NiMH-Akkus und CCS-Ladeverfahren

NiMH-Akkus, 9V 250mAh

Lade-/Entladezyklen mit 250/100mA

Camelion, 4,99 Euro (bei ebay)
1. 190 mAh
2. 242 mAh

Conrad, 9,95 Euro
1. 117 mAh
2. 133 mAh
3. 158 mAh

Geladen wurden die Akkus mit 250mA nach dem CCS-Ladeverfahren (dazu weiter unten mehr). Enladen wurden sie mit konstantem Strom von 100mA mit Abschaltung bei 75% der Zellenspannung zu Beginn der Entladung. Angegeben ist jeweils der Wert für die Ladekapazität, da die Werte für Ladung und Entladung sich nach meiner Beobachtung nur um +-5% unterscheiden - ein Zeichen dafür, dass das CCS-Ladeverfahren (wie in den Datenblättern angegeben) die Akkus tatsächlich recht genau auf 100% aufläd und nicht überläd.

Selbst nach dem 3. Lade-/Entladezyklus hatte der Conrad-Akku noch deutlich geringere Kapazität.

Nachtrag Januar 2007
nach ca. 1 1/2 Jahren und geschätzten weiteren 30 Ladezyklen unter gleichen Bedingungen:

Camelion: 265mAh
Conrad: 175mAh

M.E. ist es nicht möglich, dass der Conrad-Akku tatsächlich seine Nennkapazität erreicht, auch wenn er entsprechend Aufdruck 12-15 Stunden mit 25mA geladen würde. Doch das werde ich nicht testen, denn mein Vertrauen zum CCS-Verfahren wurde auch durch vorstehendes Ergebnisse (>30 Ladezyklen und kein Nachlassen der Kapazität) weiter betätigt. Für die o.a. (leeren) Batterien ergeben sich Ladezeiten von ca. 64 bzw. 42 Minuten. Bei 14-stündiger Normalladung  wäre der Conrad-Akku  sicher überladen und - wenn auch nur geringfügig - geschädigt worden. Dafür spricht auch Folgendes:

Bei Conrad hatte ich auch 4 NiMH-Akkus der Größe D (Mono) bestellt, ange-
geben war die Kapazität mit 5Ah, gemäß Aufdruck sollten sie aber 8000mAh haben. Diese
schnelladefähigen Zellen habe ich mit 3A geladen und musste nach 90 Minuten feststellen,
dass die Zellen schon heiß waren, die heißeste hatte 40°C, die anderen wenig darunter. Das
ist ein Zeichen dafür, dass die Zellen schon überladen waren. Nach Abkühlung wurden
die Zellen mit 2,5A entladen. Es ergab sich eine entnehmbare Kapazität von 3,68Ah.

Danach wurden die Zellen mit dem CCS-Gerät und 1A (leider gibt das nicht mehr her) ge-
laden. Die Ladekapazität betrug 4,72Ah.

Wenn man diese Zellen entsprechend Aufdruck 12-15 Stunden mit 800 mA geladen hätte,
wären sie sicher überladen und geschädigt worden. Dafür spricht sowohl die Erhitzung nach
der o.a. geladenen Kapazität von 1,5h * 3A = 4,5Ah als auch die etwa entsprechende Be-
endigung des Ladens durch das CCS-Gerät bei 4,72Ah.


Das CCS-Ladeverfahren

Hier also meine Brettschaltung des CCS-Ladegerätes. Es basiert auf dem CCS-Lademodul, der bei Conrad für ca.50,- Euro erhältlich ist. Infos gibt es bei http://www.bticcs.com.

Geladen wird gerade einer meiner beiden uralten 9V-Blockakkus (90 mAh, mehr als 30 Jahre alt!). Ich hatte Bedenken, diese "Schätzchen" dem Stress einer Schnelladung mit 80mA auszusetzen, zumal das CCS-Ladegerät zuvor bei vier meiner inzwischen vierzehn 9V-Blockakkus bei diesem Ladestrom einen Fehler "Akku defekt" gemeldet hatte. Aber beide Uralt-Akkus haben die Prozedur gut (d.h. ohne merkliche Erwärmung) überstanden, das CCS-Gerät meldete "Akku voll". Allerdings betrug die eingeladene Kapazität nur knapp 20% der ursprünglichen 90mAh.

Die beobachtete Ladekapazität von älteren Akkus ist gut reproduzierbar, es zeigten sich Unterschiede von <4%. Bei neuen Akkus steigt die Ladekapazität bei den ersten Zyklen noch mehr oder weniger an.

Im übrigen hat das Gerät keinen einzigen Akku beim Laden gehimmelt. Die maximale beobachtete Erwärmung eines Akkus betrug 39°C, es handelte sich dabei um vier Rundzellen, ausgebaut aus einem defekten 9V-Block mit 140mAh (FIFF von Aldi), die mit 0,5A (!) geladen wurden. Nach der "Akku voll"-Meldung und Abkühlung ergab sich bei Entladung mit 100mA eine Kapazität von 130 mAh.

