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Ladegerät

Ein Ladegerät ist ein Gerät, mit dem Akkumulatoren (wiederaufladbare Batterien) aufgeladen werden können. Das Gerät erzwingt den Fluss eines Ladestroms gegen die Spannung des Akkumulators; die Stromrichtung beim Laden ist also entgegengesetzt der beim Entladen, so dass die elektrochemischen Prozesse im Akku entgegengesetzt ablaufen. Die zum Laden nötige Energie wird in der Regel dem Stromnetz entnommen, eventuell über ein Netzteil. Die Starterbatterie im Auto wird dagegen über die Lichtmaschine (einen Generator) geladen, also mit Energie, die vom Verbrennungsmotor geliefert wird.

Manche akkubetriebenen Geräte (z. B. Notebooks) enthalten bereits eine Ladeelektronik (einen Laderegler), so dass sie zum Laden nur noch ein gewöhnliches Netzteil angeschlossen werden müssen. Das hat den Vorteil, dass die Anforderungen an das Netzteil gering sind und dass der Ladevorgang präziser überwacht werden kann.

Ein Extra-Artikel [1] gibt praktische Hinweise zum Umgang mit Akkus und Ladegeräten. Siehe auch den Artikel über das Laden von Elektroautos.

Steuerung des Ladevorgangs

Um Akkumulatoren schnell, vollständig und schonend aufzuladen, genügt es meist nicht, eine einfache Spannungsquelle (z. B. ein Netzteil) direkt an den Akkumulator anzuschließen.

Zunächst einmal sollte der Ladestrom geeignet gewählt werden: genügend hoch für eine ausreichend schnelle Ladung, aber nicht so hoch, dass eine Überlastung und/oder Überhitzung des Akkus eintreten kann. (Der empfohlene maximale Ladestrom hängt stark vom Akku-Typ ab. Bei tief entladenen Lithium-Akkus kann es sinnvoll sein, anfangs einen niedrigeren Ladestrom zu wählen.) Da die Ladestromstärke relativ empfindlich von der Ladespannung abhängt und bei gegebener Spannung auch vom Ladezustand und der Temperatur, arbeiten die meisten Ladegeräte als Konstantstromquellen (jedenfalls bis der Ladeendzustand erreicht ist): Die Ladespannung wird automatisch in gewissen Grenzen so geregelt, dass der gewünschte Ladestrom erreicht wird. Die Ladespannung steigt dann während des Ladens allmählich an – häufig am Ende etwas schneller.

Um den Akku nicht zu überladen, sollte der Ladezustand unbedingt automatisch überwacht werden; das Ladegerät kann dann nach vollständiger Ladung entweder den Ladestrom komplett abschalten oder auf Erhaltungsladung umstellen (siehe unten). Das Abschaltkriterium ist meist das Erreichen einer gewissen Ladespannung (der Ladeendspannung oder Ladeschlussspannung), oder dass die Spannung nach Durchlaufen des sogenannten Gasungsbuckels wieder etwas abfällt. Manche Geräte verwenden noch zusätzliche Kriterien, z. B. die während regelmäßigen kurzen Ladepausen beim Pulsladeverfahren gemessene Leerlaufspannung, die vergangene Zeit oder die Temperatur des Akkus, manchmal sogar den Gasdruck im Akku. Die einfachste (wenn auch nicht optimale) Lösung hingegen ist es, zusätzlich zur Konstantstromregelung eine Spannungsbegrenzung auf die gewünschte Ladeendspannung einzubauen (IU-Ladeverfahren).

