Schnelladen und Wartung von NiCd-Sinterzellen für Elektroantriebe

1. gasdicht
2. lagemunabhängig
3. schnell ladbar
4. kleiner Innenwiderstand
5. leicht (Flugmodelle)
6. preiswert
7. möglichst unempfindlich und unproblematisch in der Behandlung

Zellen mit diesen Eigenschaften werden derzeit von einigen Firmen (VARTA, General Electric, SAFT, Sanyo, Daimon u. a.) mit unterschiedlichen Firmenbezeichnungen in den Grössen 0,5 Ah, 0,75 Ah, 1,2 Ah und 1,8 Ah angeboten. Am meisten wird derzeit die 1,2-Ah-Zelle verwendet. Alle folgenden Betrachtungen sind deshalb auf diese Zelle bezogen. Mit entsprechenden Umrechnungsfaktoren gilt das Gesagte aber auch für die übrigen Zellen.

Zum besseren Verständnis des Folgenden seien hier die gebräuchlichsten Bezeichnungen und Abkürzungen beim Umgang mit NiCd-Zellen aufgeführt:

1. Spannung U, gemessen in Volt (V) oder in Millivolt (mV)
2. Strom I, gemessen in Ampere (A) oder in Milliampere (mA)
3. Widerstand R, gemessen in Ohm (Ω) oder in Milliohm (mΩ)
4. Leistung P, gemessen in Watt (W) oder in Milliwatt (mW)
5. Zellenkapazität, gemessen in Ampere-Stunden (Ah) oder in Milliampere-Stunden (mAh)

Diese Grössen sind durch folgende Beziehungen miteinander verknüpft:

1. Das Ohmsche Gesetz U = I · R
2. Das Leistungsgesetz P = U · I
3. Die Nennkapazität einer hundertprozentig geladenen Zelle ist diejenige Strommenge, die im Verlauf einer bestimmten Entladezeit entnommen werden kann. International hat man als Entladezeit für schnellladefähige Zellen eine Stunde festgelegt. In Europa benutzt man für schnellladefähige Zellen eine Entladezeit von fünf Stunden und für nicht-schnellladefähige Zellen zehn Stunden.
4. Lade- und Entladerate ist der Strom, der während einer bestimmten Zeit bei Ladung oder Entladung fliesst. Wegen der unterschiedlichen Definition der Nennkapazität unterscheidet man die C-Rate (intern.) und die I₅ - und I₁₀ -Rate. Die C-Rate ist der Stromwert in Ampere bei einstündiger Ladung oder Entladung und ist im Zahlenwert gleich der Nennkapazität der Zelle Ah, d.h. die C-Rate einer Zelle mit 1,2-Ah-Nennkapazität ist gleich 1,2 A. Diesen Strom kann man einer vollgeladenen, 1,2-Ah-Zelle eine Stunde lang entnehmen.

Die I₅ -Rate einer Zelle mit 1,2-Ah-Nennkapazität entspricht einem Strom von 0,24 A = 240 mA (= 1,2 A : 5). Diesen Strom kann man einer hundertprozentig geladenen Zelle fünf Stunden lang entnehmen.

Die I₁₀ -Rate einer 1,2-Ah-Zelle entspricht einem Strom von 0,12 A = 120 mA (1,2 A : 10). Diesen Strom kann man dieser Zelle zehn Stunden lang entnehmen. Die verschiedenen Lade- oder Entladeraten stehen durch folgende Verhältnisse in Beziehung:

1 C-Rate = 5.0 I₅ -Rate = 10 · I₁₀ -Rate
oder auch
I₁₀ = 0,1 C = 0,2 · I₅ und I₅ = 0,2 C = 2 · I₁₀

Alle Ladezeiten liegen aufgrund des Wirkungsgrads um 40% höher als die Entladezeiten. Man unterscheidet drei Ladearten:

Laden mit Laderate 0,2–0,3 C bzw. 2 · I₁₀ - 3 · I₁₀ . Diese Ladeströme verträgt die Zelle in der Regel dauernd, so dass die Ladezeit nicht exakt begrenzt werden muss, z.B. Ladung einer RSH 1,2 mit 0,2 C mit sieben oder mehr Stunden ist eine Normalladung.

Bei Ladeströmen über 0,3 C muss die Ladezeit entsprechend dem Ladestrom begrenzt werden. Es ist erforderlich, beschleunigte Ladungen mit einer Schaltuhr zu überwachen. Eine Ladung mit 0,5 C entspricht einem Ladestrom von 0,6 A. Die Ladezeit in Stunden ist dann gleich (1,4 : Laderate in C), d.h. im vorliegenden Fall 1,4 : 0,5 = 2,8 Stunden.

