Blei-Akkus, Ladegeräte und ihre Kennlinien

Zum Betrieb einer Amateurfunkstation abseits des Versorgungsnetzes ist oft eine sogenannte „Akku-Power-Station", oder wie die Henkelmänner mit Blei-Gel-Akkus mit einer maximalen Kapazität von 5 Ah bis 10 Ah auch heißen, nicht mehr ausreichend. Die Kapazität für den Bedarf von 3 A (Transceiver, Lampe, Tuner etc.) wäre nach drei Stunden erschöpft. Hier wird man sich vielleicht auf einen altbewährten Blei-Säure-Akku besinnen, deren Preis-Leistungsverhältnis (besser: Preis-Kapazitätsverhältnis) ja unschlagbar ist. Und damit spielt man in einer anderen Liga: Die einmalige Aufladung daheim versorgt den Amateur mit Energie für die Nacht oder, je nach Kapazität, das ganze Wochenende.

Betrachten wir den Energiebedarf für ein Fieldday von 24h. Die erforderliche Kapazität des Akkus lässt sich individuell mit einer Verbraucherliste abschätzen.

Die handelsübliche Größe von 55 Ah wäre dafür ausreichend. Die Kapazitätsreserve von 20% schützt den Akku vor Tiefentadung. Ein Solarmodul trägt je nach Dimension nicht unbeträchtlich zur Streckung der Kapazität bei – übrigens auch, wenn man bei einem Schwätzchen zwischendurch das Licht, gegebenefalls auch den Transceiver abschaltet.

Im Folgenden sollen 12 V-Blei-Akkus betrachtet werden, wie sie als Starterbatterien erhältlich sind. Sie bestehen aus 6 Zellen à 2 V. Die Nennspannung beträgt somit etwas mehr als 12 V. Sie werden an einem geladenen, unbelasteten Akku gemessen, sofern nicht erst kürzlich ein Ladevorgang erfolgte. Die Ruhespannung nach einer Aufladung beträgt etwa 13,2 V.

Mit der dick aufgedruckte Ampere-Angabe, z.B. 360A für einen 55 Ah-Akku, ist der Kälteprüfstrom gemeint. Er gilt nach DIN 72311 als erfüllt, wenn bei –18°C nach einer 30 s langen Entladung mit diesem Strom die Spannung nicht unter 8,4 V und bei einer 3 minütigen Entladung nicht unter 6 V sinkt.

Der Innenwiderstand Ri ist abhängig von der Kapazität des Akkus. Er beträgt ca. 0,2 / Kapazität [Ah]. Ein Akku mit 55 Ah besitzt also einen Ri von 0,2 / 55 = 0,0036 Ohm. Der leere Akku besitzt einen Ri von etwa 0,1 Ohm.

Das Überladen eines Akkus äußert sich durch Gasung. Sie tritt bei der Gasungsspannung von 14,5 V auf. Ab hier beginnt die Batterie, Wasserstoff zu bilden, was einen Substanzverlust bedeutet, der zur Schädigung führt. Bei nicht zu langer Schädigung lässt sich der Akku durch Nachfüllen von destilliertem Wasser regenerieren (sofern er nicht zu den neuartigen Vertretern der „wartungsfreien" gehört, die sich nicht mehr öffnen lassen oder vom Blei-Gel-Typ sind). Hierdurch wird die Konzentration des Elektrolytes, bestehend aus 25 Vol.-% Schwefelsäure verdünnt mit destilliertem Wasser, wieder ins rechte Verhältnis gesetzt.

Damit beim Laden ausreichend Strom fließen kann, auch bis zum Ladeschluss, muss die Nennladespannung so hoch wie möglich sein. Logischerweise muss sie aber unter der zerstörerischen Gasungsspannung liegen. Für die Nennladespannung werden üblicherweise 14,1 V und 14,2 V angegeben, womit geringfügig Kapazität verschenkt wird.

Der Ladestrom [A] sollte während des Hauptladevorganges HL etwa ein Zehntel der Nennkapazität [Ah] betragen, in der Schlussphase des Nachladevorganges NL nur noch etwa ein 1/500 und im Erhaltungsladevorgang EL sollte der Ladeerhaltungsstrom gerade mal 1/1000 der Nennkapazität. Zur Schnellladung kann ein Strom von etwa der Hälfte der Nennkapazität eingesetzt werden. Doch auch, wenn dies dann und wann als probates Ladeverfahren angegeben wird – langfristig schadet es dem Akku. Kleine Ladeströme schaden dem Akku keinesfalls, höchsten den Nerven.

