Acculaadmethoden

Acculader
Geavanceerde draagbare apparatuur zoals mobiele telefoons, camcorders, laptops en MP3-spelers werkt tegenwoordig bijna allemaal op ingebouwde accu's. De ontwikkelingen in de accutechniek staan dan ook niet stil en daarbij worden ook nieuwe methoden ontwikkeld om de accu's te laden en te onderhouden.

Bij accu's worden de laad- en ontlaadstromen uitgedrukt in verhouding tot de capaciteit. Als de accucapaciteit C bijvoorbeeld gelijk is aan 1 Ah (één ampère-uur), dan wordt met een laadstroom van C/10 een stroom bedoeld van 1 A/10 = 100 mA. De capaciteit C is een maat voor de hoeveelheid energie die de accu kan bevatten. De hoeveelheid energie die (theoretisch) in de accu opgeslagen kan worden, vinden we door de capaciteit C (in Ah) te vermenigvuldigen met de nominale klemspanning van de accu (in V). De eenheid waarin deze energie wordt uitgedrukt, is de "wattuur" (Wh).

Tabel 1. Energiedichtheid
 Type  Nominale spanning  Energiedichtheid (typ.)
 Lood/zuur  2,1 V  30 Wh/kg
 Nikkelcadmium  1,2 V  40...60 Wh/kg
 Nikkelmetaalhydride  1,2 V  60...80 Wh/kg
 Lithium-ion (Circulair)  3,6 V  90...100 Wh/kg
 Lithium-ion (Prismatisch)  3,6 V  100...110 Wh/kg
 Lithium-ion (Polymeer)  3,6 V  130...150 Wh/kg

De verhouding tussen de hoeveelheid energie die kan worden opgeslagen (in Wh) en het gewicht (of volume) van de accu wordt de energiedichtheid genoemd. Een grote energiedichtheid betekent dat een accu in verhouding tot zijn gewicht (of volume) veel energie kan opslaan. Tabel 1 geeft een overzicht van de energiedichtheid in wattuur per kilogram van de gangbare accutypen in draagbare apparatuur. In tabel 2 zijn een aantal van de belangrijkste eigenschappen van de drie meest gebruikte typen (Nikkel-Cadmium (NiCd), Nikkel-metaalhydride (NiMH) en Lithium-ionen (Li-Ion)) op een rijtje gezet. Hierbij moet wel opgemerkt worden dat Nikkel-Cadmium-accu's, vanwege het schadelijke cadmium dat ze bevatten, binnen afzienbare tijd uit de handel zullen worden genomen.

Tabel 2. Belangrijkste eigenschappen
 Eigenschap  Nikkelcadmium  Nikkelmetaalhydride  Lithiumion
 Energiedichtheid  Laag  Gemiddeld  Hoog
 Energieopslag  Laag  Gemiddeld  Gemiddeld
 Levensduur  Hoog  Hoog  Hoog
 Prijs  Laag  Gemiddeld  Hoog
 Veiligheid  Hoog  Hoog  Gemiddeld
 Milieuvriendelijkheid  Laag  Gemiddeld  Gemiddeld

Laadmethoden

Nieuwe accu's of accupacks (dat zijn accu's die uit meerdere cellen bestaan) zijn over het algemeen maar gedeeltelijk of zelfs helemaal niet opgeladen. Daarom moeten ze voor het eerste gebruik altijd worden opgeladen, op een voor het accutype geschikte manier. Tijdens het laden moeten de spanning en de stroom zo ingesteld zijn (of continu geregeld worden) dat de accu niet beschadigd wordt.

Tabel 3. Laadmethoden voor NiCd- en NiMH-accu's
 Laadmethode  Eigenschappen  Aanslui-
tingen
 Laadtijd  Laad-
stroom
 Druppelladen  Ladingsniveau na opladen  Figuur
Semi-constante stroom Meest gebruikt

simpel, goedkoop
2 15 uur 0,1 C - - 1
Timer-gestuurd Betrouwbaarder dan semi-constante stroom

Tamelijk simpel en goedkoop
2 6...8 uur 0,2 C 1/20..1/30 C Ca. 120 % 2
-DV-methode Veel gebruikt

Ingewikkelder
2 1...2 uur 0,5...1 C 1/20...1/30 C Ca. 110..120 % 3
DT/dt-methode Duurder, maar beter voor levensduur door voorkomen van overladen 3 of 4 1...2 uur > 1 C  1/20..1/30 C Ca. 100..110 % 4

diagram1
Figuur 1. Laden met een semi-constante stroom wordt vooral toegepast in goedkope apparatuur zoals scheerapparaten, telefoons en speelgoed.








diagram2
Figuur 2. Timer-besturing komt het meest voor bij toepassingen als notebooks, dataterminals en GSM's.









