Die Profile unterscheiden sich hauptsächlich darin, welche Ladegröße das Ladegerät konstant hält: I hält den Strom konstant, W reduziert den Ladestrom schrittweise, und IU kombiniert Konstantstrom mit einer abschließenden Konstantspannungsphase. Für NiCd-Tests hängt die richtige Wahl vom Zellaufbau, der akzeptablen Temperatur und dem Wasserverlust sowie davon ab, ob eine schnelle Konditionierung oder eine schonende zyklische Ladung das Ziel ist.
Die Konstantstromladung ist das direkteste und am besten kontrollierbare Profil, die Abnehmstromladung ist schonender, aber stärker von den Zelleneigenschaften abhängig, und die IU-Ladung eignet sich besonders, wenn mehrere NiCd-Akkupacks parallel geladen werden.
Funktionsweise der drei NiCd-Ladeprofile
Konstantstrom (I oder Ia)
Das Ladegerät liefert während des gesamten Ladevorgangs einen konstanten Strom. Ein typischer Testwert liegt je nach Zelle und Testspezifikation ungefähr bei 0,5 bis 1,5 × I5.
Die Zellenspannung steigt, während die NiCd-Batterie geladen wird. Bei Zellen mit gesinterten Elektroden muss der Ladestrom begrenzt werden, sobald die Zelle ihre Gasungsspannung erreicht, um thermische Belastung und übermäßige Gasung zu reduzieren.
Gestufter Konstantstrom (IOI)
Einige Testsysteme verwenden ein IOI-Profil, bei dem der Ladestrom nach einem festgelegten Ladepunkt reduziert oder stufenweise abgesenkt wird.
Dadurch bleibt die Kontrolle der Konstantstromladung erhalten, während sich die Gesamtladezeit im Vergleich zu einem konservativen Einzelstromprofil möglicherweise verkürzt.
Abnehmender Ladestrom (W oder Wa)
Ein Abnehmstromprofil beginnt mit einem höheren Strom und reduziert diesen allmählich im Verlauf des Ladevorgangs. Der Strom folgt daher einer fallenden Kennlinie, anstatt konstant zu bleiben.
Dies führt zu einem geringen Temperaturanstieg und niedrigem Wasserverbrauch, wodurch sich die W-Ladung für einen schonenden zyklischen Betrieb eignet.
Konstantstrom / Konstantspannung (IU)
Das IU-Profil beginnt mit einer Konstantstromladung. Sobald die Zelle den ausgewählten Gasungsschwellenwert erreicht, wechselt das Ladegerät in den Konstantspannungsbetrieb.
Bei NiCd-Zellen liegt das Spannungsniveau für die Spannungsregelung typischerweise bei 1,6 bis 1,7 V pro Zelle, mit einer Toleranz von ungefähr ±2 %. Während dieser Phase nimmt der Strom automatisch ab, wenn sich die Batterie der vollständigen Ladung nähert.
Warum die Profile während des Tests wichtig sind
Anpassung des Profils an den Zellaufbau
NiCd-Zellen reagieren nicht alle gleich auf das Laden. Zellen mit gesinterten Elektroden können beispielsweise thermisch belastet werden, wenn ein hoher Konstantstrom nach Beginn der Gasung weiter anliegt.
Das Ladeprofil ist daher Bestandteil des Testaufbaus und nicht lediglich eine Präferenz für die Stromversorgung. Ein für ein bestimmtes NiCd-Design geeignetes Profil kann bei einem anderen Design zu einem unterschiedlichen Temperaturverhalten, einer anderen Gasung oder einer abweichenden Ladungsaufnahme führen.
Trennung von Laderegelung und Testmessung
Während eines Batterietests stellt das Ladegerät den Ausgangszustand der Batterie her, bevor Kapazitäts-, Zyklus- oder Lebensdauermessungen beginnen.
Ein ungeeignetes Profil kann die Ergebnisse verfälschen, indem die Batterie nicht vollständig geladen, überhitzt oder einem erhöhten Wasserverlust beziehungsweise einer unnötigen Belastung ausgesetzt wird. Eine konsequente Profilauswahl verbessert die Wiederholbarkeit zwischen den Testzyklen.
Verständnis des NiCd-Spannungsbereichs
NiCd-Zellen haben eine Nennspannung von ungefähr 1,2 V pro Zelle, Ladeentscheidungen werden jedoch bei höheren Spannungen getroffen.
Der maßgebliche Übergang bei der IU-Ladung findet im Bereich von etwa 1,6–1,7 V pro Zelle, dem Gasungsbereich, statt. Das Testgerät muss die korrekten Werte pro Zelle verwenden und sie für den vollständigen Batteriepacks präzise skalieren.
Direkter Vergleich der Profile
Regelgröße
- I: Der Strom bleibt konstant; die Spannung darf ansteigen.
- W: Der Strom nimmt entsprechend der ausgewählten Abnehmstromkennlinie ab.
- IU: Der Strom bleibt zunächst konstant, anschließend bleibt die Spannung konstant, während der Strom abnimmt.
Ladeverhalten
- I: Vorhersehbar und unkompliziert, kann jedoch mehr Wärme und Gasung erzeugen, wenn der Strom bei hoher Laderate zu lange beibehalten wird.