Die Kapazität eines Akku wird durch die Höhe der Stromabgabe beeinflusst. Ist letztere hoch, wird der Akku bis zur Entladung letzlich eine geringere Energiemenge abgegeben haben (also überpropotional schnell entladen sein). Nur bei Strömen in der Größenordnung des Nennstroms oder darunter ist mit der Nennkapazität zu rechnen.

Die Entladespannug sollte nicht kleiner als 10,8 V sein. Sie wird vereinbarungsgemäß nach dem Entladen mit dem Nennstrom gemessen, der nach 20 stündiger Stromabgabe rechnerisch die Kapazität erschöpft hat. (Z.B. 2,75 A bei einem 55 Ah-Akku. Und dass die Kapazität zudem von der Temperatur bestimmt wird, weiß eigendlich jeder Autobesitzer. Der Akku schwächelt bei geringen Temperaturen.

Die Selbstentladung dagegen verhält sich umgekehrt. Während sich ein Blei-Gel-Akku bei Zimmertemperatur nur mit ca. 0,015% der Kapazität pro Tag entlädt, sind dies bei 40°C bereits 0,07% und bei 55°C (Temperatur, die sich unter einer Motorhaube nicht nur im Sommer einstellen kann) 0,4%. Bei 70°C sind es gar 2%. Daraus folgt: Bei einer Temperatur von 5°C halbiert sich die Kapazität nach zwei Jahren, bei 20°C nach 15 Monaten, bei 30°C nach 9 Monaten und bei 40°C nach 5 Monaten. Für sie gilt folgende Grafik:

Damit geben sie allerdings immer noch besseres Bild als Blei-Säure-Akkus ab.

Zu lange Selbstentladung hat die sogenannte Sulfatierung zur Folge. Dabei werden die Bleiplatten mit einer Bleisulfatschicht belegt, weshalb die Platten nicht mehr über ihre volle Fläche für den chemischen Vorgang zur Verfügung stehen.

Ladegeräte für Blei-Säure-Akkus und Blei-Gel-Akkus werden mit verschiedenen Ladecharakteristik ausgestattet. Sie beeinflusst die Ladegeschwindigkeit, die Alterung des Akku und auch, ob das Ladegerät gleichzeitig die Funktion eines Netzgerätes besitzt. Zudem wird durch die Charakteristik darüber entschieden, ob das Ladegerät dauerhaft eingeschaltet sein darf, ohne einen Akku zu überladen. Die Charakteristik äußert sich durch Abläufe, wonach der vom Ladegerät zur Verfügung gestellte Strom und die Spannung bestimmte Kurven über die Zeit einnehmen, den sogenannten Kennlinien. Hierbei wird unterschieden zwischen dem Hauptladevorgang HL, dem Nachladevorgang NL und dem Erhaltungsladevorgang EL. Die Kennlinien werden u.a. gekennzeichnet durch

Die einfachsten Typen von Ladegerät besitzen die W-Kennlinie. Vertreter dieses Typs sind die simplen Batterieladegeräte aus dem Automarkt. Dem Ladestrom ist hier freier Lauf gelassen – er wird durch den Innenwiderstand des Akkus bestimmt.

Beobachtet man den Stromfluss, so ist er bei einem entladenen Akku zunächst hoch, lediglich durch die interne Strombegrenzung des Ladegerätes im Zaum gehalten. So, wie die Ladung des Akkus steigt, steigt auch die Ladespannung bei gleichzeitig abnehmendem Strom. Wegen der fehlenden Spannungsbegrenzung endet dieser Vorgang aber nicht bei Erreichen der Gasungsspannung. Da die Ladung dabei weiter zunimmt, steigt auch die Ladespannung kontinuierlich über die Gasungsspannung hinaus. Sofern die Kennlinie nicht um den Notstop „ae" erweitert ist, wird die weiter ansteigende Ladespannung den Ladestrom schließlich sogar wieder verstärken – die Stromkurve steigt rapide an. Wenn nicht schon vorher die Gasung zur Zerstörung des Akkus geführt hat, ist es spätestens jetzt geschehen. Die ständige Beobachtung des Ladezustandes sei daher angeraten.

Üblich sind besonders Kombinationen, z.B.

Komfortabler sind Ladegaräte mit IU-Kennlinie. Der HL erfolgt anfänglich mit konstantem Strom und konstanter Spannung. Letztere allerdings stellt sich aber erst nach einer gewissen Ladezeit ein. Da die Nenn-Ladespannung nicht über der der Gasungsspannung liegt, wird auch der Ladestrom vor Erreichen der Gasungsspannung automatisch begrenzt (im Gegensatz zur W-Kennlinie). Bei einem gesunden Akku fließt am Ende der NL nur noch ein Strom von ca. 0,2 A. Bei einem sulfatierten Akku würden hier noch rund 1 A fließen. Sofern man über ausreichende Messmöglichkeiten verfügt, bietet sich hier eine gute Kontrolle des Akku-Zustandes.

