Akkutechnologien und ihre Anwendung im Amateurfunk

Transkript

1 Seite 1 Akkutechnologien und ihre Anwendung im Amateurfunk by DK6TM Einleitung Jeder kennt die Situation: Portabelbetrieb, welchen Transceiver nehme ich mit, welche Antenne und nicht zuletzt auch, wie versorge ich das Ganze mit Strom? In manche Trainsceiver lassen sich Akkupacks einbauen, oder man schleppt eine schwere Bleibatterie auf den Berg.. Aber geht das nicht irgendwie einfacher? Wäre es nicht sinnvoll, für den jeweiligen Anwendungszweck die optimale Stromversorgung mitzunehmen? Dieses Script soll Anregungen geben, welche Akkus für welchen Verwendungszweck geeignet sind und welche Alternativen es gibt. Welche Möglichkeiten gibt es, den Stromspeicher auch unterwegs wieder aufzuladen? Die heute erhältlichen Akkus lassen sich grob in drei Kategorien aufteilen: Blei-Säure-Akkumulatoren Erhältlich als offene Zellen oder als Blei-Gel-Zellen, z.b. als Starterbatterie im Auto oder in Form eines kleinen Blei-Gel-Akkus im Amateurfunk. Nennspannung 2V je Zelle. Nickel-Zellen Bekannt als Nickel-Cadmium- bzw. Nickel-Metallhydrid-Zellen, in verschiedenen Bauformen und -größen auf dem Markt. Nennspannung 1,2V je Zelle. Lithium-Zellen In verschiedenen Bauformen und Ausführungen erhältlich, als Lithium-Ionen- oder Lithium- Polymer-Zellen. Nennspannungen zwischen 3,6V und 3,7V. Alle drei Zellentypen sind im Amateurfunkbetrieb verwendbar. Im üblichen Portabelbetrieb mit kleinen Leistungen (<10W) kommt es auch nicht so sehr auf die Auswahl der Zellen an. Bei hohen Sendeleistungen spielt das Leistungsgewicht der Zelle eine entscheidende Rolle. Auch mit relativ kleinen und leichten Akkupacks ist Portabelbetrieb mit höheren Leistungen möglich! Auch die zu den jeweiligen Zellen passende Ladetechnik soll beleuchtet werden. Für jeden der beschriebenen Zellentypen ist ein anderes Ladegerät notwendig. Ladegeräte lassen sich für fast alle Zellentypen mit wenig Aufwand selbst bauen: Blei-Säure-Akkumulatoren: Konstantspannungsladung (ggf. mit Strombegrenzung) Nickel-Zellen: Konstantstromladung mit Überwachung der Zellenspannung Lithium-Zellen: Konstantspannungs- und -stromladung Ladegeräte für Lithium-Zellen sind aufwendiger als solche für Nickel- oder Bleiakkus, trotzdem gibt es mittlerweile viele Möglichkeiten, diese selbst zu bauen.

2 Seite 2 Blei-Säure-Akkumulatoren Blei-Säure-Zellen finden sich z.b. in Autobatterien oder auch in Form von geschlossenen Blei-Gel-Zellen im Amateurfunk oder Modellbau. Vorteile: einfacher Aufbau vergleichsweise einfache Ladetechnik (Selbstbau) günstiger Preis Nachteile: hohes Gewicht (ungünstiges Leistungsgewicht: 30Wh/Kg) großes Volumen lange Ladezeit vergleichsweise geringe Zyklenfestigkeit Chemie/Physik Chemisch stellt sich der Entladevorgang wie folgt dar (von links nach rechts), der Ladevorgang verläuft umgekehrt (von rechts nach links). Pb + PbO 2 + 2H 2 SO 4 -> 2PbSO 4 + 2H 2 O + Elektrische Energie Die chemischen und physikalischen Zusammenhänge in Blei-Säure-Batterien (Quelle: Wikipedia)

