mit geringerer Voltzahl praktisch ebenbürtig. Kompaktere Baugröße und deutlich geringeres Gewicht stehen bei dieser Anwendung ausserdem im Vordergrund. Bei der Auswahl eines geeigneten Akkugeräts reicht es allerdings nicht aus, allein die Akkuleistung zu vergleichen. Sehr wichtig ist auch, was das Akkuwerkzeug mit der bereitgestellten Energie tatsächlich anfangen kann. Ob Motor und Getriebe mit der kostbaren Akkukraft effizient umgehen, sieht man dem Gerät von außen nicht an. Kein Wunder also, das bei Billigangeboten genau hier gespart wird. Einziger Anhaltspunkt für die Leistungsfähigkeit ist meist das maximal erreichbare Drehmoment.

 

Akkus richtig aufladen

Gut kontrollierbar ist dagegen ein weiteres Qualitätsmerkmal von Akkugeräten: Die Ladetechnik. Schon aus der auf der Packung angegebenen Ladedauer können Sie Rükkschlüsse ziehen, nach dem Motto: Kürzer ist besser. Nur Schnell- Ladegeräte bieten eine ausreichende elektronische Überwachung, um ein Überladen der Stromspeicher sicher zu verhindern. Das würde nämlich das chemische Speichervermögen in der Zelle stören, und zwar dauerhaft.

Billiglader verkürzen die Lebensdauer eines Akkupacks auf maximal einige hundert Ladevorgänge – nicht selten sogar unter fünfzig. Zum Vergleich: Stundenlader erlauben rund 1000, computergesteuerte Intervall-Lader (mit beispielsweise 10 Minuten Ladedauer) sogar bis zu 3000 Ladevorgänge. Damit Werkzeugakkus lange halten, können Sie aber auch selbst einiges tun. So sollten Sie Ni-Cd- und Ni-MH-Akkus erst nachladen, wenn deren Leistung spürbar nachlässt. Damit unterstützen Sie die chemischen Speichervorgänge im Akku. Wird eine Akkumaschine länger nicht benutzt, sollten Sie den Akku entnehmen. Lagern Sie Akkus am besten kühl (das verringert die Selbstentladung), aber frostfrei. Aufgrund der unvermeidlichen Selbstentladung – pro Tag geht bei 20 °C rund ein Prozent der gespeicherten Energie verloren – ist vor dem nächsten Einsatz so oder so ein Ladevorgang notwendig.

Akku-Technik

Mit der Art der Zusammenschaltung werden Spannung und Kapazität des Akkupacks festgelegt. Werden die Zellen in Reihe geschaltet, addiert sich ihre Spannung (im Bild oben). Parallel verbunden wird hingegen die Kapazität summiert.
Akkus bestehen stets aus einer negativen (Kathode) und einer positiven (Anode) Platte. Anders als in Autobatterien sind die Ladungsplatten allerdings ineinander gewickelt. Bei einem Ni-Cd-Akku besteht die Kathode aus Nickeloxid, die Anode aus Cadmium. Bei Ni-MHAkkus wird statt Cadmium eine Legierung anderer Metalle verwendet.
Selten genutzte Akkus gelegentlich aufladen, um deren Speicherfähigkeit zu trainieren, oft nachgeladene Akkus ab und an komplett entladen, jedoch nicht bis zum völligen Stillstand des Geräts. Bei Geräten mit zwei Akkus diese auch im Wechsel benutzen, damit die Akkus nicht an Speicherfähigkeit einbüßen.
Obwohl die in den Akku-Packs enthaltenen Zellen stets die gleiche Bauform und Größe haben, gibt es Differenzen im Speichervermögen. Der Unterschied liegt in der Fläche der Elektroden. Mittlerweile können die ladungstragenden Schichten in der Akkuzelle dünner hergestellt werden. Das Schichtenpaket in der Zelle kann enger gewickelt werden – und damit paßt eine längere Schichtenbahn in die Zelle. Moderne Ni-Cd-Zellen können bis zu 1,8 Ah Kapazität aufnehmen, vor zehn Jahren waren es nur 1,2 Ah. Die Fortführung des Tricks ist nur begrenzt möglich: Zu dünne Elektroden gefährden die Hochstromfestigkeit des Akkus.

Sonderfall: Blei-Gel-Akkus

Etwas anders sollten Sie mit den Verwandten der Autobatterie umgehen, die als Blei-Gel-Akku zum Beispiel in Rasenmähern arbeiten: Hier ist ein Nachladen unmittelbar nach jeder Nutzung empfehlenswert. Benutzen Sie für den Ladevorgang dieser Akkus aber nie gewöhnliche Autobatterie- Lader! Anders als Autobatterien vertragen die gekapselten Gelbatterien keine Überladung – die dabei auftretende Ausgasung würde die verschweißte Hülle des gekapselten Akkus sprengen und so zerstören.

