Autor: L. Schlunegger
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NiCd - Nickel Cadmium Akkus
NiCd Akkus sind die altbewährten Arbeitspferde im Modellbau. Ihre positive Sinterelektrode besteht aus Nickel-Hydroxid mit Graphitzusatz sowie etwas Cadmiumhydroxid und die negative Elektrodeposit-Elektrode überwiegend aus Cadmium und Graphitpartikel. Bei der industriellen Fertigung werden diese Stoffe gepresst und in einem feinmaschigen Nickelnetz verankert. Nicht gerade umweltverträgliche Materialien. Aus diesem Grund müssen sie auch richtig entsorgt werden. Aber keine Angst, wenn man sie dem Recycling zuführt, können diese Stoffe ebenfalls umweltbewusst verarbeitet werden. Die Elektroden sind meist spiralförmig aufgewickelt und befinden sich in einem Stahlgehäuse mit Überdruckventil. Der Elektrolyt ist Kalilauge.
NiCd Akkus haben den Vorteil, dass sie schlampige Behandlung wesentlich robuster wegstecken als alle anderen Zellen. Das heißt nicht, dass man sie nicht zerstören könnte, es geht nur schwerer als bei den anderen. Außerdem sind sie (je nach Bauform) äußerst Hochstromfest, man kann mit einem kleinen NiCd Pack durchaus ein Auto starten wofür über 100A benötigt werden.
Dafür muss man den unangenehmen Memoryeffekt in Kauf nehmen. "Schnell mal nachladen" und dann fliegen gehen, so funktioniert es bei NiCd Akkus leider nicht. Der Memoryeffekt kann einen NiCd Akku sehr schnell unbrauchbar machen. Wenn man diesen Akku mit niedrigen Strömen dauerlädt (hängt dauernd am Ladegerät) oder wenn man einen halbleeren NiCd Akku nachlädt, so lagern sich auf der negativen Elektrode chemische Verbindungen ab, welche die nutzbare Kapazität verringern. Macht man das öfters, so lagern sich immer mehr Verbindungen ab und die Kapazität nimmt rapide ab. Das kann nach mehreren Ladungen soweit gehen, dass der volle Akku nur noch für sehr kurze Zeit Strom liefern kann. Der Memoryeffekt ist eine unangenehme Eigenschaft der Cadmium Elektrode und tritt daher nur bei NiCd Akkus auf.
Zum Glück kann man einen, auf diese Weise lahm gelegten, Akku wieder reparieren. Dazu muss er tiefentladen und wieder vollgeladen werden. Die meisten Modellbau-Ladegeräte haben zu diesem Zweck eine automatische Refresh-Funktion. Auch bei NiCd Akkus gibt es viele Billiglader in Supermärkten zu kaufen. Es ist das so genannte "Ladegeräte" in welche die Zellen eingelegt werden. Diese werden dann mit geringsten Strömen über 1 oder 2 Tage geladen. Bevor man ein solches Ladegerät benutzt, muss der Akku auf jeden Fall völlig leer sein, sonst wäre ein Memoryeffekt vorprogrammiert.
Die Ladeschlussspannung bei NiCd Akkus ist ca. 1,5 Volt. Die Entladeschlussspannung ist 0,85 Volt. Eigentlich könnte man NiCd Akkus auch tiefer entladen. Allerdings werden Akkuzellen meist zu einem Akkupack zusammengefasst. Entlädt man diesen Akkupack zu tief, so können die stärkeren Zellen die schwächeren Umpolen, was das schnelle Aus für diese Zellen wäre. Wenn man nur bis 0,85 Volt entlädt, geht man dieses Risiko nicht ein.
Hier einige typische Daten für NiCd Zellen:
• unbelastete Leerlaufspannung: 1,29 Volt
• Ladeschlussspannung: 1,5 Volt
• Entladeschlussspannung: 0,85 Volt (mit Reserve wegen Akkupacks, siehe oben)
• Innenwiderstand: 5mOhm (abhängig von Bauform der Elektroden, z.B. Sinterelektroden usw.)
• Wirkungsgrad: ca. 70-80 % (mit Reflexladern bis zu 90%)
• Arbeitstemperaturbereich: -10 Grad bis max. 65 Grad C
• Belastbarkeit: über 100 A bei modernen Sinterzellen (RC2000 u.ä. für Antriebsakkus), mehrere 10A bei Normalzellen für Empfängerbatterien.
Was kann man tun, um eine NiCd Zelle in die ewigen Jagdgründe zu befördern:
• Tiefentladen eines Akkupacks: Dadurch werden die schwächsten Zellen umgepolt und dauerhaft zerstört
• Nachladen ohne Entladung: Die Zelle verliert relativ schnell ihre Kapazität durch den Memoryeffekt. Man kann das durch mehrmaliges Tiefentladen (einzelner Zellen!) und Nachladen wieder reparieren.
