Know How Akkupflege

Ein nicht unerheblicher Teil des Modellbaubudget muß in Fahr-, Flug-, Sender- oder Empfängerakkus investiert werden. Alle diese Akkus halten nicht ewig - wie kann man sie optimal nutzen und pflegen? Warum verlieren NiCd oder NiMh-Akkupacks überhaupt schleichend oder manchmal auch urplötzlich an Kapazität?

Ein Akkupack im Modellbau besteht immer aus mehreren einzelnen Zellen. Ein Empfängerakku hat typischerweise 4 Zellen, ein Senderakku zwischen 6 bis 8, Fahrakkus (z.B. in Trucks) üblicherweise 6 oder 10, Flugakkus manchmal sogar bis zu 30 Zellen. Diese Zellen sind immer in Reihe geschaltet, also hintereinander angeordnet. Das bedeutet: Der Strom durch alle Zellen ist immer gleich, die Spannung des Akkupacks ist die Summe aller Spannungen der einzelnen Zellen.

Die Kapazität wird in Amperestunden (Ah) oder Milliamperestunden (mAh) angegeben. Ein Akkupack mit 2000mAh oder 2Ah kann (im besten Fall) einen Strom von zwei Ampere genau eine Stunde lang abgeben. Die nutzbare Kapazität in einem Pack hängt dabei leider immer von der schlechtesten Zelle im Pack ab.

Der Aufbau eines Akkupacks aus einzelnen Zellen ist nun die Ursache für die meisten Probleme und Pannen, die mit Akkupacks auftreten können, denn eine einzelne Zelle

 

• kann nur eine bestimmte Ladung (=Kapazität) aufnehmen. Wird zu viel in eine Zelle geladen, erwärmt sich die Zelle zunächst, um dann im schlimmsten Fall über ein Sicherheitsventil Elektrolyt-Flüssigkeit (ein Teil der zelleninternen Chemie) zu verlieren. Damit verliert die Zelle an Kapazität und wird i.d.R. unbrauchbar.

 

• kann nur eine bestimmte Ladung (=Kapazität) abgeben. Fließt jedoch ein Entladestrom weiter, passiert etwas (für Nicht-Elektriker) verblüffendes: Die Spannung an der Zelle polt sich um, der Akku wird nun sozusagen verkehrt herum geladen. Dies schädigt die Zelle sofort. Dieser Effekt kann in der Praxis jedoch nur in einem Akkupack auftreten, normalerweise nicht beim Entladen einzelner Zellen.

• entlädt sich auch von selbst. Dieser Effekt ist sehr stark abhängig vom Typ. Hochkapazitive Zellen haben leider meist auch eine viel höhere Selbstentladung. Als Anhaltspunkt kann man von 1% pro Tag ausgehen, mit wie gesagt großen Unterschieden.

Das alles wäre nicht weiter tragisch, wären da nicht die unvermeidlichen Herstellungstoleranzen. In einem Pack mit z.B. 10 Zellen sind nie alle Zellen qualitativ gleich. Sie unterscheiden sich sowohl in der Kapazität als auch in der Höhe ihrer Selbstentladung.

Was kann nun in der Praxis passieren? Schauen wir uns die zwei denkbar ungünstigsten Fälle am Beispiel unterschiedlicher Selbstentladung an: (Unterschiedliche Kapazitäten der Zellen können zu ähnlichen Effekten führen)

Fall 1: Ein neu gekaufter oder lange gelagerter Akku mit 2000mAh hat z.B. auf Grund unterschiedlicher Selbstentladung seiner Zellen folgenden Zustand: 7 von 8 Zellen liegen bei 200mAh, eine besonders gute Zelle hat jedoch noch stolze 700mAh Ladung. Der Akku wird mit einem Schnellladegerät mit Delta- Peak- Abschaltung (fast alle Schnelllader arbeiten nach diesem Prinzip) mit 5A geladen. Nach ca. 1300mAh ist die eine (noch gute) Zelle randvoll. Der Schnelllader wird dies aber nicht erkennen, weil der Spannungsanstieg dieser einen Zelle zu gering ist und den übrigen 7 Zellen noch 500mAh fehlen. (Das Ladegerät kann ja nur die Summe aller Zellenspannungen messen) Die Folge: Die gute Zelle wird mit 500mAh bei 5A Ladestrom überladen, erwärmt sich dadurch sehr stark, verliert durch Überdruck Elektrolyt und wird irreparabel geschädigt.

Also gut - wenn eine Hochstromladung eines Akkupacks mit unbekannten Ladezustand problematisch ist, dann wird eben erst entladen !?

Fall 2: Ein neu gekaufter oder lange gelagerter Akku mit 2000mAh hat z.B. auf Grund unterschiedlicher Selbstentladung seiner Zellen folgenden Zustand: 7 von 8 Zellen liegen bei 700mAh, eine etwas schlechtere Zelle hat jedoch nur noch 200mAh Ladung. Der Akku wird mit einem Schnellladegerät oder aber einer Last z.B. einer Glühlampe entladen. Nach ca. 200mAh ist die eine Zelle bereits auf 0V entladen. Die Gesamtspannung des Akkupacks ist aber noch lange nicht Null, weil die übrigen 7 Zellen noch 500mAh enthalten, der Entladestrom fließt also weiter. Die Folge: Die eine Zelle polt um und wird irreparabel geschädigt.

