Projektgruppe WS 2007/2008 EyeFly
Seminar: Akkumulatoren und Ladetechniken
Nils Schröder
31. Oktober 2007
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 3
2 Energiequellen und Energiespeicher 3
3 Funktionsprinzip der elektrochemischen Zelle 4
4 Nennparameter der Zelle 5
5 Verschiedene Akkusysteme 9
5.1 Blei-Säure Akkus . . . 9
5.2 Geschlossene Nickel-Cadmium Akkus . . . 10
5.3 Nickel-Metallhydrid Akku . . . 13
5.4 Lithiumbasierte Akkus . . . 15
5.5 Ein Vergleich der vorgestellten Systeme . . . 17
6 Ladeverfahren 18 6.1 Grundlagen von Ladeverfahren . . . 19
6.2 Konstantspannungsmethode (Blei-Säure) . . . 20
6.3 Konstantstrommethode (Blei-Säure) . . . 21
6.4 Laden von NiCd und NiMH . . . 22
6.5 Laden von Li-Ion . . . 23
7 Fazit und Empfehlung für die Projektgruppe 23
Literatur 25
1 Einleitung
Diese Seminarausarbeitung entstand im Rahmen der Projektgruppe EyeFly an der Uni- versität Oldenburg. Ziel von EyeFly ist es in einen Fuÿball Kameras und Hardware so zu integrieren, dass ein stabiles Ausschnittsvideo der Rundumsicht des Balls an einem PC kabelungebunden betrachtet werden kann.
Hierzu ist im Ball eine autarke Energieversorgung nötig, welche diese Seminarausarbei- tung behandelt. Nach einer kurzen Einordnung in die Menge aller Energiequellen werden zunächst die Funktionsweise und Parameter von Akkumulatoren erläutert. Hierauf fol- gend wird ein Überblick über am Markt bendlicher Akkumulartortechnologien gegeben und auf den Ablauf und die Funktionsweise von Lademethoden eingegangen.
2 Energiequellen und Energiespeicher
Abbildung 1: Einordnung der vorgestellten Akkus in die Menge aller Energiequellen Elektrische Energie ist heute ein wesentlicher Bestandteil unserer Gesellschaft. Diese lässt sich jedoch nicht aus dem Nichts erschaen sondern es muss eine nicht nutzbare Energieform in Elektrizität umgewandelt werden. Eine Untermenge aller Umwandelver- fahren (Generatoren) ist die Klasse der chemischen Energiequellen, auch elektrochemische Zelle genannt. Sie ermöglichen es chemische Energie ohne Umweg über die mechanische Energie in Elektrizität umzuwandeln. Zudem sind sie gleichzeitig auch Energiespeicher (siehe Abbildung 1).
Halaczek ([TLH98]) unterscheidet hierbei zwischen:
Primärquellen, diese erlauben eine einmalige Energieentnahme. Mit der RAM-Zelle gibt es einen Sonderfall, diese Batterie ist sowohl Primärquelle als auch wiederauf- ladbar.
Sekundärquellen, diese erlauben einen Ladevorgang, wodurch sie mehrmals entla- den werden können.
Spezialquellen, diese umfassen ein weites Feld von sehr unterschiedlichen Verfahren zur Energieumwandlung, z.B. eine Wasserstozelle samt Wasserstotank ist eines hiervon.
In dieser Ausarbeitung werden lediglich die Sekundärquellen behandelt.
3 Funktionsprinzip der elektrochemischen Zelle
Abbildung 2: Galvanische Zelle
Elektrische Energie bezeichnet eine Potentialdierenz zwischen zwei Punkten. Verbin- det man diese zwei Punkte mit einem elektrischen Leiter, so ieÿt ein Strom vom höheren Potential zu dem niedrigeren um einen Ausgleich zu schaen. Dieser Stromuss kann in einem Verbraucher Arbeit verrichten.
Aufgabe einer chemischen Energiequelle ist somit die Polarisation eines Leiters. Es muss an einer Elektrode des Akkumulators (im Folgenden Akku genannt) ein Elektronenüber- schuss und an einer ein Elektronenmangel herbeigeführt werden.
Eine Reduktions-Oxidations-Reaktion ist hierzu in der Lage. Sie kann laut [TLH98] in zwei räumlich getrennt ablaufende Reaktionen geteilt werden:
1. Xred−→Xox+ne− 2. Yox+ne−−→Yred
Hierbei ndet an einem Pol des Akkus, der Anode, ein Oxidationsprozess statt. Das im reduzierten Zustand vorliegende Metall oxidiert und emittiert hierbei n Elektronen
(Gleichung 1). An dem anderen Pol, der Kathode, ndet der Reduktionsprozess statt.
Unter Aufnahme von n Elektronen wird ein im oxidierten Zustand vorliegendes Metall reduziert (Gleichung 2).
Solange der Akku nicht entladen ist emittiert die Anode immer neue Elektronen, welche von der Kathode aufgenommen werden.
Der Sto, welcher diese Redoxreaktion in Gang setzt nennt sich Elektrolyt. Er liegt meist in üssiger Form vor und in ihm benden sich in einigem Abstand die beiden Metalle (siehe Abbildung 2).
Der Elektrolyt stellt dabei einen Ionenleiter, die sogenannte Ionenbrücke, da. Er ermög- licht den bei der Redoxreaktion entstehenden Anionen und Kathionen innerhalb des Elektrolyts zu der anderen Elektrode zu wandern. Somit ist der Stromkreis geschlossen.
Eine solche elektrochemische Zelle heiÿt laut [Wik07] auch galvanisches Element nach dem italienischen Arzt Luigi Galvani.
Anmerkung: Die Begrie Anode und Kathode bezeichnen bei einem Akku den negativen und positiven Pol und sind hier in der richtigen Reihenfolge verwandt, denn sie wurden für den Ladeprozess deniert. Hier gibt der positive Pol Elektronen ab und heiÿt daher Kathode. Analoges gilt für die Anode.
4 Nennparameter der Zelle
Jeder Akku besitzt spezische technische Daten, die Parameter der Zelle. In diesem Abschnitt werden die wichtigen Eigenschaften genannt und erläutert.