Durch die konstante Spannungsquelle eignet sich das Ladegerät auch als Netzgerät. Spannungschwankungen im Versorgungsnetz werden ausgebügelt. Die nachfolgend beschriebene IUoU-Kennlinie gilt wegen ihrer EL als prädestiniert für den Dauerbetrieb. Es wäre interessant zu erfahren, ob im Falle der IU-Kennlinie die Nenn-Ladespannung, die ja immerhin unter der Gasungsspannung liegt, langfristig nicht ebenfalls unkritisch für die Lebensdauer eines Akkus ist.

Zunächst erfolgt der HL und NL nach IU-Kennlinie, dann wird auf EL umgeschaltet. Die dann gebotene Ladeerhaltungsspannung liegt etwas niedriger als die Nenn-Ladespannung, etwa bei 13,8 V. Dabei fließt ein sehr geringer Ladestrom, der gerademal demjenigen der Selbstentladung des Akku´s entspricht. Das geschieht je nach Ausführung in gepulster Form, wobei ein Spannungsdiskriminator auf die Abweichung der Akku-Spannung von der Ideal-Erhaltungsspannung reagiert. Das schont den Akku maximal und rechtfertigt, solche Ladegeräte dauerhaft in Betrieb zu halten. Mit „oU" wird die Fähigkeit angegeben, aus dem EL-Modus herraus bei neuerlicher Belastung, die sich spürbar von der Selbstentladung unterscheidet, automatisch wieder mit dem HL und NL zu beginnen.

Ich möchte es bei der Beschreibung o.g. Kennlinien belassen, denn sie stellen den Löwenanteil der auf dem Zubehör-Markt erhältlichen Typen dar. Höherwertige Ladegeräte sind nicht im Autozubehör, sondern eher im Campingzubehör erhältlich. Oftmals weisen Ladegeräte weitere Features auf, die aus der Kennlinienbezeichnung nicht hervorgehen.

Über den Zustand eines Akkus gibt die Spannungsmessung während eines Ladevorgangs bereits Auskunft, wie in Abschnitt „Akkus" und „IU-Kennlinie" schon ausgeführt ist. So leitet sich z.B. aus der Entladung mit Nennstrom die Entladespannung ab. Ferner lassen sich die Nennspannung und die Ruhespannung nach Entladung leicht messen.

Die Säurekonzentration sagt etwas über den Ladezustand aus. Ein völlig entladener Akku weist eine Säuredichte des Elektrolyten von 1,12 kg/Liter, ein vollgeladener 1,28 kg/Liter auf. Bei wartungsfreien Blei-Säure-Akkus und Blei-Gel-Akkus steht einem die Prüfmethode mittels Säureheber leider nicht mehr zur Verfügung.

Eine endgültige Aussage über die Güte des Akku, also die Fähigkeit, auch tatsächlich die Nennkapazität zu erreichen, ist aber nur durch den harten Belastungstest möglich, bei dem er je nach Größe einige Sekunden bis Minuten lang etwa das 10 – 50-fache des Nennstroms liefern muss. Das führt je nach Akku-Kapazität bis zur halben Entladung des Akkus. Ein gesunder und zuvor vollgeladener Akku muss danach wieder ohne Nachladung seine Nennspannung besitzen.

Mit diesen Kenntnissen lässt sich mit wenig Aufwand eine Akku-Station zur Erfüllung der eigenen Anforderungen bauen. Um den Akku herrum wird ein Gehäuse gefertigt, das mit einem Spannungsmesser, Schalter, einer Sicherung sowie Buchsen sowohl für das Ladegerät als auch für die Stromentnahme versehen ist. Für Letzteres empfielt sich die Parallelschaltung verschiedener Buchsen (Telefon-Buchse, Kfz-Buchse ...). Das macht den Umgang auf einem Fieldday flexibler. Ferner macht ein Tragegriff das Gerät mobil.

Wichtig ist die ausreichende Dimensionierung der Kabelquerschnitte zwischen Akku und Ausgangsbuchsen, die sich nach dem Auslösestrom der Sicherung richten sollte, etwa:

Damit sind bei den hier verwendeten, geringen Leitungslängen keine nennenswerte Verluste zu befürchten.