Akkumulatoren: Grundlagen und Praxis
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Aachen
Shaker Media
2015
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Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 10
2 Grundlagen und Begriffe 12
2.1 Akkumulatoren und Batterien. 13
2.2 Der Aufbau eines Akkus. 13
2.3 Separator. 14
2.4 Kompakte Akkus. 14
2.5 Gehäuse und Bauformen. 15
2.6 Elektroden . 16
2.7 Spannungen. 16
2.8 Innenwiderstand. 17
2.9 Kapazität. 18
2.9.1 Einfluß des Entladestromes. 18
2.9.2 Nicht-konstant er Entladestrom. 21
2.10 Energiedichte. 21
2.11 Relative Stromstärke. 23
2.12 Entladen. 23
2.13 Stofftransport. 24
2.14 Ladezustand. 25
2.14.1 Zellenspannung. 25
2.14.2 Ladungsbilanzierung. 26
2.14.3 Weitere Verfahren. 27
2.15 Ladeverfahren. 27
2.15.1 Ladephasen. 28
2.15.2 Ladekennlinien. 28
2.15.3 Impulsladung. 30
2.15.4 Beenden der Ladung. 30
2.15.5 Wirkungsgrad der Ladung. 31
2.15.6 Welligkeit des Ladestromes. 32
2.15.7 Elektronische Ladegeräte. 32
2.15.8 Einwegbatterien laden? . 33
2.16 Verwendungsprofile. 34
2.17 Parallel- und Serienschaltung. 35
Inhaltsverzeichnis
2.18 Zellenbalance bei Serienschaltung. 36
2.19 Lebensdauer. 39
2.20 Alterung. 39
2.20.1 Mechanische Belastung . 39
2.20.2 Bildung von Dendriten. 40
2.20.3 Verlust von Wasser. 40
2.20.4 Chemische Zersetzung. 40
2.20.5 Innere Oberfläche. 41
2.20.6 Die Ostwald-Reifung. 41
2.20.7 Unvollständige Reaktionen . 41
2.20.8 Selbstbeschleunigende Überhitzung. 42
3 Bleigel- und AGM-Akkumulatoren 43
3.1 Grundlagen. 45
3.1.1 Die Hauptreaktion des Bleiakkus. 45
3.1.2 Der Sauerstoffkreislauf. 46
3.1.3 Elektrolyt und Separator . 47
3.1.4 Stromableiter. 48
3.1.5 Positive Elektrode. 49
3.1.6 Negative Elektrode. 49
3.1.7 Selbstbeschleunigende Überhitzung. 50
3.2 Entladen. 50
3.2.1 Innenwiderstand. 51
3.2.2 Entladekennlinien . 51
3.2.3 Erholung durch Diffusion. 53
3.2.4 Ladezustand . 53
3.2.5 Verfügbare Kapazität . 54
3.2.6 Tiefentladung. 54
3.3 Lagerung . 55
3.4 Selbst ent ladung. 55
3.5 Lebensdauer und Alterung. 56
3.5.1 Verlust von Wasser. 57
3.5.2 Sulfatierung. 57
3.5.3 Säureschichtung . 58
3.5.4 Tiefe der Entladung. 60
3.5.5 Ladezustand . 61
3.5.6 Ladeverfahren. 61
3.5.7 Gitter korrosion. 62
3.5.8 Temperatur. 63
3.5.9 Gebrauchte Bleigelakkus. 63
3.6 Ladeverfahren. 63
3.6.1 Ladung mit IU-Kennlinie. 64
3.6.2 Spannung bei IU-Ladung. 64
3.6.3 Erhaltungsladung. 65
Inhaltsverzeichnis
3.7 Regenerieren. 66
3.7.1 Tiefentladene Bleigelakkus. 66
3.7.2 Sulfatierte Akkumulatoren. 66
3.8 Zellenbalance bei Serienschaltung. 67
3.9 Geeignete Ladegeräte. 67
3.9.1 Ein Ladegerät mit dem L200 . 68
3.9.2 Ladeschaltungen mit UC2906 und UC2909 69
3.10 Sicherheit. 70
3.11 Verhalten bei Kälte. 70
3.12 LiFeP04-Akkus als Ersatz. 71
3.13 Zusammenfassung . 71
3.13.1 Vorteile. 71
3.13.2 Nachteile und Probleme. 72
3.13.3 Entladen . 72
3.13.4 Ladung. 73
3.13.5 Lange Lebensdauer. 74
3.13.6 Sicherheit. 75
4 NiCd- und NiMH-Akkumulatoren 76