3 Seite 3 Aufbau der Zellen Der mechanische Aufbau der Blei-Säure-Zellen lässt sich in offene Blei-Säure-Zellen und geschlossene Blei-Gel-, bzw. Blei-Säure-Vlies-Zellen einteilen. Die folgenden Abbildungen dokumentieren den mechanischen Aufbau. Grundsätzlich unterscheidet sich die chemische Struktur von offenen und geschlossenen Zellen nicht. Blei-Gel-Zellen weisen dadurch, dass die Schwefelsäure mit Kieselsäure zu einem Gel gebunden wird, einen höheren Innenwiderstand auf. Aufbau einer Blei-Säure-Batterie (Quelle: Varta) In fast allen Blei-Säure-Zellen werden die Elektroden als Gitterplatten realisiert. Die positiven Elektrodenplatten bestehen aus Bleidioxid, die negativen Elektrodenplatten aus porösem Blei (Bleischwamm). Der gitterförmige Aufbau wird gewählt, um die aktive Elektrodenoberfläche zu vergrößern. Die einzelnen Elektrodenplatten sind zusätzlich noch mit einem Vlies aus z.b. Glasfasermaterial umgeben, das als Separator bzw. Isolator wirkt. Die einzelnen Platten werden zu Plattenpaketen zusammengefasst und jeweils mit einer Ableitelektrode versehen. In einer 12V Blei-Säure-Batterie sind, bedingt durch die Nennspannung von 2V je Zelle, sechs solcher Plattenpakete jeweils isoliert voneinander untergebracht. Die Plattenpakete reichen normalerweise nicht bis zum Boden des Batteriegehäuses, damit elektrisch leitende Substanzen, die sich durch Alterung (Korrosion) von den Platten ablösen, keine Kurzschlüsse verursachen. In Blei-Gel-Zellen wird ein Absinken dieser Substanzen durch das Gel weitgehend verhindert. Deshalb können diese Zellen u.a. auch lageunabhängig betrieben werden. Lebensdauer der Blei-Säure-Batterie Die Lebensdauer moderner Bleiakkus kann bei guter Pflege mehrere Jahre betragen. Die Standzeit der Akkus wird hauptsächlich durch Korrosion der Bleigitter und die fortschreitende Sulfatierung (PbSO 4 ).

4 Seite 4 Die Lebensdauer hängt u.a. auch von der Anzahl der Ladezyklen und vom Entladungsgrad ab. Wird der Akku in Zyklen betrieben (also immer wieder fast vollständig entladen und dann wieder aufgeladen) ist die Lebensdauer signifikant kürzer als bei Betrieb mit geringen Teilentladungen. Referenzbatterie: Schwebungsladung mit 2,25V/Zelle Zyklenbatterie: Zyklische Entladung/Ladung Stillstandsbatterie: Lagerung bei unter 30% Ladegrad Batterielebensdauer in Abhängigkeit von der Art der Zyklen (Quelle: basytec.de) Ladetechnik Wie eingangs erwähnt werden Blei-Säure-Akkus mit Konstantspannung geladen. Der Ladestrom wird durch die Zelle selbst begrenzt. Im Normalfall liegt die Ladeschlussspannung der Zelle bei 2,2 Volt. Wird die Zelle mit dieser Spannung beaufschlagt, stellt sich ein dem Ladezustand der Zelle entsprechender Strom ein (dieser ergibt sich aus der Spannungsdifferenz zwischen Zellenspannung und Ladespannung und dem Innenwiderstand der Zelle). Der Strom wird bei Normalladung vom Ladegerät auf etwa 1/5 der Nennkapazität C begrenzt, um eine übermäßige Erwärmung der Zelle zu vermeiden. Im Prinzip reicht es also aus, einen Blei-Säure-Akku an eine Konstantspannungsquelle anzuschließen, um diesen aufzuladen. In der Praxis ist eine Strombegrenzung sinnvoll, um insbesondere bei Gel-Akkus ein Gasen (Überdruck) zu verhindern. Eine einfache Ladeschaltung lässt sich z.b. mit einem Spannungsregler-IC realisieren. Ein oft gewählter Baustein ist hier der L200, der sowohl die Ausgangsspannung als auch den fließenden Strom begrenzen kann. Die Ladetechnik für einen Blei-Säure-Akku ist also ausgesprochen einfach zu realisieren. Der Ladevorgang dauert nach der Entladung bis zur Entladeschlussspannung etwa Stunden. Prinzipschaltbild eines Blei-Säure-Batterieladers mit L200 (Quelle: Datenblatt)

5 Seite 5 Die Abbildung zeigt eine einfache Ladeschaltung für einen Bleiakku mit einstellbarer Ladespannung (Poti R2) und einstellbarer Strombegrenzung (Poti R3). Die Diode schützt den Akku vor Entladung, wenn die Schaltung zwar am Akku, nicht aber an einem Netzteil angeschlossen ist. Die Ladeschlussspannung sollte weder zu tief (unter 2,2V/Zelle) noch zu hoch (>2,4V/Zelle) sein, um eine vorzeitige Alterung zu vermeiden. Insbesondere für geschlossene Blei-Säure- bzw. Blei- Gel-Zellen ist eine zu hohe Ladespannung (und damit verbunden zu hoher Ladestrom) fatal, da es hierdurch zum Gasen (Öffnen der Sicherheitsventile) und zum Verlust von Wasser kommt, das bekanntlich in geschlossenen Systemen nicht nachgefüllt werden kann. Das Diagramm zeigt den Verlauf der Klemmenspannung und des Ladestroms in Abhängigkeit von der Ladedauer. Der Strom ist zu Anfang des Ladevorgangs hoch, sinkt dann mit zunehmender Ladung der Batterie so weit ab, bis Schwebungsladung erreicht ist. Die Ladeschlussspannung liegt hier bei 2,2V/Zelle. Ladestrom und Klemmenspannung in Abhängigkeit von der Ladezeit (Quelle: batteryuniversity.com)