Laden van NiCd-accu's

Nikkel-Cadmium-accu's worden geladen met een constante stroom die kan variŽren tussen 0,05 C en meer dan 1 C. Eenvoudige NiCd-laders meten vaak alleen de celtemperatuur om het moment van uitschakelen te bepalen. De temperatuur is echter geen betrouwbaar criterium voor het beŽindigen van het laadproces. Een meer betrouwbare methode maakt gebruik van het zogenaamde "-DV-effect" dat karakteristiek is voor NiCd-cellen. Dit effect houdt in dat kort voordat de cel volledig opgeladen is de klemspanning gaat afnemen, zoals te zien is in figuur 3. Het -DV-effect wordt vooral goed waarneembaar als een laadstroom van 0,5 C of meer wordt gebruikt. Voor de veiligheid moeten NiCd-laders in elk geval ook altijd de celtemperatuur controleren. Bij oudere cellen, of accupacks die uit meerdere cellen met een verschillende ladingstoestand bestaan, kan het -DV-effect minder duidelijk waarneembaar zijn.

Een nog betrouwbaarder methode voor het herkennen van het moment dat het opladen moet stoppen, is gebruik te maken van de verandering van de temperatuur afhankelijk van de tijd (dT/dt). Het gebruik van deze methode heeft een positieve invloed op de levensduur van de cellen, zeker als dit gecombineerd wordt met het gebruik van de -DV-methode. Het schadelijke en gevaarlijke overladen wordt zo op een betrouwbare manier voorkomen. diagram3

Figuur 3. De -DV-methode wordt veel gebruikt bij notebooks, GSM's en camcorders.









Het zogenaamde snelladen is bij NiCd-accu's effectiever dan langzaam opladen. Als NiCd-accu's geladen worden met een stroom van 1 C, gaat er tijdens het laden maar weinig energie verloren in de vorm van warmte. Het rendement is in dit geval ongeveer 91%, zodat een volledig ontladen NiCd-accu op deze manier in iets meer dan een uur opgeladen kan worden. Bij gebruik van een laadstroom van 0,1 C is het rendement maar ongeveer 71%, daardoor duurt het opladen met deze kleine stroom wel 14 uur.

Zolang een NiCd-accu voor minder dan 70% geladen is, neemt de temperatuur nog niet veel toe. Dat gebeurt pas tijdens de laatste 30% van het laadproces. Sommige laadapparaten maken gebruik van dit effect en laden de cel in enkele minuten op tot ca. 70% van de capaciteit met een grote laadstroom. Het laden wordt daarna voltooid met een veel kleinere stroom. Tenslotte schakelt de lader over naar een onderhoudsstroom van circa 0,02...0,1 C.

Laden van NiMH-accu's

diagram4
Figuur 4. De dT/dt-methode komt het meest voor bij wat zwaardere toepassingen, zoals elektrisch gereedschap.









Laadapparaten voor NiMH-accu's werken bijna altijd met de dT/dt-methode om te bepalen wanneer met laden gestopt moet worden. Het -DV-effect is bij NiMH-accu's niet zo duidelijk waarneembaar als bij NiCd-accu's. Bovendien is het afhankelijk van de celtemperatuur en is het bij laadstromen kleiner dan 0,5 C eigenlijk helemaal niet waarneembaar.

De klemspanning van nieuwe NiMH-accu's kan tijdens het laden op willekeurige momenten plotseling veranderen, zodat het voor kan komen dat het laadproces te vroeg beëindigd wordt. Als er geen spanningsverandering optreedt, faalt de -DV-methode en zal overladen het gevolg zijn, wat ten koste gaat van de levensduur van de accu. Kortom: meten van de klemspanning is voor NiMH-accu's niet de juiste methode om het laadproces te stoppen. De invloed van omgevingsfactoren zoals de temperatuur, de leeftijd van de cel en de ladingstoestand bij het begin van het laadproces hebben een te grote invloed. Daarom mogen NiMH-accu's niet geladen worden met laadapparaten die voor NiCd-accu's bestemd zijn, tenzij het laadapparaat werkt met de dT/dt-methode. Omdat NiMH-accu's erg slecht tegen overladen bestand zijn, mag de onderhoudslaadstroom nooit groter gekozen worden dan 0,05 C.

Helaas is het laden van NiMH-accu's met een kleine stroom ook geen methode die alle problemen oplost. Bij een laadstroom van ca. 0,1...0,3 C zijn de effecten die tijdens het laadproces optreden (zoals spannings- en temperatuurveranderingen) nauwelijks meetbaar. Ze leveren dus geen bruikbaar stopcriterium voor het laadproces op. De enige betrouwbare methode om NiMH-accu's met een kleine stroom te laden is het gebruik van een timer.

De aanbevolen laadstroom voor NiMH-accu's is ongeveer 1 C (of meer, als de fabrikant dat voorschrijft). Daarbij moeten zowel de spanning (DV = 0) als de temperatuurverandering (dT/dt) gecontroleerd worden om het laadproces op een betrouwbare manier op tijd te kunnen stoppen.

Bron: Gert Helles: Acculaadtechnieken - Principes, valkuilen en aanbevelingen
Gepubliceerd Elektuur november 2004
Het complete artikel kan hier worden gedownload.
Meer informatie vindt u op de Elektor-website, www.elektor.nl

Bestellen bij Conrad www.conrad.nl
Product: Acculader en onderhoudset IPC1
Bestelnummer: 512266-89