4.1 Grundlagen. 78
4.1.1 Die Nickelelektrode. 78
4.1.2 Die Cadmiumelektrode. 82
4.1.3 Die MH-Elektrode. 82
4.1.4 Separator und Elektrolyt . 83
4.1.5 Die Hauptreaktion im NiCd-Akku. 84
4.1.6 Die Hauptreaktion im NiMH-Akku. 84
4.1.7 Der Sauerstoffkreislauf. 84
4.1.8 Reaktionen bei der Selbstentladung. 85
4.1.9 Reduzierte Selbstentladung. 86
4.1.10 Temperaturänderung. 87
4.1.11 Spannungsverlauf bei der LLadung. 88
4.2 Entladen. 89
4.2.1 Innenwiderstand. 89
4.2.2 Entladekennlinie bei NiMH-Akkus. 90
4.2.3 Entladekennlinie bei NiCd-Akkus. 92
4.2.4 Verfügbare Kapazität . 92
4.2.5 Erholung durch Diffusion. 94
4.2.6 Ladezustand . 94
4.2.7 Tiefentladung. 95
4.3 Selbstentladung. 95
4.3.1 Akkus bisheriger Bauart. 96
4.3.2 Akkus mit reduzierter Selbstentladung. 96
4.3.3 Alkali-Mangan-Batterien als Alternative. 97
4.4 Lagerung. 97
5
Inhaltsverzeichnis
4.5 Lebensdauer und Alterung. 98
4.5.1 Temperatur. 98
4.5.2 Geeignete Ladeverfahren. 98
4.5.3 Tiefe der Entladung. 99
4.6 Der Memory-Effekt. 99
4.6.1 Ursachen. 99
4.6.2 Heutige Akkus.101
4.6.3 Konsequenzen.101
4.7 Zellenbalance bei Serienschaltung.102
4.8 Ladeverfahren.103
4.8.1 Laden mit I-Kennlinie.104
4.8.2 Schnelladung.104
4.8.3 Wirkungsgrad der Ladung.106
4.8.4 Gezielte Überladung.106
4.8.5 Sicherheit.107
4.9 Geeignete Ladegeräte.107
4.9.1 Ladegeräte mit dem U2402B 107
4.9.2 Ablauf der Schnelladung.107
4.9.3 Lineare Stromregelung mit einem Transistor.109
4.9.4 Phasenanschnittsteuerung.110
4.9.5 Stromstabilisierung mit einem Schaltregler.112
4.10 Optimieren von Akkus.112
4.10.1 Auswahl gleicher Akkus.112
4.10.2 Das optimale Alter.113
4.10.3 Optimieren der Ladung.113
4.10.4 Optimieren der Entladung.113
4.11 Akkus regenerieren.114
4.12 NiCd-Akkus ersetzen.114
4.13 Bauformen und deren Bezeichnung.115
4.14 Zusammenfassung .115
4.14.1 Vorteile.118
4.14.2 Nachteile.118
4.14.3 Ersatz für Einwegbatterien.118
4.14.4 Entladen .119
4.14.5 Ladung.119
4.14.6 Lange Lebensdauer.120
4.14.7 Sicherheit.120
5 Lithiumionen- und -polymerakkumulatoren 121
5.1 Batterien mit Lithium.122
5.1.1 Nicht wiederaufladbare Lithiumbatterien.122
5.1.2 Lithiummetallakkus.123
5.1.3 Lithiumionenakkus.123
5.2 Grundlagen.124
6
Inhaltsverzeichnis
5.2.1 Die Hauptreaktion im Lithiumionenakku.125
5.2.2 Negative Elektrode.126
5.2.3 Positive Elektrode.128
5.2.4 Elektrolyt.131
5.2.5 Separator.132
5.2.6 Lithiumpolymerakkus.133
5.3 Entladen.134
5.3.1 Entladekennlinien .134
5.3.2 Kapazität.137
5.3.3 Innenwiderstand.138
5.3.4 Erholung durch Diffusion.138
5.3.5 Ladezustand .139
5.3.6 Tiefentladung.139
5.4 Ladung .139
5.4.1 Ladeverfahren.140
5.4.2 Überladung.140
5.5 Lebensdauer und Alterung.142
5.5.1 Entladetiefe.144
5.5.2 Ladezustand .144
5.5.3 Temperatur.145
5.5.4 Ladeverfahren.145
5.5.5 Beschädigte Gehäuse.145
5.5.6 Nebenreaktionen.145
5.6 Selbstentladung und Lagerung .146
5.7 Zellenbalance bei Serienschaltung.147
5.8 Sicherheit.148
5.8.1 Ladung.149
5.8.2 Entladung.149
5.8.3 Mechanische Beschädigung.150