Spannung
Abbildung 3: Spannungsverlauf über den Entladevorgang bei NiCd und NiMH Quelle:[Dur97]
Die Spannung an den Klemmen des Akkus (im Folgenden Klemmspannung genannt) ist während des Entladevorganges nicht konstant sondern fallend (vergleiche Abbildung 3).
Aus diesem Grund wird zwischen verschiedenen Spannungen unterschieden:
Leerlaufspannung: Ist keine Verbindung zwischen den Klemmen des Akkus her- gestellt, so bendet sich dieser im Gleichgewichtszustand und es stellt sich eine Gleichgewichtsspannung oder auch Leerlaufspannung ein. Hierbei gilt, dass glei- che Elektroden-Elektrolyt-Kombinationen stets eine gleich hohe Leerlaufspannung erzeugen. Möchte man eine höhere Spannung erhalten, so muss man mehrere gal- vanische Zellen in Reihe schalten.
Anfangsspannung: Die Anfangsspannung bezeichnet die Klemmspannung eines Ak- kus zu Beginn des Entladungsvorganges. Da der Spannungsverlauf in dieser Phase sehr steil verläuft ist die Anfangsspannung als Klemmspannung nach 10% entlade- ner Kapazität deniert. Man nennt diesen rapiden Spannungsabfall Spannungssack.
Entladeschlusspannung: Diese ist die Klemmspannung am Ende des Entladungs- vorganges. Auch hier ist ein starker Spannungsabfall zu erkennen. Die Entladungs- schlusspannung wird vom Hersteller des jeweiligen Akkusystems frei festgelegt.
Nennspannung: Die Nennspannung ist deniert als mittlere Klemmspannung über den gesamten Entladungsvorgang bei einem Entladungsstrom von ≤0,2C. In der Praxis halten sich die Hersteller jedoch nicht an diese Denition und ermitteln die Nennspannung ihrer Akkusysteme nach eigenen Verfahren. So kommt es dazu, dass NiCd und NiMH Akkus zwar mit der selben Nennspannung ausgezeichnet werden, was jedoch in in der Praxis nicht zutrit.
Strom
Je nach angeschlossenem Verbraucher ändert sich die Höhe des Stromusses. Ein Akku- system ist hierbei auf Grund der Geschwindigkeit der ablaufenden Redoxreaktion nicht in der Lage beliebige Ströme zu generieren. Die Hersteller geben daher folgende Strom- gröÿen an:
Entladenennstrom: Der Entladenennstrom stellt den für die Redoxreaktion opti- male Gröÿe dar und bei einem solchem wird die entnehmbare Energie maximiert.
Er entspricht bei NiCd und NiMH Zellen einer fünf stündigen Entladung (Entla- destrom = 0,2C).
Maximal-Entladestrom: Der vom Hersteller angegebene Maximalstrom, bei dem während des Entladeprozesses keine Beschädigung des Akkus auftritt.
Maximal-Ladestrom: Der vom Hersteller angegebene Maximalstrom, bei dem wäh- rend des Ladeprozesses keine Beschädigung des Akkus auftritt.
Stromgröÿen werden hierbei meist als Stundenrate angegeben (siehe 4).
Stundenrate
Die Stundenrate oder auch C-Rate ist eine Normierung des Stromes. So ist man in der Lage Ströme als vielfaches der Kapazität anzugeben. Sie werden durch die C-Rate un- abhängig von der absoluten Kapazität angegeben und die Lade- und Entladeparameter werden vereinfacht. Bei einem Strom von 1C entlädt sich der Akku vollständig innerhalb von einer Stunde, bei 0,2C in 5 Stunden und so weiter. Somit kann man z.B. sagen, ein Akku soll mit 0,2C geladen werden. Dies entspricht dann bei einem System mit einer Kapazität von 10Ah einem Ladestrom von 2A oder bei einem 20Ah System einem Lade- strom von 4A für jeweils 5 Stunden.
Kapazität
Abbildung 4: Thermische Abhängigkeit der Kapazität einer Blei-Säure und einer NiCd Zelle Quelle:[TLH98]
Die Kapazität C einer Zelle bezeichnet die entnehmbare Energie während des Entlade- vorganges. Bei konstantem Strom ist sie deniert als Produkt aus Strom und Entladezeit:
C =I∗t in[Ah] = [A]∗[h]
In der Praxis ist der Entladestrom jedoch selten konstant und daher wird die Kapazität besser als Integral der momentanen Stromstärke multipliziert mit der Zeitdierenz über der Entladezeit T berechnet:
Z T
0
I(t)dt
Die Kapazität ist nicht als fester Wert zu sehen sondern sie ist von vielen physikalischen Parametern abhängig. Hierzu gehören die Batterievorgeschichte, die Anzahl der durch- laufenen Ladezyklen, die Parameter der Ladevorgänge, die Anzahl der Tiefentladungen (Entladung unterhalb der vom Hersteller angegebenen Entladeschlussspannung), die La- gerzeiten, das Alter des Akkus und die Bauart.
Desweiteren ist die Kapazität von den Entladeparametern abhängig:
Entladestromstärke: Die Kapazität sinkt mit steigender Entladestromstärke ab.
Aus diesem Grund nennen die Hersteller in den Batteriedatenblättern eine optimale Entladestromstärke. Sie beträgt bei NiCd Akkus meist 0,2C.
Entladeschlussspannung: Je geringer die Entladeschlussspannung ist, desto länger entlädt man die Batterie und umso gröÿer ist demzufolge auch die Kapazität.
Batterietemperatur: Wie jede chemische Reaktion ist auch die Redoxreaktion stark temperaturabhängig. Je wärmer der Akku ist umso besser kann die Reaktion ab- laufen und umso höher ist die Kapazität (siehe Abbildung 4).