Von Schnellladung spricht man im allgemeinen bei Ladezeiten unter einer Stunde. Am gebräuchlichsten ist die 1/2-Stunden-Ladung. Dabei wird die Zelle (Akku) bis auf 0,9–1,0 V/Zelle entladen. Es erfolgt dann die Schnellladung über ein geeignetes Widerstandskabel eine halbe Stunde lang mit 2 C. Bei einer 1,2-Ah-Zelle bedeutet das einen Ladestrom von 2,4 A, der aus einer geeigneten Stromquelle, meistens einem Fahrzeugakku, gewonnen wird. Die Begrenzung der Ladung muss exakt nach einer halben Stunde erfolgen, da sonst bleibende Schädigungen der Zellen befürchtet werden müssen. Es gibt inzwischen automatische Ladegeräte, die dem Amateur die Mühe der Vorentladung und der Zeitkontrolle abnehmen.

Nach 5 bis 10 Schnellladungen eines Akku sollte man eine Normalladung mit 0,2 bis 0,3 C, etwa fünf bis sieben Stunden lang, einfügen. Vor der Benutzung des Akkus dann zwei bis fünf Minuten lang mit 2 C nachladen.

Wenn zwischen der Schnellladung und dem Gebrauch mehr als eine halbe Stunde liegt, dann nochmals zwei bis vier Minuten lang mit 2 C nachladen; man verfährt bei automatisch schnellgeladenen Akkus gleichermaßen.

Tief entladene Akkus müssen sofort wieder aufgeladen werden! Werden sie nicht gleich wieder benutzt, dann genügt eine Ladung von einigen Minuten, um die Zellen wieder auf normale Spannung zu bringen.

Heisse Akkus nicht sofort wieder aufladen, sondern erst bis auf Handwärme abkühlen lassen!

Für ein reibungsloses Laden ist Voraussetzung, dass alle Zellen im Akku gleichwertig sind. Zellen verschiedener Hersteller nicht zusammenschalten! Geladene und ungeladene Zellen nicht zusammen schnellladen.

Störung
1. Eine einzelne Zelle wird heiss:
2. Akku nimmt keinen Strom auf:
3. Akku lässt sich laden, hält aber unter Last die Spannung nicht:

Ursache bzw. Abhilfe
Zelle defekt! Auswechseln.
Unterbrechung in der Verdrahtung, schlechte Steckverbindung oder ähnliches. Einzelzellen prüfen! Verdrahtung prüfen!

Leere Zellen oder leeren Akku an Schnellddeeinrichtung anschliessen und sofort die Spannung an jeder einzelnen Zelle messen. Gute Zellen haben dabei eine Spannung von ca. 1,2-1,4 V bei Beginn der Schnellladung. Wird dabei 1,6 V oder mehr angezeigt, dann ist die Zelle für Hochstrombetrieb nicht mehr brauchbar! Diese Prüfung sollte man von Zeit zu Zeit wiederholen.

In fast allen Fällen ist die Kapazität des eingebauten Akkus gross genug, um ohne Schwierigkeiten den Bordakku im Modell fünf- bis zehnmal laden zu können, sofern der Fahrzeugakku in Ordnung ist. Es empfiehlt sich, den Autoakku laufend zu warten, um keine unangenehmen Überraschungen zu erleben.

Der Fahrzeugakku sollte ohne Belastung ca. 12,5 bis 13 V Spannung haben; die Spannung darf bei Belastung durch ein Schnellladegerät nicht unter 12 V sinken, sonst wäre das Starten des Fahrzeugs in Frage gestellt. Ihr Fahrzeugelektriker stellt Ihren Regler im Auto auf den optimalen Wert ein; das kostet ein paar Minuten und spart stundenlangen Ärger bei leerem Akku.

Betrachten wir zunächst die Belastungsmöglichkeiten einer NiCd-Sinterzelle RSH 1,2. Aus Kurvenblatt 1 geht hervor, dass man diese Zellen wie folgt belasten kann:

Aus diesen willkürlich herausgegriffenen Werten ist deutlich ersichtlich, dass die Kapazität mit zunehmendem Strom immer kleiner wird, d. h. je höher die Strombelastung, um so kürzer die relative Betriebszeit.
Betrachtet man weiterhin die Spannung, die die Zelle unter den obigen Strömen hat (Kurvenblatt 2), so erkennt man, dass auch die nutzbare Spannung mit zunehmender Last abnimmt.
Aus Kurvenblatt 3 entnehmen wir schliesslich die Spannungslage der Zelle in Abhängigkeit von der Temperatur. Mit zunehmender Temperatur wird die Spannung niedriger, und zwar im Mittel um -4 mV/°C .
Das sind die wichtigsten Kennwerte einer Zelle. Daraus lassen sich nun die möglichen Betriebsdaten entnehmen.
Der Strom, den eine Zelle abgeben kann, ist theoretisch nur durch ihren Innenwiderstand begrenzt. Das bedeutet, dass ein Kurzschluss einer geladenen Zelle oder eines Akkus beträchtliche Folgen haben kann. Praktisch wird man jedoch so hohe Ströme tunlichst vermeiden, denn die Zelle erwärmt sich sehr schnell, was zu einer schlechten Spannungslage und Kapazitätsausbeute und bei Temperaturen über 60°C sogar zur Zerstörung führt.
Wie aus Kurvenblatt 1 ersichtlich, kann man Ströme bis zu 12 A ununterbrochen bis zur Entladung der Zelle entnehmen. Für höhere Ströme ist wegen der Erwärmung nur noch Betrieb mit Pausen möglich.
Wir wissen jetzt, dass man die Stromentnahme einer Zelle nur auf Kosten der nutzbaren Kapazität steigern kann. Wer das nicht in Kauf nehmen will, muss zur Leistungssteigerung die Spannung erhöhen, d. h. mehr Zellen pro Akku einsetzen.