• Überladen mit hohen Strömen: Die Zelle wird durch Gasung zerstört, das Sicherheitsventil kann ansprechen
• Lange Lagerung von vollgeladenen NiCd Akkus: Durch chemische Prozesse "frisst" sich der Akku ganz langsam selbst auf.
Wie behandelt man nun einen NiCd Akku richtig, damit er lange Zeit mit voller Kapazität seinen Dienst versieht?
• Neue Akkus sind fast leer. Die ersten 6 Lade/Entladezyklen sollten sorgfältig durchgeführt werden. Erst danach hat er seine volle Kapazität
• Laden bis zu einer maximalen Temperatur von 35 Grad. Danach muss die Ladung unbedingt beendet werden.
• Vor dem Laden: Entladen bis zur Entladeschlussspannung zur Vermeidung des Memoryeffekts
• Lagerung von entladenen Akkus und bei tiefen Temperaturen (Keller; den Kühlschrank empfehle ich wegen der giftigen Inhaltsstoffe der Akkus weniger)
bei guter Behandlung kann es ein NiCd Akkupack leicht bis zu 1000 Lade-/Entladezyklen bringen.
Nach ein paar Anmerkungen zu Ladegeräten:
Beim Laden eines Akkus stellt sich die große Frage: wann ist er eigentlich voll?
Das exakteste Kriterium ist die Temperatur. Ein voller Akku erwärmt sich bei Überladung. Wenn ein NiCd Akku eine Temperatur von ca. 35 Grad erreicht hat, so ist er wirklich voll. Die Messung der Temperatur ist leider etwas umständlich, daher versuchen moderne Ladegeräte den Spannungsverlauf zu beobachten und daraus auf den Voll-Zustand zu schließen. Diese Methode heißt Delta-Peak-Abschaltung und funktioniert in der Regel recht zuverlässig.
Es sind sich folgende Ladegeräte am Markt verfügbar:
• Langsame Normallader (meist in Supermärkten zukaufen): Einziger Vorteil ist die geringe Strombelastung. Nachteilig ist die Dauerüberladung durch geringe Ströme und das entstehen eines Memoryeffekts.
• Zeitgesteuerte Ent-/Ladegeräte: können den Memoryeffekt beseitigen. Ungenaue Zeitabschaltung führt aber zu häufiger Überladung der Akkuzellen.
• Temperaturgesteuerte Ent-/Ladegeräte: sehr gutes Ladeprinzip, wegen des Temperaturfühlers leider umständlich zu handhaben.
• Ladeschlussspannungsgesteuerte Ent-/Ladegeräte: wegen sehr unterschiedlicher Akkutypen nur ein ungenaues Abschaltkriterium, daher oftmalige Überladung möglich
• Delta-Peak-gesteuerte Ent-/Ladegeräte: modernes sehr zuverlässiges Prinzip für das schnelle Laden. Kann bei Laden mit sehr geringen Strömen versagen, was zur Überladung führt.
• Reflex-Ladegeräte: modernes Prinzip, welches die chemischen Vorgänge in der Zelle positiv beeinflusst. Zusammen mit einer Delta-Peak Abschaltung empfehlenswert. Kann einen Memoryeffekt besonders gut entfernen.
Moderne Computerlader sind inzwischen schon recht preisgünstig zu bekommen. Schnellladung mit Delta-Peak gesteuerter Abschaltung hat sich zum Standard im Modellbau durchgesetzt weil damit eine schonende Schnellladung möglich ist. Akku-Foltergeräte aus dem Supermarkt oder Billiggeräte von Elektronikversendern sollte man lieber der Entsorgung zuführen.
Einsatzbereich:
A. Senderakku, meist werden 1700 mAh Packs mit 8 Zellen verwendet, was für eine durchschnittliche Betriebszeit von 2-4 Stunden ausreicht.
B. Empfängerakkus mit 4 oder 5 Zellen. Je nach Modell können Typen von 0,5 bis 2,5 Ah zum Einsatz kommen.
C. Antriebsakkus mit Hochstromzellen. Es werden meist die Sanyo RC2000 und RC2400 verwendet.
NiMH - Nickel Metall Hydrid Akkus
NiMH Zellen haben einen etwas anderen Aufbau als NiCd Zellen und funktionieren grundsätzlich anders. Die bei NiCd Akkus giftige Cadmium Elektrode wurde durch eine Metalllegierung ersetzt, welche Wasserstoff speichern kann. Diese Speicherung erfolgt drucklos, wodurch die Gefahr eines Überdrucks relativ gering ist. Durch die chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Nickel wird der Strom gespeichert.
NiMH Zellen haben eine relativ gute Energiedichte, d.h. bei gleichem Gewicht haben sie mehr nutzbare Kapazität als NiCd Zellen. Ein weiterer Vorteil ist der fast nicht vorhandene Memoryeffekt. Es genügt ein sehr seltenes Entladen um immer frische und volle Zellen zu haben. "Schnell mal nachladen und fliegen gehen", das ist bei NiMH Zellen möglich.