Die Hersteller geben die Batteriekapazität für eine Raumtemperatur von 20an (Cs). Desweiteren ist im Datenblatt der Temperaturkoezientαder Kapazität ge- geben. Es ergibt sich dann die Kapazität C bei einer Akkutemperatur von Θaus der Formel:
C=Cs(1−α(20−Θ)
Energiedichte
Eine wesentliche funktionale Eigenschaft von Akkus ist ihr Einsatz als mobile Energie- quelle. Somit ist nicht nur die entnehmbare Energie sondern auch die Gröÿe und das Gewicht von Bedeutung. Um nun bei verschiedenen Akkutechnologien einen Vergleich bezüglich des mobilen Einsatzes anstellen zu können, wird das Verhältnis von entnehm- barer Energie zu Masse oder Volumen gebildet. Diese Verhältnisse nennt man:
volumetrische Energiedichte: Sie bezeichnet das Verhältnis W attstunden Liter
gravimetrische Energiedichte: Sie bezeichnet das Verhältnis W attstunden Kilogramm
Wattstunden sind hierbei das Produkt aus Spannung, Strom und Zeit. Es gilt bei nicht konstanter Spannung und Strom für die Leistung P:
P[W h] = Z T
0
U(t)∗I(t)dt
[DL01] unterscheidet bei der Energiedichte desweiteren zwischen der
theoretischen Energiedichte: Hierbei wird nur das Volumen/Gewicht der Elektroden berücksichtigt.
theoretischen Energiedichte eines realen Akkus: Hierbei wird das Volumen/Gewicht der Elektroden, des Elektrolyts und der anderen Komponenten wie Gehäuse berück- sichtigt.
praktischen Energiedichte: Das Volumen/Gewicht wird wie bei der theoretischen Energiedichte eines realen Akkus berechnet. Jedoch wird hier bei der entnehmbaren Energie auch auf Entladeparameter eingegangen.
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis zwischen entnehmbarer und geladener Ener- gie:
η= entnehmbareEnergie geladeneEnergie
Ist die Energie in Ah angegeben, so spricht man auch von dem Ah-Wirkungsgrad, analog ergibt sich der Wh-Wirkungsgrad bei Energieangaben in Wh.
Der Kehrwert des Ah-Wirkungsgradesη−1Ah=λnennt sich Ladefaktor. Mit ihm kann man bei der Konstantstromlademethode (Unterabschnitt 6.3) leicht die Ladedauer berechnen.
Zyklenfestigkeit
Die Zyklenfestigkeit gibt an, wie oft ein Akku geladen werden kann, bevor er die Kenn- werte nicht mehr erfüllt. Meist verringert sich die Kapazität nach Überschreitung einer bestimmten Anzahl Ladezyklen. Dies kommt durch unerwünschte Nebenprodukte bei der Ladung und Entladung und durch Kurzschlüsse innerhalb der Zelle zustande.
Selbstentladung
Selbstentladung bezeichnet den Entladeprozess bei einer Batterie ohne angeschlossenen Verbraucher. Sie ndet ihren Uhrsprung in Nebenreaktionen und internen Kurzschlüssen.
Die Selbstentladung wird angegeben als prozentualer Kapazitätsverlust pro Monat. Sie liegt typischerweise zwischen 2% (Li-Ion) und bis zu 30% (Blei-Säure).
5 Verschiedene Akkusysteme
5.1 Blei-Säure Akkus
Allgemeine Systembeschreibung
Blei-Säure Akkus sind seit mehr als einhundert Jahren auf dem Markt anzutreen und erfreuen sich nach wie vor einer groÿen Beliebtheit und Einsatzbandbreite. Dies liegt nicht zuletzt an den geringen Herstellungskosten aufgrund der weltweit guten Verfüg- barkeit der Herstellungsmaterialien. Sie werden in allen vorstellbaren Dimensionen, von Kapazitäten <1Ah bis sehr groÿen von tausenden Ah, gebaut. Sie sind in der Lage hohe Entladeraten zu liefern und zeigen ein gutes Verhalten sowohl bei niedrigen als auch bei
hohen Temperaturen. Eine hohe Zellspannung von 2 Volt und der hohe Wirkungsgrad von 80% sind ebenso von Vorteil wie das einfache Überprüfen der Restkapazität auf- grund einer während des Entladevorganges nahezu linear abfallenden Klemmspannung.
Darüber hinaus besitzen Blei-Säure Akkus keinen Memory-Eekt (siehe 5.2).
Jedoch hat ein Blei-Säure Akku auch seine Schwachstellen. So besitzt er keine groÿe Zyklenfestigkeit und hat eine im Vergleich zu anderen Systemen kleine Energiedichte.
So kommt die Blei-Säure Technik vornehmlich bei groÿen Kapazitäten zum Einsatz, wo nicht so sehr die Mobilität und somit die Ausmaÿe entscheidend sind.
Die Zellreaktion
Die Redoxreaktionsgleichung während der Entladung:
P b+P bO2+H2SO4−→2P bSO4+ 2H2O
Während des Entladevorganges verwandeln sich beide Elektroden (eine ist aus Blei, die andere aus Bleioxid) in Bleisulfat. Dabei wird Schwefelsäure verbraucht und Wasser frei- gesetzt. Dieses Wasser verdünnt die Schwefelsäure, wodurch die Zellspannung sinkt. Es gilt hierbei für die Spannung:
U[V] =S¨auredichte[kg
l ] + 0,84
Bei dem Ladevorgang wird diese Reaktion umgekehrt. Es ist hierbei zu beachten, dass nach vollständiger Ladung eine Elektrolyse einsetzt. Diese zerlegt das verbleibende Was- ser in Wassersto und Sauersto. Es gilt für den Gasungseekt genannten Vorgang 2H2O −→ 2H2 +O2. Er ist aufgrund der hohen Explosionsgefahr des Wasserstoes möglichst zu unterbinden.
Typische Bauform
Bleiakkus werden meistens in Blockbauweise, also quaderförmig, hergestellt. In Abbil- dung 5 ist ein typischer Aufbau zu sehen. Positive Elektrode und negative Elektrode hängen jeweils an einem Plattenverbinder in einigem Abstand in dem Elektrolyt. Jeder Plattenseperator verbindet hierbei eine ganze Anzahl von gleichen Elektroden, um die Kapazität zu erhöhen. Zur Spannungserhöhung werden hierbei mehrere solcher Zellen in Reihe geschaltet. Das Batteriegehäuse bietet hierzu mehrere durch einen Kunststosepe- rator getrennte Kammern an.
Eine besondere Bauform des Blei-Säure Akkus ist der wartungsfreie Bleiakku. Hierbei wird die Schwefelsäure mit Hilfe von SiO2 Dämpfen geliert und in ein poröses Sepera- tormaterial eingebracht. Hierdurch kann sie nicht mehr auslaufen oder verdampfen.