Nehmen wir an, dass ein Elektroantrieb neun Minuten lang betriebsfähig sein soll und dass eine elektrische Leistung (Akkuleistung) von 120 W zur Verfügung steht.

Kurvenblatt 1 entnehmen wir, dass der mittlere Strom dann 6 A sein darf. Die nutzbare (entnehmbare) Kapazität liegt bei 0,9 Ah. Für einen Strom von 6 A und bei einer vorhandenen Leistung von 120 W benötigen wir eine Spannung von 120 : 6 = 20 V . Kurvenblatt 2 entnehmen wir die Spannung einer Zelle bei 6 A zu 1,17 Volt.

Daraus ergibt sich eine Zellenzahl von 20 : 1,17 = 17 Zellen.

Es steht ein Motor zur Verfügung, der eine Eingangsleistung von 150 W bei einer Motorspannung von 10 V benötigt. Wieviel Zellen werden benötigt und wie lange läuft der Motor mit diesen Zellen? Aus Leistung und Motorspannung ermittelt man den notwendigen Motorstrom zu 150 W : 10 V = 15 A . Auf Tabelle 1 findet man die Laufzeit von etwa 3,2 Minuten. Da sich diese Zeit bereits ausserhalb des Dauerlaufbereichs befindet, ist ein ununterbrochener Betrieb nicht zulässig.

Kurvenblatt 2 entnehmen wir für einen Laststrom von 15 A eine Zellenspannung von 1,05 Volt. Um die Motorspannung von 10 V zu erreichen, benötigen wir also 10 : 1,05 = 10 Zellen.

Zum Schluss sei noch darauf hingewiesen, dass zur Beschäftigung mit Elektroantrieben einige Voraussetzungen notwendig sind. So wie zum Verbrennungsmotor eine Startbatterie und eine Tankeinrichtung gehören, braucht man bei Elektroantrieben ein Voltmeter. Es sollte einen Bereich von 3–5 V haben sowie weitere Bereiche bis ca. 30 V. Weiterhin sollte es einen Widerstandsbereich für Durchgangsprüfungen haben und ausserdem die Möglichkeit, Drehzahlen zu messen. Zur Vervollständigung der Ausrüstung benötigt man noch eine Stoppuhr.
Strommessungen erfolgen am besten indirekt mit der Stoppuhr und mit Hilfe des Kurvenblatts 1.
Achtung: Vorsicht bei Standmessungen! Gut angepasste Antriebe vertragen keinen Standbetrieb, da die Stromaufnahme viel höher ist als im Normalbetrieb.
Wer nicht die einfachsten Regeln der Elektrotechnik kennt oder nicht bereit ist, sich diese anzueignen, dem sollte besser abgeraten werden, sich mit Elektroantrieben zu befassen. Alle anderen Modellbauer haben bestimmt viel Freude an ihrem Elektroantrieb der neuen Generation und werden bald feststellen, dass der Elektroantrieb, trotz seiner Nachteile dem Verbrennungsmotor gegenüber, einige wesentliche Vorteile hat, wie z. B. keine Aufwerfprobleme, keine schmutzigen Modelle; der Elektroantrieb ist jederzeit abzustellen und wieder anzustellen, es gibt keine Erschütterungen, keinen Geruch und er macht nur ein minimales Geräusch. Es wäre jedoch falsch zu glauben, der Elektroantrieb könnte den VB-Motor in absehbarer Zeit verdrängen. Der Elektroantrieb hat sich jedoch seinen Platz im Modellbau erkämpft und wird ihn auch halten.

Die in Entwicklung befindlichen neuen Technologien werden das Leistungsgegewicht von wiederaufladbaren Zellen verringern. Ob und wann das für uns zum Tragen kommt, lässt sich heute noch nicht sagen. Gewaltige Anstrengungen werden zurzeit von der Fahrzeugindustrie in Richtung Elektroauto unternommen. Führen diese zum Ziel, dann wird der Modellbau daran teilhaben.