Natürlich sind die Effekte nicht immer gleich so dramatisch. Aber auch kleinere Kapazitätsverluste addieren sich mit der Zeit, da normalerweise immer dieselben Zellen betroffen sind. Leider wird die Zelle mit der geringsten Kapazität in einem Akku dann auch noch bei jedem Laden- oder Entladen am stärksten belastet und läuft am ehesten Gefahr, Überladen oder Tiefentladen zu werden. Ein Teufelskreis. In der Praxis fällt tatsächlich in einem Pack oft nur eine Zelle aus, die in so einen Teufelskreis geraten ist.

Wie diese beiden Beispiele zeigen, können Schnelllader - falsch eingesetzt - wahre Akkukiller sein. Die einzige sichere Lademethode bei unbekannten Akkuzustand ist deshalb (die kaum praktikable Einzelladung der Zellen lassen wir mal außer Acht) das sog. Formieren.

Formieren - das ist nichts anderes als die altbekannte Standard-Ladung mit einem Strom, der 1/10 der Akkukapazität entspricht und für 14 Stunden eingespeist wird.

Damit kann wie im Fall 1 eine Überladung der einen Zelle zwar nicht verhindert werden, (eher im Gegenteil, denn beim Formieren werden grundsätzlich immer alle Zellen überladen) - aber, und das ist der Trick, die Erwärmung dieser Zelle bleibt durch den geringen Strom so niedrig, das intern kein großer Überdruck entsteht und die Zelle nicht (oder besser: kaum) geschädigt wird.

Hat man nun durch eine solche Normal-Ladung alle Zellen in einem Pack einmal vollständig geladen, kann ein so vorbereiteter Akku einigermaßen gefahrlos mit einem Schnellladegerät ge- und entladen werden.

Leider bietet kaum ein handelsübliches Schnellladegerät die Möglichkeit zum Formieren. Statt dessen findet man verschiedene Begriffe wie "Alive", "Refresh", "Cycle" usw. In den meisten Fällen ist damit nur das mehrfache schnelle Laden- und Entladen mit hohen Strömen gemeint, das aber die oben genannten Probleme nicht löst, sondern im schlimmsten Fall eher noch verschärft.

Die im Handel erhältlichen Normallader, die sich zum Formieren eignen, sind nun meist billig aufgebaut und erzeugen den Ladestrom über Widerstände oder Glühlampen. Damit ist der tatsächliche Ladestrom sehr von der Akkuspannung bzw. der Zellenzahl abhängig und weicht zum Teil erheblich von den Angaben auf dem Gerät ab. Das Formieren macht aber nur Sinn, wenn tatsächlich alle Zellen etwas überladen werden - bricht man eine Formierung vorzeitig ab, wird der gewünschte Effekt nicht erzielt. Bei den Ladeströmen hilft deshalb meist nur Nachmessen und Umrechnen. Beispiel: Ein Senderakku mit 600mAh braucht eigentlich 60mA Ladestrom über 14 Stunden. Das Ladegerät liefert aber nur 40mA. Dann muss die Ladezeit um diesen Faktor verlängert werden, also 14*60/40 = 21 Stunden. Zum Glück müssen bei der Normalladung bzw. beim Formieren weder Strom noch Zeit präzise stimmen. Eine Verlängerung der Ladezeit schadet kaum (Ausnahme leider: NiMh).

Dagegen ist der oft zitierte und diskutierte "Memory" Effekt (neuerdings in ähnlichem Zusammenhang bei NiMh auch "Lazy-Battery" Effekt) vergleichsweise harmlos. Dabei wird davon ausgegangen, dass sich ein Akku seine Behandlung merkt: Ein Akku, der stehts nur zur Hälfte entladen und dann schon wieder geladen wird, wird nach einiger Zeit auch nur noch die halbe Kapazität aufweisen. Ähnliches gilt für die Ströme: Ein Akku, der stets nur mit geringen Strömen ge- und entladen wird, verliert die Fähigkeit, hohe Ströme abzugeben.

Die Aussagen zu diesem Effekt gehen allerdings weit auseinander. Bei modernen Akkus soll der "Memory -Effekt" kaum noch eine Rolle spielen. Wie auch immer: Damit der Effekt überhaupt entstehen kann, muß ein Akku viele Male "falsch" behandelt werden. Und in den meisten Fällen dürften ein- oder mehrere Hochstromlade- und Entladezyklen den Effekt wieder beseitigen.

Zur Vermeidung des "Memory" Effekts wird oft empfohlen, Antriebsakkus nach dem Gebrauch möglichst weit zu entladen, z.B. in dem man den Motor im Modell bis zum deutlichen Zusammenbruch der Spannung weiterlaufen lässt oder sogar Zusatzgeräte wie Widerstände oder Glühlampen verwendet. Wir raten davon ab, vor allem dann, wenn preiswerte nicht selektierte Antriebsakkus verwendet werden. Das Risiko der Tiefentladung von Zellen mit Umpolung ist in einem Akkupack einfach zu hoch.