5.2 Geschlossene Nickel-Cadmium Akkus Allgemeine Systembeschreibung
Obwohl die NiCd Zelle bereits 1950 zur Produktionsreife geführt wurde fand sie erst 1980 eine Verbreitung von 10% Marktanteil. Aufgrund ihrer groÿen Energiedichte und
Abbildung 5: Typischer Aufbau eines Blei-Säure-Akkus Quelle: unbekannt des groÿen Maximalentladestromes wuchs der Marktanteil schnell an, da der Markt nach Energiequellen für die rasch zunehmende Zahl an mobilen Geräten wie Walkman ver- langte. Sie bietet eine ache Entladecharakteristik (Spannungsabfall während des Entla- devorganges) und erträgt lange Lagerzeiten im entladenen und geladenen Zustand. Sie ist aufgrund der Bauweise (siehe 5.2) robust. NiCd Akkus sind zudem schnellade- und tiefentladefähig.
Ihre groÿen Nachteile sind der Memory-Eekt (siehe 5.2), die hohe Selbstentladung und die weitaus höheren Kosten aufgrund der teureren Materialien als bei Blei-Säure Sys- temen. Hinzu kommt die Umweltschädlichkeit auf Grund Verwendung von Cadmium.
Das EU Parlament hat 2006 laut [Par06] ein Verbot für alle NiCd Akkus mit 0,002 Ge- wichtsprozent Cadmium beschlossen, welches innerhalb von 2 Jahren in nationales Recht umgesetzt werden muss.
Die Zellreaktion
Die Redoxreaktionsgleichung während der Entladung:
Cd+ 2N iOOH+ 2H2O −→Cd(OH)2+ 2N i(OH)2
Cadmium oxidiert zu Cadmium-Hydroxid und Nickel-Oxid wird mit Wasser zu Nickel- Hydroxid reduziert. Diese Reaktion beschreibt jedoch nur den idealen Verlauf. In der Praxis ist die Reaktion ein wenig komplizierter, denn die Hersteller mischen eine ganze Reihe anderer Stoe bei.
Bei dem Ladevorgang werden diese Prozesse in umgekehrter Reihenfolge vollzogen. Hier- bei ist zu beachten, dass nun, wie in der Reaktionsgleichung oben zu sehen, auch Wasser entsteht. Findet die Ladung im Tieftemperaturbereich statt, so kann das an der NiOOH- Elektrode entstehende Wasser gefrieren und diese zerstören.
Ein weiteres Problem bei NiCd Akkus ist der Memory-Eekt. Wird ein Akku nicht
vollständig entladen, so scheint er sich den alten Entladepunkt zu merken und sich auch später nicht weiter entladen lassen. Der Memory-Eekt entspricht einem Kapazitäts- verlust bei wiederholter nicht vollständiger Entladung. Er kommt durch zwei Faktoren zustande. Zum einen bilden sich bei dem Ladevorgang kleine Mikrokristalle auf den Elek- troden, welche bei der Entladung wieder abgebaut werden. Wird der Akku jedoch nicht vollständig entladen, so begünstigt dieses die Bildung von gröÿeren Kristallen in den nicht entladenen Bereichen und diese behindern die Zellreaktion. Dieser Eekt ist durch mehrmaliges vollständiges Entladen und auaden reparabel. Zum anderen Laden insbe- sondere ältere Ladegeräte eine feste Zeitspanne. Ist der Akku nicht vollständig entladen, so wird er nun überladen. Hierbei entstehen unerwünschte Nebenprodukte, welche das Elektrolyt und die Elektroden verunreinigen. Folge ist eine sinkende Kapazität.
Gasdruckreduzierung
Gegen Ende des Ladeprozesses wird als Nebenprodukt an der positiven Elektrode Sau- ersto freigesetzt, welcher einen Überdruck in dem Akku erzeugt und diesen zerstören kann. Um diesem Prozess entgegenzuwirken nutzt man einen Rekombinationsmechanis- mus aus. Hierbei wird mehr Cadmium in die negative Elektrode des Akkus eingebracht, als für die Energiespeicherung nötig ist. Der Sauersto wandert durch den Elektrolyten zum Cadmium und reagiert mit ihm zu Cadmiumhydroxid:
Cd+1
2O2+H2O −→Cd(OH)2
Um das Wandern des Sauerstoes zu ermöglichen muss die Trennfolie Sauerstodurch- lässig sein. Zudem ist eine möglichst kleine Elektrolytmenge für den Prozess von Vorteil.
Typische Bauform
Nickel-Cadmium Akkus werden meist in zylindrischen Formen hergestellt. In Abbildung 6 ist ein typischer Aufbau zu sehen. Es wird eine Schichtung von abwechselnd Nickelblech (gelb) und Cadmiumblech (blau) mit jeweils elektrolytgetränkter Trennfolie (grün) da- zwischen hergestellt. Dabei sind Nickel und Cadmium etwas zueinander verschoben, so dass sie je an einer Seite aus dem Paket hervorschauen um die Pole zu bilden. Das Ganze wird dann aufgerollt und in dem Batteriegehäuse platziert. Ein Sicherheitsventil gibt dem Sauersto die Möglichkeit zu entweichen, wenn der Druck trotz Gasdruckreduzierung zu groÿ wird.
Aufgrund der hohen Energiedichte werden auch NiCd-Knopfzellen hergestellt (siehe Ab- bildung 7). Hier wird lediglich eine Nickelschicht und eine Cadmiumschicht, getrennt durch den elektrolytgetränkten Seperator, eingebracht. Eine Feder sorgt für den ständi- gen Kontakt der Elektroden mit dem Seperator.
Abbildung 6: Typischer Aufbau eines Nickel-Cadmium-Akkus in Zylinderbauweise Quelle:[TLH98]
5.3 Nickel-Metallhydrid Akku Allgemeine Systembeschreibung
Die Nickel-Metallhydrid Akkus sind das Ergebnis der Suche nach einem NiCd Nachfolger auf Grund der Umweltschädlichkeit und des wachsenden Leistungshungers neuer mobiler Geräte. Eine wesentliche Anforderung waren somit die zu der NiCd Zelle kompatiblen Zellspannungscharakteristiken. Sie wurde 1990 erstmal in den Markt eingeführt.