Schnell-Lader kann es für diese Akkus übrigens systembedingt nicht geben. Aufgrund des gelförmig gebundenen Elektrolyten können die Ladungen zwischen Anode und Kathode nämlich nur vergleichsweise langsam hin- und herwandern. Deshalb kann man mit Blei-Gel-Akkus auch keine Maschinen betreiben, die eine starke Leistung und damit hohe Ströme entnehmen. Das ist der Preis für den Vorteil, dass keine Batteriesäure austreten kann. Obwohl schwer, umweltschädlich und nur für gleichmäßigen Betrieb bei geringen Entladeströmen geeignet, hat dieser Akkutyp aber eine wirklich charmante Seite: er ist sehr billig.

Lade-Elektronik in Akkus

Qualität und Lebensdauer eines Akkuwerkzeugs hängen ganz entscheidend vom Ladegerät ab. Bei Elektrowerkzeugen können Sie sich nach dem einfachen Grundsatz orientieren: Je schneller der Akku geladen wird, desto besser ist die verwendete Akkutechnik. Standard bei Markengeräten sind derzeit Ni-Cd-Akkus mit Stundenladern. Das bedeutet, dass ein leerer Akku mit dem zum Set gehörenden Ladegerät binnen einer Stunde gefüllt wird. Der Ladezustand des Akkus wird dabei während des Ladens mit einem Temperatursensor kontrolliert, der im Akkupack fest installiert ist – Sie erkennen dies an drei Kontaktstiften im Kontaktschuh des Stromspenders.

Besonders hochwertige Geräte werden allerdings mit Impulsladern ausgeliefert, die eine Ladezeit von nur rund zehn Minuten ermöglichen. In diesen High-Tech-Ladegeräten steuert ein Computer den Ladevorgang, der in kleine Intervalle aufgeteilt wird: In Sekundenbruchteilen wird mit einem starken Strom geladen und danach in noch kürzerem Intervall eine Entladung vorgenommen. Schließlich werden Spannung und Temperatur des Akkus geprüft, bis der optimale Ladezustand erreicht ist.

Der Vorteil dieses sogenannten Reflexprinzips liegt in der besonderen Schonung der Akkuzellen: Durch die Kombination von Lade- und Entladeimpulsen bleiben die chemischen Vorgänge in der Zelle stets in einem besonders günstigen Bereich. Minderwertig sind demgegenüber Ladegeräte, die mit Konstantstrom über eine lange Zeit laden. Selbst wenn die Ladegeräte über eine Zeitsteuerung verfügen, ist ein sehr schädliches Überladen der Akkuzellen dabei praktisch nicht zu vermeiden.

Akku-Packs

 

Was passiert in einem Akkupack?

In einem Akkupack werden einzelne Akkuzellen zu einem Stromspeicher mit definierten Eigenschaften vereinigt. Ein Akkupack vereinigt eine Reihe von einzelnen Akkus zu einem leicht wechselbaren Stromspeicher und ermöglicht damit den Betrieb von Geräten mit höherer Spannung. Nennspannung und Kapazität – also die entnehmbare Strommenge – werden von den enthaltenen Einzelzellen, aber auch von der internen elektrischen Zusammenschaltung beeinflusst.

Die im Akkupack speicherbare Elektrizität wird vom schwächsten Einzelakku im Verbund bestimmt, deshalb sind die Hersteller bemüht, möglichst Akkus mit identischen Eigenschaften zu verwenden. Da es dennoch eine gewisse Bandbreite in den Zelleigenschaften gibt, kann es bei den Lade- und Entladevorgängen in einzelnen Zellen zu schädlichen Über- oder Tiefentladungen kommen.

In hochwertigen Akkus ist daher eine Elektronik integriert, die einzelne Zellen oder Zellgruppen elektrisch überwacht und für einen Ausgleich im Zellenverbund sorgt. Dabei wird insbesondere beim Ladevorgang dafür gesorgt, dass Zellen mit geringerer Spannung länger geladen werden – der Vorgang wird als Ausbalancieren bezeichnet und ist gerade bei den empfindlichen Lithium-Akkupacks sinnvoll. Zusätzlich wird fast immer die Temperatur im Inneren des Akkupacks überwacht. Zu warme Akkus werden dann nicht geladen oder es wird ein Lüfter zugeschaltet, um ein Überhitzen der Zellen zu vermeiden.

Quelle: selbst ist der Mann 11 / 2011

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