Akkus laden in Rekordzeit - Akkuladertest
Grundlagen
GPS-Geräte sind notorische Batteriefresser, da man diese sehr lange in Betrieb hat und obwohl die neueren Geräte immer weniger Strom brauchen kostet ein Wochenende beim Wandern schnell mindestens einen Satz Batterien. Andererseits sind viele neue Elektrogeräte (darunter auch GPS) heute auf die geringere Spannung von Akkumulatoren vorbereitet und haben häufig sogar eine Einstellmöglichkeit für diesen Batterietyp.
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Mit immer höher werdenen Kapazitäten werden Akkus für den Betrieb immer interessanter. Aber diese Akkus wollen auch wieder geladen werden. Aufgrund vieler Vorteile der neueren Nickel-Metallhydrid (NiMH) Akkus gegenüber den alten Nickel-Cadmium (NiCd) Akkus dominieren erstere mittlerweile den Markt. Hohe Kapazitäten und der praktisch nicht vorhandene Memory-Effekt sind neben der Vermeidung des giftigen Cadmium die Hauptvorteile. So werden mittlerweile mit hochwertigen Akkus hoher Kapazität bei vielen Geräten längere Laufzeiten erreicht als mit Alkaline-Batterien. Akkus geben ihre Stromkapazität fast vollständig bis zum Erreichen der üblichen Abschaltspannungen der Geräte ( ca. 1 V pro Zelle) ab. Batterien hingegen verfügen zwar über nominal mehr Kapazität, vieles davon jedoch unterhalb von 1 V Spannung. Oberhalb von 1 V geben die meisten auf dem Markt befindlichen Batterien jedoch selten über 2000 mAh ab.
Der Nachteil der geringen Hochstromfestigkeit von NiMH ist für viele Kleingeräte nicht relevant, das betrifft nur die Modellbauer mit Elektromotoren. Der gravierendste Nachteil ist die hohe Selbstentladungsrate der Akkus. Diese sind bei Lagerung relativ schnell (innerhalb von Wochen) leer, während Batterien auch nach Jahren noch fast die volle Kapazität behalten. Und: Die NiMH-Akkus sind nicht ganz so leicht zu laden, da sie gegen Überladung relativ empfindlich sind, womit sich auch die Motivation für diesen Test erklärt.
Von "dummen" ganz billigen Ladegeräten ohne Elektronik und automatischer Abschaltung für €5 sollte man bei NiMH-Akkus gänzlich absehen, da die Gefahr sehr groß ist, dass die Akkus jedesmal überladen werden und die Lebensdauer dann extrem kurz ausfällt. Die Akkus dürfen bei diesen Geräten nach Abschluss des Ladevorgangs nicht im Gerät verbleiben. Wann dieser Abschluss ist, muss der Benutzer jedoch selbst wissen. Wer hier spart sollte besser gleich Batterien verwenden, da die teuren Akkus dann ihr Geld nicht Wert sind.
Bessere Ladegeräte haben meist eine Delta-V Abschaltung und/oder eine Temperaturüberwachung der einzelnen Akkus. Häufig findet man noch Funktionen zum Entladen von Akkus, was sich speziell bei Verwendung von NiCd empfiehlt, um den Memory-Effekt zu vermeiden oder spezielle "Ladeprogramme", die die Akkus wieder "auffrischen" sollen. Dabei wird meist der Akku solange entladen und geladen, bis keine Zunahme der Kapazität mehr festgestellt wird. Dies dient zur "Beseitigung" eines bereits bestehenden Memory-Effekts.
