Aufladen bei hohen und tiefen Temperaturen

Wiederaufladbare Batterien arbeiten in einem vernünftig breiten Temperaturbereich. Dies gestattet jedoch nicht automatisch auch eine Aufladung im selben Temperaturbereich. Während der Einsatz von Batterien in heisser oder kalter Umgebung nicht immer vermieden werden kann, hat der Verwender die Bedingungen während der Ladung einigermaßen unter Kontrolle. Die Aufladung sollte unbedingt bei mittleren Temperaturen durchgeführt werden.
Im Allgemeinen sind ältere Batterietechnologien, wie z.B. Nickel-Kadmium, toleranter beim Laden bei extremen Temperaturen. Nickel-Kadmium-Batterien können mit einer Schnellladung innert ca. 1 Stunden aufgeladen werden. Eine solche Schnellladung sollte jedoch innerhalb des Temperaturbereiches von 5° bis 45°C erfolgen. Ein noch engerer Temperaturbereich von 10° bis 25°C ergibt jedoch bessere Resultate.

Das Aufladen unterhalb 5°C bedingt einen reduzierten Ladekoeffizienten von 0,1C (ein Zehntel der Kapazität). Dies ist im Bereich, wo Sauerstoff und Wasserstoff im Innern der Zelle abgebaut werden kann. Auf Grund der abnehmenden Einstellungen bei tieferen Temperaturen, führt eine zu schnelle Ladung zu übermäßigem Zellendruck, was zu einem Zellenleck führen kann. Eine solche Batterie wird unter diesen Bedingungen nie voll aufgeladen werden können.
Industriebatterien, die eine schnelle Aufladung bei tiefen Temperaturen benötigen, enthalten eine thermische Schaltung, um die Batterie in einem erlaubten Temperaturbereich halten zu können. Sobald die Ladetemperatur unterschritten wird, wird während des Ladeprozesses Gas produziert, was wiederum zu einer Erwärmung führt, und dadurch die Ladebedingungen verbessern. Das ideale Ladegerät stellt sich selbst so ein, dass zwischen Gasentwicklung und Ladestrom ein Gleichgewicht herrscht.

Nickel-Metall-Hydride sind weniger tolerant als Nickel-Kadmium, was die Ladung bei tiefen oder hohen Temperaturen betrifft. Nickel-Metall-Hydride können bei Temperaturen unterhalb 10°C nicht schnell geladen werden, noch können sie unterhalb 0°C langsam geladen werden. Einige Ladegeräte sind so konzipiert, dass sie den Ladekoeffizienten und die Umgebungstemperatur anpassen. Preisüberlegungen gestatten es jedoch nicht, Ladegeräte für Konsumelektronik mit Temperatursensoren auszustatten.

Bei höheren Temperaturen wird die Ladungsakzeptanz für Batterien auf Nickelbasis drastisch reduziert. Eine Batterie, die bei mittlerer Raumtemperatur eine Kapazität von 100% aufnehmen kann, nimmt bei 45°C Umgebungstemperatur nur noch 70% auf, und sogar nur noch 45% bei einer Temperatur von 60°C. Dies unterstreicht die schlechte Leistung einiger Fahrzeugladegeräten im Sommer!

Lithium-Ion-Batterien bieten eine gute Ladeleistung an bei tiefen wie auch bei hohen Temperaturen. Einige Zellen erlauben eine Ladung mit 1,0C von 0°C bis 45°C. Die meisten Lithium-Ion-Zellen ziehen jedoch einen kleineren Ladestrom vor, wenn die Temperatur auf 5°C oder darunter fällt. Auf das Laden unterhalb des Gefrierpunktes muss verzichtet werden, da eine Plattierung durch Lithiummetall erfolgen kann.

Die Blei-Säure-Batterie ist nicht sehr empfindlich gegenüber extremen Temperaturen, wie wir alle wissen, auf Grund der Erfahrungen mit unseren Fahrzeugbatterien. Ein Teil dieser Toleranz kann der Trägheit von Blei-Säure-Systemen zugeschrieben werden. Einige Batteriemodelle gestatten ein Laden unterhalb des Gefrierpunktes mit kleinem Ladestrom, andere werden dabei beschädigt und liefern nur noch reduzierte Kapazitätswerte, und auch die Lebenserwartung wird verkürzt.

Um die Ladeleistung von Blei-Säure-Batterien bei tiefen Temperaturen zu verbessern, sowie thermische Auswirkungen während der Aufwärmung zu verhindern, ist es wichtig, die bei der Aufladung eingestellten Spannungslimiten zu überwachen. Ein Einbau dieser Maßnahme kann die Lebenserwartung einer Batterie bis um 15% verlängern. Allgemeine Richtlinien empfehlen eine Korrektur vorzunehmen von ungefähr 3mV pro Zelle und pro Grad Celsius. Die Spannungskorrektur hat einen negativen Koeffizienten, d.h. die Spannungsschwelle sinkt, wenn die Temperatur steigt.