Bei ihr wurde die negative Cadmiumelektrode durch eine sehr komplizierte Metalllegie- rung ersetzt. Diese weist eine höhere volumetrische Energiedichte auf, woraufhin das ein- gesparte Volumen durch mehr Nickel bei der positiven Elektrode genutzt werden konnte.
Hierdurch erhält die NiMH Zelle ca. 30% mehr Kapazität bei gleicher Akkugröÿe gegen- über des NiCd Akkus.
Von Nachteil ist der mit 3C wesentlich kleinere Maximalentladestrom, eine groÿe Selbs- tentladung und eine kürzere Lebensdauer. Zudem ist sie nur sehr begrenzt Überladbar, da hierbei der Seperator stark angegrien wird und es zu einem inneren Kurzschluss kommen kann. Somit ist die Ladungskontrolle aufwendiger als bei der NiCd Zelle.
Der NiMH Akku besitzt ebenfalls einen Memory-Eekt.
Die Zellreaktion
Bei der Entladung oxidiert das Metall-Hydrid zu Metall und die Nickeloxyhydroxide reduzieren sich zu Nickelhydroxid:
M H+N iOOH −→M +N i(OH)2
Abbildung 7: Typischer Aufbau eines Nickel-Cadmium-Akkus als Knopfzelle Quelle:[TLH98]
Auch hier kommt es wieder zu Sauerstobildung gegen Ende des Ladeprozesses und es wird ein Rekombinationsmechanismus mit Hilfe von mehr Metallhydrid ausgenutzt:
4M H+O2 −→4M+ 2H2O
Typische Bauform
Abbildung 8: Typischer Aufbau eines Nickel-Metallhydtid-Akkus in Prismabauweise Quelle:[TLH98]
Die Bauformen von NiCd und NiMH Zellen sind identisch. Es wird lediglich das Cad- mium durch Metallhydrid ersetzt. An dieser Stelle sei daher nur die eher seltener zum Einsatz kommende prismatische Zelle genannt, welche ebenso auch für NiCd existent ist (siehe Abbildung 8). Positive und negative Elektrode werden jeweils durch einen elektro-
lytgetränkten Seperator getrennt und zu einem Paket geschichtet. Dieses wird in einem prismatischen Gehäuse platziert, gleiche Elektroden verbunden und zu den Polen geführt.
5.4 Lithiumbasierte Akkus Allgemeine Systembeschreibung
Das Patent über die Lithium-Ionen Batterie (nicht wiederauadbar) wurde bereits 1949 angemeldet und erste Fertigungen kamen dann 1974 auf den Markt. Die wiederauadbare Variante ist jedoch eine relativ junge Technologie aus dem Ende des letzten Jahrhunderts und bendet sich auch jetzt noch in der Entwicklung. Lithium-Ionen Akkus sind nicht eine einzige Akkuvariante sondern stellen eine ganze Klasse von verschiedensten Ak- kusystemen dar. Ihre Eigenschaften sind nicht eindeutig beschreibbar und bieten keine allgemeingültigen Vorteile gegenüber der NiCd und NiMH Zelle. Es gibt Varianten, die sehr exotische Anwendungszenarien voraussetzen, z.B. muss die Arbeitstemperatur höher als 120sein oder die Spannung ist so gering, dass sie nur für Herzschrittmacher nutzbar sind.
Mann kann jedoch gewisse Klassen bilden:
Zellen mit üssigem, organischem Elektrolyt: Sie haben eine Festkörperkathode aus Einlagerungsverbindungen und eine Anode aus metallischem Lithium. Das Elek- trolyt ist üssig und aus einer organischen Verbindung. Diese Zellen besitzen eine hohe Energiedichte, eine niedrige Selbstentladung und es lassen sich mittlere Ent- ladeströme realisieren. Von Nachteil ist die geringe Lebensdauer und ein mögliches Sicherheitsproblem aufgrund des metallischen Lithiums (entzündet sich bei Kon- takt mit Luft bei Raumtemperatur).
Beispiele sindLi/M oS2, Li/M nO2, Li/T iS2/, Li/N bSe3, Li/V2O5, Li/LiCoO2, Li/LiN iO2.
Zellen mit festem Elektrolyten: Sie haben eine Festkörperkathode aus Einlagerungs- verbindungen und eine Anode aus metallischem Lithium. Hier ist der Elektrolyt jedoch aus einem festen Polymer, man spricht somit auch von einem Lithium- Polymer Akkus. Diese besitzen ebenfalls eine hohe Energiedichte, jedoch lassen sich nur kleine Entladungsströme realisieren. Durch den festen Elektrolyten ist er jedoch sicherer. Er besitzt ebenfalls eine niedrige Selbstentladung.
Beispiele sindLi/P EO, LiClO4/V6O13.
Lithium-Ionen-Zellen: Beide Elektroden sind aus Einlagerungsverbindungen, der Elektrolyt ist üssig oder fest. Da hier Lithium nur eingelagert vorkommt, besteht keine Entzündungsgefahr. Sie besitzen eine mittlere Energiedichte, mittlere Entla- dungsströme und eine lange Lebensdauer. Allerdings ist ihre Selbstentladung im Vergleich zu anderen Systemen groÿ.
Beispiele sindLixC/LiCoO2, LixC/LiN iO2, LixC/LiM n2O4.
Zellen mit anorganischem Elektrolyten: Hier ist die Kathode üssig und dient als Lösungsmittel für den anorganischen Elektrolyten. Diese Systeme besitzen eine
hohe Energiedichte, liefern hohe Entladungsströme und sind gegen Überladung wi- derstandsfähig. Mann kann sie zwar sehr gut Lagern, sie sind aber nicht besonders Zyklenfest. Auÿerdem sind sie hoch giftig.
Beispiele sindLi/SO2, Li/CuCl2.
Lithium-Legierungs-Zellen: Die Anode besteht aus einer Lithiumlegierung bei ver- schiedenen Kathodenstoen. Der Elektrolyt ist organisch und üssig. Auch hier ist Sicherheit durch die Bindung des Lithiums in einer Legierung gegeben. Sie bietet jedoch nur eine sehr geringe Energiedichte und kurze Lebensdauer. Es werden meist Knopfzellen mit dieser Technologie gefertigt.