Da die Details des Ladevorgangs bei unterschiedlichen Batterietypen recht unterschiedlich sind, muss das Ladegerät unbedingt zum jeweiligen Typ passen. Beispielsweise sind Ladegeräte wie das in Abbildung 1 (für NiMH- oder NiCd-Akkus) nicht geeignet, um (nominell nicht wiederaufladbare) Alkali-Mangan-Batterien aufzufrischen, da hier die Zellenspannung etwas höher und der angemessene Ladestrom niedriger ist. Auch ein Ladegerät für NiCd-Akkus kann evtl. einen NiMH-Akku überladen, da der Gasungsbuckel dort weniger ausgeprägt ist. Manche "intelligenten" Ladegeräte enthalten eine Elektronik, die anhand der elektrischen Charakteristika den angeschlossenen Akku-Typ automatisch erkennen und die Ladeparameter entsprechend einstellen kann. Andere Geräte sind manuell auf verschiedene Batterietypen einstellbar. Die komplizierteren Ladestrategien werden in der Regel mit Hilfe eines Mikroprozessors durchgeführt.

Besondere Funktionen von Ladegeräten

Verpolungsschutz

Da das "Laden" eines Akkus durch Anschließen mit falscher Polarität (Vertauschen der Klemmen) ihn leicht zerstören kann, ist ein Verpolungsschutz im Ladegerät sehr günstig: Das Ladegerät schaltet dann z. B. einfach ab und zeigt eine Störung an. Bei Verwendung eines schlecht konstruierten Ladegeräts ohne Verpolungsschutz würde dieses bei Verpolung womöglich gleich mit zerstört.

Schnellladung

Eine erhebliche Verkürzung der Ladezeit ist prinzipiell möglich durch Erhöhen der elektrischen Stromstärke beim Laden. Allerdings kann die Kapazität des Akkus und auch seine Lebensdauer dadurch reduziert werden, insbesondere wenn der Akku nicht ausdrücklich als schnellladefähig bezeichnet ist und wenn der Akku zu heiß wird. (Von Hochleistungs-Akkumulatoren, die also für hohe Entladeströme geeignet sind, darf in der Regel angenommen werden, dass sie auch schnellladefähig sind.) Bei manchen Akku-Typen wie Lithium-Ionen-Akkus könnte der Versuch einer Schnellladung sogar zur völligen Zerstörung führen. Auch für schnellladefähige Akkus sollte man Schnellladungen nur mit einem hochwertigen Schnellladegerät durchführen und auch nur, wenn es nötig ist.

Die Energieeffizienz der Aufladung kann bei Schnellladung ebenfalls reduziert sein, da die nötige Ladespannung etwas höher ist.

Erhaltungsladung

Manche Ladegeräte bieten die Möglichkeit einer Erhaltungsladung. Dies bedeutet, dass der angeschlossene Akku entweder kontinuierlich sehr schwach oder regelmäßig für kurze Zeiten mit normalem Strom geladen wird, so dass die Selbstentladung ausgeglichen wird. Somit bleibt der Akku einerseits stets einsatzbereit, und andererseits wird verhindert, dass er durch die Selbstentladung auf Dauer in eine Tiefentladung gerät, die ihn auf Dauer zerstören würde.

Für Bleiakkus ist die Erhaltungsladung immer günstig, da man sie im voll geladenen Zustand lagern sollte. Für Lithium-Ionen-Akkus und Nickel-Akkus dagegen ist sie für die Lebensdauer eher ungünstig, da diese Akkus im voll geladenen Zustand schneller altern – wobei die Alterungsgeschwindigkeit von der Temperatur abhängt. Hier ist also gerade für die Erhaltungsladung ein möglichst kühler Platz günstig.

Ein anderes Problem der Erhaltungsladung ist, dass dadurch ein gewisser Standby-Verbrauch entsteht. Der Verbrauch, der direkt durch die Selbstentladung entsteht, ist in der Regel minimal, jedoch können die Energieverluste des Ladegeräts trotzdem nennenswert sein. Hier sollte also darauf geachtet werden, dass das Ladegerät für einen niedrigen Standby-Verbrauch konstruiert ist.