5.9 Geeignete Ladegeräte.150
5.9.1 Ladegeräte mit dem IC MAXI758 . 150
5.9.2 Ablauf der Ladung.151
5.9.3 Die externe Verdrahtung.152
5.10 Bauformen und deren Bezeichnung.152
5.10.1 Normen und Bezeichnung.152
5.10.2 Kundenspezifische Akkus.152
5.11 Zusammenfassung .154
5.11.1 Vorteile.154
5.11.2 Nachteile und Probleme.155
5.11.3 Entladen .155
5.11.4 Ladung.155
5.11.5 Lange Lebensdauer.156
5.11.6 Sicherheit.157
7
Inhaltsverzeichnis
6 Doppeischichtkondensatoren als Energiespeicher 159
6.1 Grundlagen.160
6.1.1 Kondensatoren.160
6.1.2 Dopp elschicht kondensatoren.162
6.2 Eigenschaften.164
6.2.1 Laden und Entladen.164
6.2.2 Kapazität.166
6.2.3 Lebensdauer .166
6.2.4 Maximale Spannung.166
6.2.5 Selbstentladung.167
6.3 Anwendungsgebiete und Bauformen.167
6.4 Pufferung für Akkus.168
6.5 Spannungsausgleich.169
7 Analyse des Zustandes von Akkumulatoren 170
7.1 Impedanz.171
7.1.1 Impedanzspektroskopie .171
7.1.2 Ersatzschaltbilder .173
7.1.3 Diffusion .174
7.1.4 Auswertung von Impedanzkurven.175
7.2 Messung des Innenwiderstandes.175
7.2.1 Messung mit Wechselspannung.175
7.2.2 Messung mit Gleichstromimpulsen.176
7.2.3 Unterschiede.176
7.3 Elektrochemisches Rauschen.177
8 Akkumulatoren richtig anschließen 179
8.1 Anschluß durch Löten.180
8.2 Batteriehalter.180
8.3 Schraubanschlüsse und Flachstecker .181
8.4 Kontaktflächen. 182
8.5 Stecker und Buchsen.182
8.6 Sicherungen.182
8.7 Kontakte reinigen.184
9 Sicherheit und Erste Hilfe 185
9.1 Unfälle mit Bleigelakkus.186
9.2 Unfälle mit NiCd- und NiMH-Akkus.186
9.3 Unfälle mit Lithiumionenakkus.188
9.4 Explosionsgefahr.189
9.5 Brandgefahr.190
9.6 Gefahren durch Kurzschluß.190
10 Akkumulatoren im Amateurfunk 191
10.1 Tragbare Geräte.192
8
Inhaltsverzeichnis
10.2 Lithiumionenakkus.193
10.3 Portabelbetrieb.193
10.4 Wärme und Kälte .194
10.5 Not funk.194
11 Akkumulatoren in Digitalkameras 195
11.1 NiMH-Akkus.196
11.2 Lithiumionenakkus.196
11.3 Lebensdauer.197
11.4 Sicherheit.197
11.5 Einwegbatterien als Reserve.198
12 Akkumulatoren an Bord von Yachten 199
12.1 Bleiakkumulatoren.200
12.2 Ladung .200
12.3 Lebensdauer.201
12.4 Ladezustand und Kapazität.201
12.5 Sicherheit.202
13 Akkumulatoren im Modellbau 203
13.1 Ladezustand.204
13.2 Optimierung .204
13.3 Lebensdauer.205
14 Akkumulatoren für tragbare Computer 206
15 Akkus für Mobiltelefone und Unterhaltungselektronik 208
16 Reparieren, entsorgen und wiederverwerten 210
16.1 Akkusätze regenerieren und reparieren.211
16.1.1 Bleigelakkus.211
16.1.2 NiCd- und NiMH-Akkus.211
16.1.3 Lithiumionenakkus.211
16.2 Die Rücknahme von Akkus und Batterien.212
16.3 Statistische Ergebnisse.212
16.4 Verfahren zur Wieder Verwertung .213
16.4.1 Bleiakkumulatoren.213
16.4.2 NiCd-Akkus.214
16.4.3 NiMH-Akkus. 214
16.4.4 Lithiumionenakkus.214
16.5 Kosten der Rücknahme .215
16.6 Nutzen der Verwertung .215
Literaturverzeichnis 215
Stichwortverzeichnis 232
9 |
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