Beispiele sindLiAl/M nO2, LiAl/V2O5, LiAl/C, LiC/V2O5, LiAl/P olymer. Die Zellreaktion
Abbildung 9: Ionenverschiebung bei Lithium Ionen Akkus Quelle:[TLH98]
Jede der vorgestellten Zellklassen besitzt eine eigene Zellreaktion und es soll hier an dieser Stelle nur das Prinzip der Lithium-Ionen Zelle vorgestellt werden.
Bei der Lithium-Ionen Zelle läuft keine klassische Redoxreaktion ab, sondern die La- dungsspeicherung beruht auf der Verschiebung der Lithiumionen. Hierbei müssen die Elektroden als dreidimensionales Gebilde betrachtet werden. Sie sind in der Lage Li- thiumionen aufzunehmen. Bei der Ladung werden nun die Lithiumionen in die Anode verschoben.
Eine beispielhafte Zellreaktion verläuft nach folgendem Schema, wobei M allgemein für Metall steht (siehe Abbildung 9):
LiM O2+C −→LixC+Li1−xM O2
Typische Bauform
Abbildung 10: Typischer Aufbau eines Lithium-Ionen Akkus Quelle: unbekannt Lithium Akkusysteme werden meist speziell für einen Anwendungsfall bzw. für ein Gerät hergestellt. So unterscheiden sich die Akkus sehr in der Bauart. Es wird jedoch meist wieder eine Schichtung ähnlich der bisher vorgestellten Bauformen vorgenommen, wobei jetzt jedoch noch Stromkollektorschichten hinzukommen (siehe Abbildung 10).
5.5 Ein Vergleich der vorgestellten Systeme
Als Abschluss der Vorstellung verschiedener Akkusysteme soll ein tabellarischer Vergleich gegeben werden. Diese Tabelle beruht auf Daten aus [TLH98], lediglich die Energiedich- ten wurden für den 1,2Ah NiCd Akku ([san03]) und den 2,5Ah NiMH Akku ([san05]) der Firma Sanyo von mir berechnet.:
System Blei-Säure NiCd NiMH Li-Ion
Anode Pb Cd MH LixC6
Kathode P bO2 NiOOH NiOOH LiCoO2
Nom. Zellspannung 2,0 1,2 1,2 3,7
Elektrolyt anorganisch anorganisch anorganisch organisch Arbeitsbereich [V] 2,0-1,6 1,25-1,0 1,25-1,0 4,1-2,7
Entladeschlussspannung [V] 1,6 0,8 0,9 2,5
Max. Entl.Strom [C] 10 20 2-3 2
Energiedichte
-gravim. [W hkg ] 30 45 100 150
-volum. [W hl ] 90 105 215 290
Selbstentladung 20[M onat%N K] 8 15 25 10
Zyklenfestigkeit 200-300 300-700 300-600 500
Impulsverhalten ++ ++ KA +
Besonders wichtig ist im Rahmen der Projektgruppe die gravimetrische Energiedichte des
Abbildung 11: Vergleich der Energie und Leistungsdichte der Akkutypen Quelle: Wiki- pedia
Akkus, da der Ball später ein möglichst geringes Gewicht besitzen soll. In Abbildung 11 sind die Leistungsdichte und Energiedichtebereiche der Akkusysteme dargestellt. Es ist gut zu erkennen, dass die Li-Ionen Akkus hierbei am besten abschneiden.
6 Ladeverfahren
Bei der Ladung werden die Zellreaktionsprodukte wieder in ihren höherenergetischen Zu- stand überführt. Die vorgestellten Zellreaktionen laufen in umgekehrter Reihenfolge unter Energiezufuhr aus einer externen Quelle ab. Hierbei werden einige Qualitätsansprüche an den Ladeprozess gestellt:
Der Akku muss vollständig geladen werden.
Die Überladung, welche zur Verringerung der Kapazität auf Grund von Erzeugung unerwünschter Nebenprodukte und akkuinternen Kurzschlüssen führt, soll maximal eingeschränkt werden.
Der Ladeprozess ist hierbei durch die Parameter
Ladestrom
Ladespannung
Temperatur der Zelle
eindeutig festgelegt. Dies bedeutet jedoch keinesfalls, dass diese Gröÿen während des Ladeprozesses konstant sind.
6.1 Grundlagen von Ladeverfahren
Der Ladevorgang eines Akkus ist in mehrere Phasen gegliedert:
1. Hauptladung: Die Hauptladung lädt den Akku bis auf ca. 75-90% seiner Kapazi- tät. In dieser Phase der Ladung ist der Akku noch sehr gut in der Lage Energie aufzunehmen, da noch wenig Material in seinen höherenergetischen Zustand umge- wandelt wurde. Hier kann wahlweise auch ein Schnellladeverfahren (hohe C-Rate) zum Einsatz kommen.
2. Ergänzungsladung: Zum Ende der Ladung hin ist nur noch wenig Ausgangsmaterial vorhanden, wodurch die Reaktion sich verlangsamt und der Akku die Energie nicht mehr so schnell aufnehmen kann. Zudem treten vermehrt unerwünschte Nebenre- aktionen auf und es muss der Ladevorgang systemabhängig intensiver überwacht werden. Als Beispiel darf die Sauerstofreisetzung bei NiCd Akkus nicht schneller als der Rekombinationsmechanismus ablaufen. Die Ergänzungsladung hat somit die Aufgabe unter genauer Systembeobachtung die fehlenden 10-25% zu laden.
3. Erhaltungsladung: Die Erhaltungsladung ist optional und lädt den Akku mit mini- malen C-Raten von 0,01C nach Beendigung der Haupt- und Ergänzungsladung um der Selbstentladung bis zum Gebrauch entgegenzuwirken. Die Erhaltungsladung wird auch Trickle-Ladung genannt.
Zudem existiert eine ganze Reihe von Ladeverfahren für spezielle Anwendungsfälle:
Die Puerladung lädt Akkus, welche ständig in Bereitschaft bleiben müssen. Diese benden sich auch während des Ladevorganges im Gerät und stehen nicht selten unter Last. Ein Beispiel sind unterbrechungsfreie Stromversorgungen.