Eine Macke hat mein CCS-Ladegerät: Wenn höhere Akkuspannungen bzw. kleinere Ladeströme eingestellt werden, wird das An- und Abklemmen der Akkus nicht erkannt. Ich habe bei o.a. 9V-Blocks das Gerät daher jeweils kurz vor dem Anklemmen des Akkus einschaltet. Das Ende des Ladevorgangs ist aber eindeutig erkennbar: Die Ladelampe erlischt (Akku voll) bzw. blinkt (Akku defekt) und der Buzzer hört auf zu ticken.

29.04.2005

Nachtrag 23.07.2005

Die o.a. 4 NiMH-Akkus der Größe D (Mono) von Conrad hatten nach 2 bis 5 individuellen Ladezyklen Ladeapazitäten zwischen 6,3Ah und 8,0Ah. erreicht. Die Unterschiede zwischen den einzelnen Zellen sind geringer geworden als bei der Erstladung. Bei Schnellladegeräten mit Delta-Peak-Abschaltung können diese Unterschiede aber für die schwächste (d.h. kapazitätsärmste) Zelle zerstörerisch sein, falls mehrere Zellen in Reihenschaltung geladen werden:

Die Prozentzahlen beziehen sich auf die geladene Kapazität der schwächeren (magenta Kurve) von zwei Zellen, die hier nur 80% der besseren  (blaue Kurve) hat. Die gelbe Summenkurve zeigt die Summenspannung/2 beider Zellen. Delta-Peak-Ladegeräte beenden die Ladung kurz nach Abfall der Summenspannung, hier wäre der schwächere Akku bereits mit ca .160% seine Kapazität geladen - also deutlich überladen und geschädigt.

Beim z.T. üblichen Entladen vor dem Laden der Batterien , die aus in Reihe  geschalteten Zellen bestehen, besteht die Gefahr, dass die schwächste Zelle umgepolt und wiederum geschädigt wird. Besser ist es m.E. deshalb, nach der Schnellladephase eine Nivellierungsphase anschließen, bei der mit geringem Strom (z.B. C/30) noch mehrere Stunden nachgeladen wird. Dadurch liegen die Peeks aller  Zellen beim nächsten Laden dann zeilich besser beieinander. Noch besser ist es - sofern möglich, - zunächst auch diese Zellen einzelnd zu laden.

So eine Nivellierungsphase solltem.E. bei neuen Akkupacks 2 bis 3mal angewandt werden (einigermaßen gleiche Kapazitäten der neuen Akkus vorausgesetzt, was aber offenbar bei den oben genannten 4 NiMH-Akkus der Größe D nicht der Fall war!). Später genügt es, schätzungsweise so eine Phase jeweils nach 8 bis 12 Wochen einzufügen. Alternativ kämen auch Normalladungen mit C/10 und 14 Stunden in Betracht, allerdings habe ich mit diesem Ladeverfahren bei 9V-Blockakkus schon etliche Ausfälle erlebt, s. hier. Vermutlich trat hierbei schon - wie eingangs beschreiben - eine Schädigung einzelner Zellen durch Überladung bereits bei der ersten Ladung auf; ich dieses Verfahren nicht empfehlen.

Nachtrag 09.11.2005

Zwischenzeitlich habe ich ein weiteres Akku-Ladegerät mit CCS-Lademodul gebaut, das mit höheren Strömen lädt. Nunmehr lade ich alle meine NiCd- und NiMH-Akkus mit diesem Gerät, und zwar Zellen der Größe AAA (Micro) mit 2A und der Größe AA (Mignon) und größere mit 4A*). Bisher gab es dabei keine Probleme. Natürlich erwärmen sich die Zellen - bedingt durch die Verlustleistung am inneren Widerstand (P=I*I*Ri) - dabei stärker als beim Laden mit geringeren Strömen, aber bisher blieb die Temperatur zumeist unter 40°C.  Auch müssen dabei die Zellen bei Beginn der Ladung kalt (Raumtemperatur) sein. Es zeigt sich, dass der maximal applizierbare Ladestrom durch den inneren Widerstand der Zellen begrenzt wird:  Der Ladestrom sollte so gewählt werden, dass die Temperatur der Zellen 45°C - wie in den Applikationen einiger Hersteller genannt -  keinesfalls überschreitet!

Z.T. ließen sich sogar einige meiner Zellen mit höherem Storm sauber laden, die beim Laden mit geringerem Strom Fehlermeldungen brachten. Beim Laden von Akku-Packs sollte aber u.a. Nachtrag vom 23.07.2005 Beitrag berücksichtigt werden.

*) Ich bin von diesem Ultraschnelladen wieder abgekommen: Je öfter man es bei einer Zelle anwendet, desto früher beendet das CCS-Ladegerät das Laden und meldet "Zelle voll". Es scheint so, als ob die Akkuzellen ein Gedächtnis hätten: Nach einigen Lade- Entlade-Zyklen beträgt die eingeladene Kapazität nur noch <30% der Nennkapazität! NiMH-Zellen sind in dieser Beziehung empfindlicher als NiCd-Zellen. Dieser Effekt ist jedoch reversibel: Beim Laden mit geringeren Strömen steigt die eingeladene Kapazität wieder an. Ich schätze, dass dieser Gedächtnis-Effekt bei Ladeströmen > 1,5C/h auftritt.