Regenerierung

Akkus, die eine bereits deutlich reduzierte Kapazität aufweisen, können manchmal "regeneriert" werden, indem sie ein- oder mehrmals ganz entladen und wieder geladen werden. Manche Ladegeräte bieten diese Funktion an. Sie wird auch als Rezyklieren oder Formieren bezeichnen.

Einzelzellenüberwachung

Ladegeräte, die zwei oder mehr Akkus gleichzeitig laden können, sind oft so gebaut, dass die Akkus beim Laden in Reihe geschaltet sind und somit immer den gleichen Ladestrom erhalten. Diese einfache Lösung ist nur akzeptabel, wenn die Akku aus der gleichen Charge stammen (also vom gleichen Typ und gleich alt sind) und immer zusammen (ebenfalls in Serie geschaltet) benutzt werden. Sonst wird nämlich der vollere Akku leicht überladen (was seine Lebensdauer verkürzt), während ein weniger voller nicht ganz geladen wird. Besser sind deswegen Ladegeräte mit Einzelzellenüberwachung (Einzelschachtüberwachung), bei denen jeder Akku einzeln überwacht, also seinem Zustand entsprechend geladen wird.

Was genau ist das Ladegerät?

Beispielsweise beim Laden von Elektroautos befindet sich Elektronik in einer Ladestation, im Fahrzeug und eventuell noch in einem Kästchen im Ladekabel. Damit stellt sich die Frage, was nun genau das Ladegerät ist. Es ist das Gerät, welches die entscheidenden Funktionen ausübt, insbesondere die Regelung des Ladestroms. Beim AC-Laden befindet sich das Ladegerät meist im Fahrzeug, beim DC-Laden jedoch in der Ladestation. Im letzteren Fall teilt die Fahrzeugelektronik dem Ladegerät in der Station vorher mit, welche Parameter zu beachten sind – etwa der momentane Ladezustand und die maximal erlaubte Ladestromstärke.

Saubere Kontakte sind wichtig

Es ist gerade bei elektronisch geregelten Ladegeräten wichtig, dass die elektrischen Kontakte zwischen Akku und Gerät sauber (also nicht verschmutzt oder korrodiert) und solide befestigt sind. Durch schlechte Kontakte können sonst nämlich zusätzliche Spannungsabfälle entstehen, welche die Ladeelektronik irritieren und so den Ladevorgang z. B. vorzeitig abbrechen können.

Energieeffizienz von Ladegeräten

Bei Ladegeräte für Kleinakkumulatoren sind die umgesetzten Energiemengen so gering, dass die Energieeffizienz des Ladevorgangs keine wesentliche Rolle spielt. Jedoch kann auch hier der Standby-Verbrauch von Ladegeräten eine Rolle spielen, die über lange Zeiten eingesteckt sind, etwa zum Zwecke der Erhaltungsladung (siehe oben).

Bei größeren Akkus, etwa zum Betrieb von Inselnetzen, Elektroautos, Gabelstaplern etc. geht es durchaus um nennenswerte Energiemengen, so dass das Ladegerät für eine hohe Energieeffizienz konstruiert werden sollte. Gute Ladegeräte erreichen Wirkungsgrade oberhalb von 90 %. Sie arbeiten nicht wie kleine Ladegeräte mit Längs-Transistoren, die quasi als regelbare Widerstände fungieren, sondern nach dem Prinzip von Schaltnetzteilen.

Kontaktloses Laden

In aller Regel müssen Akkus zum Laden via Kabel an das Ladegerät angeschlossen werden. Es gibt jedoch auch Möglichkeiten zum kontaktlosen (kabellosen) Laden, wobei die Energie induktiv (also mit einem magnetischen Wechselfeld) übertragen wird. Dies wäre z. B. interessant für das Laden der Batterien von Elektroautos an Stromtankstellen. Allerdings entstehen hierbei zusätzliche Energieverluste von rund 15 bis 20 %.

Siehe auch: Akkumulator, Batterie, Netzteil, Laden von Elektroautos, Schaltnetzteil