Die Ausgleichsladung wird bei Akkupacks, bestehend aus mehreren einzelnen Zel- len, angewandt. Im Laufe der Zeit verändern sich die Zelleigenschaften einzelner Zellen eines Akkupacks, was bei der Ladung berücksichtigt werden muss. So kann es passieren, dass eine Zelle bereits voll geladen ist und eine weitere nicht. Es kann zu Überladung und Kapazitätsverlust des gesamten Akkupacks kommen. Die Ausgleichladung wird meist mit Hilfe eines speziellen Balancers realisiert, welcher für den jeweiligen Akkupack ausgelegt ist und die Zellen bei der Ladung einzelnt überwacht und lädt.
Eine Erfrischungsladung kann dabei helfen, alte Akkupacks zu revitalisieren. Zum einen werden lange gelagerte Akkus aus einem tiefentladenen Zustand in normale Spannungsbereiche gebracht und zum anderen werden durch mehrmaliges Laden und Entladen Memory-Eekte und Überladungsschäden bei NiCd und NiMH Ak- kus teilweise rückgängig gemacht.
Die Klemmspannung während des Ladevorganges
Die KlemmspannungUK während des Ladevorganges ergibt sich bei der Ladung aus der LeerlaufspannungU0 des Akkus selber und der durch die externe Stromquelle angelegte Spannung Uext, welche über dem Akku abfällt. Diese berechnet sich wiederum aus dem Ladestrom Il und dem InnenwiederstandRi des Akkus. Es gilt somit:
UK=U0+Uext=U0+Il∗Ri
6.2 Konstantspannungsmethode (Blei-Säure)
Abbildung 12: Ladekurven der Konstantspannungsmethode ohne Strombegrenzung Quelle: [TLH98]
Bei der Konstantspannungsmethode wird an den Akku eine konstante Spannung an- gelegt (siehe Abbildung 12 links). Wie man in Abbildung 12 rechts sehen kann, stellt sich hierbei schnell eine Klemmspannung (durchgezogene Kurve) gleich der Ladespan- nung ein. Der Strom ergibt sich dann aus 6.1. Er ist zunächst sehr groÿ, fällt jedoch schnell ab. Der Ladevorgang ist beendet, sobald der Strom unter einen je nach Akku- typ unterschiedlichen Wert sinkt. Diese Lademethode wird vornehmlich bei Blei-Säure Zellen als Haupt- und Ergänzungsladung eingesetzt. Wie man an dem Stromverlauf er- kennen kann, verläuft die Energiezufuhr nicht linear, sondern ist zu Beginn der Ladung besonders groÿ. In dieser Phase übersteigt die Ladegeschwindigkeit die Rekombinations- geschwindigkeit der Gasdruckreduzierung von NiCd und NiMH Systemen, weswegen die Konstantspannungsmethode hier nicht zum Einsatz kommt.
Konstantspannungsmethode mit Strombegrenzung
Diese Methode basiert analog auf einer konstanten Spannung (siehe Abbildung 13 links), jedoch wird hier zusätzlich der Maximalladestrom begrenzt. Die Klemmspannung steigt aufgrund dessen während des gesamten Ladeprozesses langsam an. Der Strom geht hier- bei wesentlich langsamer zurück, bis auch er asymptotisch auf einen Wert Ladespannung
Innenwiederstand
abfällt. Ladeabbruchbedingung ist wiederum ein Schwellwert des Ladestromes. Diese Me- thode kommt bei Blei-Säure Akkus zum Einsatz, die intern eine Stromsicherung gegen zu hohe Ströme besitzt.
Abbildung 13: Ladekurven der Konstantspannungsmethode mit Strombegrenzung Quelle:[TLH98]
6.3 Konstantstrommethode (Blei-Säure)
Abbildung 14: Ladekurven der Konstantstrommethode Quelle: [TLH98]
Bei der Konstantstrommethode wird dem Akku während des Ladevorgangs ein kon- stanter Strom zugeführt (siehe Abbildung 14 links). Die Klemmspannung (Abbildung 14 rechts) steigt nun während des Ladeprozesses aufgrund der sich erhöhenden Leerlauf- spannung bei konstantem Il∗Ri langsam an (vergleiche 6.1).
Das Ende der Ladung wird meist mit Hilfe der ∆U Methode bestimmt. Hierbei wird in festen, je nach Akkutyp unterschiedlichen, Zeitabständen die Spannung gemessen und die Dierenz zur letzten Messung gebildet. Ist der Spannungsanstieg unterhalb eines Schwell- wertes, so ist der Ladevorgang abgeschlossen.
Eine weitere Methode ist das Laden für eine vorher festgelegte Zeitspanne bzw. einer fes- ten Ladungsmenge berechnet mit Hilfe des Ladefaktors. Von dieser Methode ist jedoch aufgrund der Überladung von vor Beginn des Ladevorganges nicht vollständig entladener Akkus abzuraten. Nichts desto trotz kommt diese Abbruchbedingung bei älteren und billigen Ladegeräten zum Einsatz und soll daher nicht unerwähnt bleiben.
Die Konstantstrommethode kommt in der hier vorgestellten Form wiederum insbesonde- re bei Blei-Säure Systemen zum Einsatz. Bei kleinen Ladeströmen von 0,2C (also ein fünf stündiger Ladevorgang) kann sie jedoch auch bedenkenlos ohne weitere Überwachungs-
maÿnahmen bei NiCd und NiMH Akkus angewandt werden.
6.4 Laden von NiCd und NiMH
Abbildung 15: Ladekurven der eine NiCd Zelle Quelle: [TLH98]
Nickel-Cadmium und Nickel-Metallhydrid Zellen unterscheiden sich bei der Ladung nur minimal. Sie werden beide mit der Konstantstrommethode (siehe Unterabschnitt 6.3) geladen. Die ersten 60% der Kapazität werden bei relativ geringer Spannung erreicht (siehe Abbildung 15) und das so gut wie unabhängig von der Ladestromgröÿe (siehe Abbildung 16). Gegen Ende der Ladung Steigt die Spannung relativ schnell an, wobei sich auch langsam der innere Gasdruck erhöht (siehe Abbildung 15). Ist die Ladung abge- schlossen, so fällt die Klemmspannung langsam wieder ab, was hier als Abbruchkriterium hergenommen wird.