Nachtrag März 2006

Nach mehrmaligem erfolgreichem Laden zweier NiCd-
Knopfzellen  (45mAh) mit 80mA mit dem CCS-Lader
ist festzuhalten, dass dieses Ladeverfahren auch
hierbei funktioniert. Die Ladezeiten betrugen
jeweils ca. 30 Minuten.


Ergänzung 03.04.07

Plötzlich ist ein Akku 18V, 1,5Ah da und will auch geladen werden. Was tun? O.a. CCS-Lader kann maximal 10 Zellen à 1,2V, also nur Akkus bis 12V laden.

Hier meine Lösung:


Und es funktioniert! Wichtig ist, dass das Netzgerät einen potentialfreien Ausgang hat, also keine Verbindung der Ausgangsklemmen zum Schutzleiter o.ä..

Nachtrag Dezember 2007

Ach was kann man doch von dem bösen
CCS-Verfahren alles hören und auch lesen -
doch wer das nicht richtig bedienen kann,
ist für mich kein glaubwürdiger Mann!

Einer hat in seiner Diplomarbeit gemessen und dabei festgestellt, dass CCS nach dem dU-Prinzip arbeitet.
Ein anderer ist überzeugt, dass das Verfahren Schrott ist, weil es eine Batterie mit unterschiedlich geladenen Zellen
nicht richtig auflädt.

Ich lasse das hier mal unkommentiert und zeige dazu nur drei Ladekurven. (Die Stufigkeit der Kurven rührt von der 8-Bit-A/D-Wandlung.) Geladen wurden drei identisch teilentladene Zellen von 2Ah mit 2A.


Y-Achse: Spannung in mV
X-Achse: Zeit in 10sec-Intervallen

Die Zellenzahl war auf "3" anstelle von "1" gestellt.
Die Ladung endete mit einer Fehlermeldung.
Bei dU wäre die Ladung nach 990sec beendet.
Y-Achse: Spannung in mV
X-Achse: Zeit in 10sec-Intervallen

Hier war die Zellenzahl richtig auf "1" gestellt.
Die Ladung wurde nach 810sec normal beendet.
Y-Achse: Spannung in mV
X-Achse: Zeit in 10sec-Intervallen

Hier war die Zellenzahl richtig auf "1" gestellt.
Die Ladung wurde nach 810sec normal beendet.


Mögliche Nebenwirkungen und Risiken:

Neben dem schon erwähnten merkwürdigen Gedächtniseffekt:

- Nach einigen sehr schnellen Lade- Entlade-Zyklen beträgt die eingeladene Kapazität nur noch <30% der Nennkapazität! NiMH-Zellen sind in dieser Beziehung deutlich empfindlicher als NiCd-Zellen. Dieser Effekt ist jedoch reversibel: Beim Laden mit geringeren Strömen steigt die eingeladene Kapazität wieder an. Ich schätze, dass dieser Gedächtnis-Effekt bei Ladeströmen  > 1,5C/h auftritt.

- ist noch anzumerken, dass eine Tiefentladung bei vorher mit dem CCS-Verfahren schnell geladenen Zellen - auch bei Liegenlassen durch Selbstentladung - möglicherweise zu Totalausfall der Zellen führen kann. Beobachtet habe ich das bei zwei 9V-Blöcken. Der eine lag ca. 5 Monate nur rum, der andere war währenddessen in einem Messgerät eingesetzt; zum Zeitpunkt, als letzteres dann LOW BAT zeigte, waren beide hin. *)

- außerdem hat mein "Akkutrainer AT3" (Voltkraft von Conrad) zwei von ca. 30 vorher mehrfach nach dem CCS-Verfahren geladenen Zellen  mit >100% überladen, also das Voll-Kriterium bei diesen Zellen nicht erkannt. Das Gerät zeigt die eingeladene Kapazität allerding nur in Prozent. Die Anzeige nach der Ladung von vier gleichen Zellen sah etwa so aus: 27%, 26% 100%, 27%. *)

- kann es passieren, dass bei tief entladenen Zellen (z.B. durch Selbstentladung, falls Zellen etliche Monate gelegen haben) bereits nach kurzer Ladezeit "Akku voll" signalisiert wird. In diesen Fällen einfach das Laden erneut starten.

*) allerdings ist die Zahl der von mir beobachteten Fälle zu gering, um definitiv einen Zusammenhang mit dem CCS-Verfahren zu prognostizieren.

Allgemein kann man sagen, dass das CCS-Ladeverfahren im Gegensatz zu anderen Ladeverfahren eher dazu neigt, die Ladung zu früh abzubrechen; dadurch wird eine Überladung sicher vermieden und auch prinzipiell nicht schnellladefähige Zellen (z.B. Knopfzellen) können schnell geladen werden.

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