Wie alles auf der Welt haben leider auch NiMH Zellen ihre Tücken und Nachteile. Das gravierendste Problem ist die hohe Empfindlichkeit gegen Überladung. Selbst kurzzeitige Überladung kann die Zellen nachhaltig schädigen. Dieses Problem wird noch dadurch verstärkt, dass das beliebte Delta-Peak Prinzip zur Abschaltung von Ladegeräten bei NiMH Zellen nicht zuverlässig funktioniert. Es bleibt nur die temperaturgesteuerte Abschaltung, was aber kaum gemacht wird.
Weiters haben NiMH Zellen eine relativ hohe Selbstentladung, was die Lagerfähigkeit verschlechtert. NiMH Akkus müssen (im Gegensatz zu NiCD Zellen) immer randvoll geladen gelagert werden. Da sie diese Ladung allerdings verlieren, müssen sie in regelmäßigen Abständen geprüft und nachgeladen werden. Ein weiterer Nachteil ist der höhere Innenwiderstand, weshalb sich NiMH Akkus für Motorantriebe nur bedingt eignen.
Wie kann man nun eine NiMH Zelle am sichersten zerstören:
• Lagerung von leeren NiMH Zellen: Die Zelle zerstört sich chemisch selbst
• Überladen: Selbst geringe Überladung kann die Zelle schädigen
• Tiefentladen eines Akkupacks: Dadurch werden die schwächsten Zellen umgepolt und dauerhaft zerstört
• mit zu hohen Strömen entladen: Die Zellen werden durch große Hitzeentwicklung zerstört
So muss man NiMH Zellen behandeln um lange Zeit Freude an ihnen zu haben:
• Genaues Beobachten des Ladevorgangs bei Automatikladern mit Delta-Peak Abschaltung. (Es hat schon abgebrannte MC24 Sender gegeben, weil die Abschaltung versagt hat!).
• Entladen von Akkupacks nur bis zur minimalen Entladeschlussspannung von 0,85 Volt
• Bei hohen Entladeströmen bei Elektro-Antrieben die Temperatur beobachten
• vor (auch kurzfristiger) Lagerung die Akkus immer Volladen.
Geladen werden NiMH Akkus nach dem gleichem Prinzip wie NiCd Akkus.
Da ich davon ausgehe, dass niemand seine teuren NiMH Akkus einem Supermarktlader anvertrauen wird, kommen eigentlich nur moderne Computerlader mit Delta-Peak Abschaltung in Frage. So haben z.B. die Ladegeräte von Graupner eine Umschaltmöglichkeit von NiCd auf NiMH Akkus. Leider ist der Spannungsverlauf bei NiMH Akkus so flach, dass die Delta-Peak Erkennung oft zum Glücksspiel wird. Man sollte daher neue Akkus während der ersten Ladevorgänge immer genau beobachten und die Temperatur fühlen. Erwärmt sich der Akku auf über 40 Grad (beginnt sich unangenehm anzufühlen) ohne dass die Delta-Peak Abschaltung anspricht, so muss der Ladevorgang manuell unterbrochen werden. Dieses Problem ist leider weit verbreitet und es hat schon etliche Defekte und abgefackelte Modelle und Fernsteueranlagen aus diesem Grund gegeben. Funktioniert die Delta-Peak Abschaltung einige Male zuverlässig, so kann man bei diesem speziellen Akkupack normalerweise darauf vertrauen. Andere Packs müssen aber wiederum Anfangs genau beobachtet werden.
Andererseits kann die Delta-Peak Abschaltung aber auch zu früh abschalten, lange bevor der Akku voll ist. In diesem Fall kann eine Umschaltung des Ladegerätes auf die NiCd Ladung Abhilfe bringen. Auch hier muss der Ladevorgang und die Akkutemperatur unbedingt beobachtet werden.
Ein häufiger Streitpunkt ist der Memoryeffekt. NiMH Zellen haben keinen Memoryeffekt, sagen die Hersteller und können daher jederzeit problemlos nachgeladen werden. In der Praxis kann man nach einer gewissen Betriebszeit aber schon eine Art Memoryeffekt feststellen, wenngleich auch bei weitem nicht so stark wie bei NiCd Akkus. Daher empfiehlt sich auch bei NiMH Akkus diese alle paar Monate zu Entladen und wieder neu Aufzuladen.
Einsatzbereich:
A. Senderakku, meist werden 3000 mAh Packs mit 8 Zellen verwendet, was für eine durchschnittliche Betriebszeit von 4-6 Stunden ausreicht.
B. Empfängerakkus mit 4 oder 5 Zellen. Wobei noch Bedenken hinsichtlich der Vibrationsbelastbarkeit in Verbrennermodellen vorherrschen.
C. Antriebsakkus mit Hochstromzellen. Diese bieten sehr lange Flugzeiten haben aber nicht ganz die Spannungslage wie moderne NiCd Zellen. Sie reichen für Modelle mit einem Strombedarf bis max. 30 A. Sehr populär sind die 3000mAh Hochstromzellen von Panasonic.
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