- W: Schonender und im Allgemeinen mit einem geringeren Temperaturanstieg und Wasserverbrauch verbunden.
- IU: Bietet eine kontrollierte Hochstromphase, gefolgt von einer spannungsbegrenzten Abschlussphase.
Typische Verwendung im Test
- I: Kontrolliertes Laden, Konditionierung und Tests, die ein definiertes Stromprofil erfordern.
- W: Schonende zyklische Ladung, wenn eine reduzierte thermische und elektrolytische Belastung wichtig ist.
- IU: Laden mehrerer NiCd-Akkupacks im Parallelbetrieb oder Abschluss einer kontrollierten Schnellladung mit spannungsbegrenzter Endphase.
Verständnis der Zielkonflikte
Konstantstrom kann die Belastung erhöhen
Die Einfachheit der I-Ladung ist zugleich ihre Einschränkung. Wird der Strom beim Erreichen des Gasungsbereichs nicht reduziert, können Wärmeentwicklung und Elektrolytverlust zunehmen.
Verwenden Sie bei Hochstromtests die vorgeschriebene Strombegrenzung, eine Temperaturüberwachung sowie alle erforderlichen Übergangs- oder Konstantstromstufenverfahren.
Die Abnehmstromladung erfordert eine korrekte Charakterisierung
Die W-Ladung ist nicht universell zwischen verschiedenen NiCd-Typen austauschbar. Zellen der Serien R, T und TS können unterschiedliche Anfangsspannungscharakteristiken aufweisen, im genannten Testkontext ungefähr 1,25 bis 1,5 V pro Zelle.
Das Testsystem sollte daher Anpassungen des Kennlinienniveaus oder der Steigung ermöglichen. Eine feste Abnehmstromkurve, die für einen Batterietyp vorgesehen ist, kann einen anderen Typ fehlerhaft laden.
Die IU-Ladung erfordert genaue Spannungseinstellungen
Die Spannung für die Konstantspannungsphase muss entsprechend der Anzahl der Zellen und der geltenden NiCd-Spezifikation eingestellt werden. Ein falscher Wert pro Zelle führt zu einem erheblichen Fehler, wenn er über einen großen Batteriepacks hinweg vervielfacht wird.
Auch die Toleranz der Spannungsregelung ist wichtig; das genannte Profil legt ungefähr 1,6–1,7 V pro Zelle innerhalb von ±2 % fest.
Parallelladung macht eine Überwachung nicht überflüssig
Die IU-Ladung eignet sich gut für die Parallelladung, da die Spannung geregelt wird, während der Strom abnimmt. Dennoch sollten parallel geschaltete Akkupacks hinsichtlich Spannung, Zustand und Ladezustand kompatibel sein.
Unterschiede zwischen den Akkupacks können zu einer ungleichen Stromaufteilung führen. Daher sollte das Testsystem den Gesamtstrom, die Spannung und die Temperatur überwachen und sich nicht allein auf das Ladeprofil verlassen.
Auswahl des richtigen Profils für ein Testverfahren
Das beste Profil ist dasjenige, das die beabsichtigte Einsatzbedingung reproduziert und gleichzeitig Wärme, Gasung und Ladeabschaltung kontrolliert.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf kontrolliertem Laden und wiederholbarer Konditionierung liegt: Verwenden Sie die I-Ladung mit dem vorgeschriebenen Strom und einer definierten Begrenzung oder einem Übergang in der Nähe des Gasungsbereichs.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf einem Betrieb mit geringer Belastung im Zyklusbetrieb liegt: Verwenden Sie die W-Ladung, konfigurieren Sie die Abnehmstromkennlinie jedoch für die jeweilige NiCd-Zellserie.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Parallelladung mehrerer Akkupacks liegt: Verwenden Sie die IU-Ladung mit einem präzise berechneten Spannungsziel von ungefähr 1,6–1,7 V pro Zelle.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf einer Verkürzung der Ladezeit ohne eine dauerhafte Hochstrombelastung liegt: Ziehen Sie ein spezifiziertes gestuftes IOI-Profil in Betracht, sofern Zellaufbau und Testverfahren dies zulassen.
Die bewusste Auswahl des Ladeprofils ist entscheidend, um sichere, wiederholbare und für die vorgesehene Anwendung der Batterie repräsentative NiCd-Testergebnisse zu erzielen.
Zusammenfassungstabelle:
| Profil | Regelgröße | Ladeverhalten | Typische Verwendung |
|---|---|---|---|
| I (Konstantstrom) | Der Strom bleibt konstant; die Spannung steigt | Vorhersehbar; kann bei längerer Anwendung mehr Wärme erzeugen | Kontrolliertes Laden und Konditionierung |
| W (Abnehmstrom) | Der Strom nimmt allmählich ab | Schonend; geringerer Temperaturanstieg und Wasserverlust | Zyklische Ladung mit geringer Belastung |
| IU (Konstantstrom/Konstantspannung) | Zunächst konstanter Strom, anschließend konstante Spannung | Hochstromphase, gefolgt von einer spannungsbegrenzten Abschlussphase | Parallelladung; kontrollierte Schnellladung |
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