Die Herstellungstoleranzen sind das Grundproblem

In einem Akkupack mit großen Unterschieden zwischen den Zellen bezüglich Kapazität und Selbstentladung ist das Risiko, eine oder mehrere Zellen durch die oben genannten Effekte zu schädigen sehr viel größer als in einem Pack, in dem diese Unterschiede nur gering sind.

Am robustesten sind der Praxis deshalb auch Packs aus selektierten Zellen von renommierten Herstellern. Dabei hat der Akkupack-Hersteller die Zellen nach Kapazität (oder neuerdings auch Innenwiderstand) sortiert und so zusammengestellt, dass die Abweichungen im Akkupack minimal sind. Natürlich sind solche Packs auch relativ teuer. Man kann aber - gerade bei etwas nachlässiger Behandlung - immer mit einer grösseren Lebenserwartung rechnen.

Wer beim Akkukauf spart, muß dagegen wissen, dass bei billigen Zellen die Hersteller wenig Aufwand in der Qualitätskontrolle betreiben (können) und auch Zellen, die in der Kapazität etwas aus der Reihe fallen, noch mit verkaufen (müssen). Damit Packs aus solchen Zellen nicht einen frühen Tod erleiden, muß man sie sehr sorgfältig behandeln.

Eine Besonderheit sind die modernen LSD-NiMH wie z.B. Sanyo Eneloop. Diese Zellen benötigen keine Formierung, sind universell einsetzbar und im Alltagsbetrieb auf Grund der sehr geringen Selbstentladung sehr robust. Leider sind diese Zellen derzeit nur im Format Micro AAA oder Mignon AA verfügbar.

Vor diesem Hintergrund geben wir nun also folgende Akku-Pflegetipps für standard NiCd und NiMH (die sich auch bei uns bewährt haben):

• Neue oder längere Zeit nicht benutzte Akkus vor der ersten Verwendung unbedingt formieren. Begründung: Die Zellen können unterschiedliche Restladung besitzen.

• Sender- und Empfängerakkus generell Normalladen. Nur gelegentlich nach einer Normalladung einen Zyklus mit einem Schnelllader ent- und wieder aufladen, um Memory-Effekte zu vermeiden. Begründung: Sendeakkus werden meist nur Teilentladen und verbleiben lange in diesem Zustand. Sie sind deshalb besonders betroffen von unterschiedlicher Selbstentladung der Zellen.

• Für Sender- und Empfänger nur geeignete Akkutypen verwenden. Begründung: Hochstromfähige Akkus haben eine hohe Selbstentladung und bringen in einem Sender oder Empfänger eher Nachteile.

• Fahr- oder Flugakkus generell Schnellladen. Nach längeren Benutzungspausen vor erneuter Verwendung aber erst formieren. Begründung: Normalladung dauert zu lange. Die Akkus müssen auch für hohe Ströme fit bleiben.

• Nickel-Cadmium Fahr- und Flugakkus vor einer längeren Pause entladen.

• Begründung: Bei entladenen Akkupack können durch Selbstentladung der Zellen keine großen Ladungsdifferenzen entstehen. Von den Herstellern wird die Lagerung im entladenen Zustand empfohlen.

• Nickel-Metallhydrid Fahr- und Flugakkus vor einer längeren Pause teilladen. Begründung: Für das Selbstentladungsproblem zwar nicht ideal, aber von den Herstellern empfohlen.

• Zum Entladen von Akkus grundsätzlich ein Schnellladegerät mit Spannungsüberwachung verwenden, keine Lastwiderstände, keine Glühlampen. Motoren nicht bis zum Zusammenbruch der Spannung laufen lassen. Begründung: Die Unterspannungsabschaltung eines (korrekt eingestellten) Automatik-Laders vermindert das Risiko einer Zellenumpolung.

• Akkupacks nach jeder Hochstrom-Entladung und jedem Ladevorgang auf Erwärmung kontrollieren. Hintergrund: Akkuprobleme verraten sich durch ungleichmässige Erwärmung des Packs. In einem solchen Fall Pack sofort neu formieren. Nach einer Schnellladung ist es u.U. ausreichend, mit einer Normalladung über nur wenige Stunden die Unterschiede in den Zellen auszugleichen.

• Für das Schnellladen mit Delta-Peak-Abschaltung einen Ladestrom von mindestens 0,5 C wählen. Begründung: Eine Delta-Peak-Abschaltung reagiert indirekt auf die Erwärmung der Zellen. Bei kleineren Ladeströmen ist die Erwärmung zu gering, das Ladegerät schaltet u.U. nicht sicher ab. (Beispiel: Akku mit 2000mAh -> Schnell-Ladestrom mindestens 1000mA)

• Keine erwärmten oder gar heißen Akkus schnellladen.

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