Hitze tötet die Batterie! Je wärmer die Zellen, desto kürzen die Lebenserwartung. Höhere Temperaturen können nicht immer vorausgesehen werden, speziell im Verlauf einer Schnellladung. Es muss jedoch versucht werden, diese Perioden so kurz wie möglich zu halten. Während 45°C kurzzeitig tolerierbar ist, beginnt eine Batterie ab 50°C Schaden zu nehmen. Dazu kommt, dass Zellen im Innern einer Batterie immer einige Grad wärmer sind, als die Temperatur des Batteriegehäuses beträgt.  

Ultra-Schnellladegeräte

Einige Hersteller von Ladegeräten versprechen erstaunlich kurze Ladezeiten von 30 Minuten oder weniger. Mit gut ausgeglichenen Zellen und mäßiger Raumtemperatur können Nickel-Kadmium-Batterien, die für Schnellladung konzipiert sind, tatsächlich in sehr kurzer Zeit aufgeladen werden. Dies wird erreicht mit einfachem Erhöhen des Ladestromes während den ersten 70% des Ladezyklus.

In der zweiten Phase des Ladezyklus muss der Ladestrom jedoch abgesenkt werden. Die Möglichkeit, die Ladung aufzunehmen wird sukzessive reduziert, wenn der Ladezustand der Batterie zunimmt. Wenn der Ladestrom auf einem zu hohen Wert verbleibt in einem späteren Zeitpunkt des Ladezyklus, wird die übermäßige Energie in Wärme und in Zellendruck verwandelt. Schließlich wird ein Leck entstehen, um Sauerstoff und Wasserstoff austreten zu lassen. Die austretenden Gase beschädigen nicht nur den Elektrolyt, sie sind auch stark brennbar! Eine weiße Substanz in Pulverform sammelt sich um das Leck an, und zeigt an, wo die Gase ausgetreten sind.

Eine Ultra-Schnellladung kann nur angewendet werden bei Batterien, die für Schnellladung konzipiert sind. Die Anwendung von hohen Ladeströmen auf Normalbatteriezellen wird zur Erhitzung des Strompfades führen. Die Kontakte von tragbaren Batterien leiden ebenfalls, wenn der Stromfluss über den Federkontakt zu klein ist. Solche Kontakte müssen frühzeitig ausgewechselt werden. Es erscheinen öfters an der Spitze des Kontaktes kleine, kaum sichtbare Krater, die einen hohen Übergangswiderstand erzeugen oder gar als Isolator wirken. Die durch einen schlechten Kontakt entstehende Hitze kann sogar den Kunststoff des Adapters zum schmelzen bringen. Höhere Spannung an den Kontakten verbessern den Stromfluss.

Alternde Batterien mit erhöhtem Innenwiderstand und unterschiedlichen Zellen eignen sich nicht für Ultra-Schnellladung, auch wenn sie dafür konzipiert sind. Tiefe Zellenleitfähigkeit führt zu Hitzeentwicklung, welche schließlich die Zellen beschädigt. Die schwächeren Zellen die die Kapazität schlechter halten können, sind früher vollgeladen als die guten Zellen und beginnen, sich schnell aufzuheizen. Einige Batterien erzeugen soviel Wärme, dass das Plastikgehäuse sich erwärmt und sich verformen kann. Eine Temperaturüberwachung ist unabdingbar bei schnellen und ultraschnellen Ladevorgängen.

Verschiedenen Hersteller bieten Impulsladegeräte an. Durch das Einfügen von kurzen Entladeimpulsen zwischen je zwei Ladeimpulsen kann das Ladeverhalten verbessert werden. Diese Methode fördert das Abbauen von Sauerstoff- und Wasserstoffgasen, wodurch der Zellendruck vermindert wird, was zu einer tieferen Zellentemperatur führt. Impulsladegeräte sind auch dafür bekannt, dass die Kristallentwicklung bei auf Nickel basierenden Batterien vermindert wird (Memory-Effekt). Die meisten Cadex-Ladegeräte für auf Nickel basierende Batterien enthalten diese Eigenschaft.

Einige fortschrittliche Ladegeräte regulieren automatisch den Ladestrom in Abhängigkeit der Möglichkeit der Batterie, weitere Ladung aufzunehmen. Eine leere Batterie wird so zu Beginn einen sehr hohen Ladestrom aufnehmen. Gegen Ende des Ladevorganges wird der Ladestrom zunehmend verkleinert. Bei älteren Batterien wird so den Möglichkeiten Rechnung getragen und die Aufladung erfolgt automatisch entsprechend den Batterieeigenschaften. 

Mit freundlicher Genehmigung von

Isidor Buchmann (Cadex Electronics Inc.)