Ein weiteres Abbruchkriterium ist ein Temperaturanstieg aufgrund des durch ausbleiben des Rekombinationsprozesses ansteigenden inneren Gasdrucks.
Des weiteren ist der Ladestrom maximal so hoch einzustellen, dass die Gasdruckredu- zierung den freiwerdenden Sauersto absorbieren kann. Ist dies nicht der Fall, so önet das Sicherheitsventil, Elektrolyt tritt aus und die Zelle ist zerstört. Der innere Gasdruck korreliert mit der Zelltemperatur und kann so überwacht werden.
Es besteht jedoch ein Unterschied zwischen NiCd und NiMH Zellen bei der Überladung.
Gegen diese sind die NiMH Akkus sehr empndlich, es muss also unbedingt eine Ab- bruchkontrolle im Ladegerät vorhanden sein.
Abbildung 16: Ladespannung bei verschiedenen Laderströmen bei ein NiCd Zelle Quelle:
[TLH98]
6.5 Laden von Li-Ion
Lithium Ionen Akkus sind sehr empndlich gegenüber der angelegten Ladespannung. Ein Hersteller (nicht näher speziziert in [TLH98]) gibt eine Halbierung der Lebensdauer in Zyklen bei einer Abweichung von 0,1 Volt an. Somit kommt nur die Konstantspannungs- methode in frage. Da eine Überhitzung durch die Reaktionwärme während des Ladepro- zesses zum austreten des Elektrolyts und aufgrund der niedrigen Entzündungstemperatur dieser zum Brand führen kann, empehlt sich zusätzlich eine Strombegrenzung und ge- naue Temperaturkontrolle.
Nach 90-95% wird auf Ergänzungsladung mit sehr geringem Ladestrom umgeschaltet. Es empehlt sich einen Timer als Notfallkriterium hinzuzuziehen.
Aufgrund der groÿen Bandbreite an verschiedenen Systemen kümmern sich die Herstel- ler um ein auf den jeweiligen Akkutypen abgestimmtes Ladeverfahren. Bei mehrzelligen Systemen wird schon im Akkupack oftmals ein Balancer und diverse Überwachungsschal- tungen integriert.
Die Li-Ion Systeme sind im vergleich zu anderen Akkus sehr teuer, was eine Beschädi- gung sehr ärgerlich macht. Es ist zu empfehlen ein vom Hersteller speziell angepasstes Ladegerät zu erwerben, anstatt Eigenbauten einzusetzen.
7 Fazit und Empfehlung für die Projektgruppe
Ich möchte diese Seminararbeit mit einer Empfehlung für unsere Projektgruppe beenden.
Ich denke, dass ein Li-Ion Akku die beste Wahl darstellt. Blei-Säure, NiCd und NiMH Akkus haben nicht die groÿe Energiedichte wie die lithiumbasierten Akkus. Ein geringes
Gewicht ist jedoch eine der Anforderungen an unser System. Li-Polymer Akkus sind noch recht teuer und somit nicht mit unserem Budgetplan in Einklang zu bringen. Des weiteren empfehle ich den Kauf eines vom Hersteller empfohlenen Ladegeräts. Ein Selbstbau würde viel Manpower kosten und aufgrund bei Versuchen zerstörter Akkus sogar teurer als ein Kauadegerät werden.
Voraussichtlicher Energiebedarf unseres Systems
Die Leistungsaufnahme des Hardwaresystems im Ball liegt bei ca. 2,2 Ampere und setzt sich wie folgt zusammen:
FPGA samt Developmentboard: 1A geschätzt aufgrund des Netzteils
Sensorik: 300mA geschätzt von Michael, unserem Sensorikmenschen
Funkübertragung: 700mA geschätzt aufgrund von zwei Wlansticks mit der USB Spezikation von 350mA Maximalstrom
8 Kameras Comedia C3088: je 16mA also gesamt 128mA Voraussichtliche Systemlaufzeit
Berechnungsgrundlage ist ein Notebookakkupack von einem Samsung X20 Laptop. Er besitzt eine Nennspannung von 11,1 Volt und eine Kapazität von 4800mAh bei einem Gewicht von 350g. Die gravimetrische Energiedichte liegt also bei:
11,1V ∗4,8Ah
0,35kg ≈152W h kg
Bei dem oben angegeben Strom von 2,2A können wir unser System mit diesem Akku voraussichtlich ca. 2 Stunden betreiben. Laut Sepp Herberger hat ein Fuÿballspiel 90 Minuten und kann nach meinen Berechnungen mit einer Akkuladung vollzogen werden.
Literatur
[DL01] Thomas B. Reddy David Linden (2001). Handbooks of Batteries. 3. Auage.
McGraw-Hill. ISBN 0-07-135978-8
[Dur97] Duracell (Juli 1997). Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries. URL http:
//www.duracell.com/oem/Pdf/others/TECHBULL.pdf
[Par06] Pressedienst Europäisches Parlament (Juli 2006). Sammlung, Be- handlung und Recycling von Altbatterien und Altakkumulatoren.
URL http://www.europarl.europa.eu/news/expert/briefing_page/
9470-187-07-27-20060628BRI09328-06-07-2006-2006/default_p001c003_
de.htm
[san03] sanyo (Juli 2003). Cell Type KR-1200AAE. URL http://sanyo.wslogic.
com/pdf/pdfs/KR-1200AAE.pdf
[san05] sanyo (August 2005). Cell Type HR-3U. URL http://sanyo.wslogic.com/
pdf/pdfs/HR-3U-2500.pdf
[TLH98] Hans Dieter Radecke Thaddäus Leonhard Halaczek (1998). Batteri- en und Ladekonzepte: Lithium-Ionen/Nickel-Cadmium/Nickel-Metall-Hydrid- Akkus, Power-Kondensator, Ladetechnik, Herstellerübersicht. 2. Auage. Fran- zis'. ISBN 3-7723-4603-0
[Wik07] Wikipedia (Oktober 2007). Galvanische Zelle. URL http://de.wikipedia.
org/w/index.php?title=Galvanische_Zelle&oldid=38137375