Die Delta-V Abschaltung macht sich einen Effekt zu nutze, der sowohl bei NiCd als auch NiMH-Akkus auftritt, bei letzteren jedoch weniger stark ausgeprägt ist, was die Ansprüche an das Ladegerät erhöht. Wenn die Akkus mit konstantem Strom geladen werden, steigt die Ladespannung bei Ladeschluss an und fällt kurz darauf wieder ab. Dieses Verhalten wird vom Ladegerät erkannt und das Laden wird nach Erreichen des Spannungsmaximums automatisch beendet bzw. es wird auf Erhaltungsladung umgeschaltet. Diese Erhaltungsladung ist nicht unbedingt grundsätzlich empfehlenswert, wenn man die maximale Lebensdauer der Akkus erreichen will, bei der hohen Selbstendladung von NiMH-Akkus jedoch eine verträgliche Alternative zum wieder leer werden lassen des Akkus nach Ladeschluss. Bei den modernen Ladegeräten ist die Erhaltungsladung so schonend, dass der Vorteil des nicht wieder Leerwerdens der Akkus überwiegt. Es wird von Ansmann und Conrad angegeben, dass die Akkus nach dem Laden im Gerät verbleiben können, was bei der schnellen Selbstentladung der NiMH nicht verwunderlich ist.
Die getesteten Ladegeräte
Für den Test standen zwei Ladegeräte des mittleren Preissegments zur Verfügung, die einerseits sehr ähnlich und doch sehr unterschiedlich sind.
Conrad LADEGERÄT AKKU-TRAINER AT-3
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Das Ladegerät von Conrad (Artikel-Nr.: 512052 - 13) für €70
erlaubt das Laden von gleichzeitig bis zu vier Mignon (AAA) und Micro-Zellen
(AAA). Im Lieferumfang sind jedoch keine Akkus enthalten.
Das Gerät wird mit einem Steckernetzteil mit Weitbereichsspannung
oder per Zigarettenanzünder-Stecker betrieben. Dadurch ist es möglich,
das Gerät auf der ganzen Welt an 110-240 V oder 12 V zu betreiben.
Das Ladegerät besitzt neben der einfachen Ladefunktion noch eine Funktion zum "Recycling" von Akkus. Dabei werden die Akkus solange entladen und wieder geladen bis kein Anstieg der Kapazität mehr gemessen wird. Diese Funktion dient zum Regenerieren von NiCd-Akkus die bereits einen Memory-Effekt zeigen.
Weiterhin bietet das Gerät die Möglichkeit, die Akkus vor dem Laden zunächst zu entladen. Auch dies ist besonders bei NiCd-Akkus zu empfehlen, da sie sonst bald den gefürchteten Memory-Effekt zeigen. Der Memory-Effekt tritt vor allem bei NiCd-Akkus auf, wenn die Akkus häufig vor dem Laden nur teilweise entladen werden und führen zu einer verminderten Kapazität bzw. können die Akkus den gespeicherten Strom nur sehr langsam wieder abgeben. Im Betrieb scheinen die Akkus bereits nach kürzester Zeit leer zu sein. Mehr zu diesem Thema findet man z.B. hier.
Werden Akkus entladen, so kann man sich nach dem Entladen die Kapazität der einzelnen Akkus in Ah im Display anzeigen lassen.
Alle diese Funktionen lassen sich für jeden einzelnen Akku-Schacht getrennt auswählen. Das Gerät zeigt auf einer LCD-Anzeige für jeden Akku-Schacht den aktuellen Betriebsstatus an. Nach Abschluss des Ladevorgangs wird die Kapazität der einzelnen Akkus relativ zueinander angezeigt. Dies soll ein Erkennen von geschädigten oder schwachen Akkus ermöglichen, ist aber mit Vorsicht zu geniessen, da hierzu alle Akkus die gleiche Nennkapazität und den gleichen Entladezustand zu Beginn des Ladens haben müssen, sonst lassen sich keine Aussagen machen. Man sollte, wenn man diesen Zahlen Informationen abgewinnen will, die Akkus vorher mit der Entladefunktion völlig entladen lassen.
Das Ladegerät verfügt über eine Erkennung für defekte Akkus, die sehr empfindlich anspricht. So hat sie Akkus als defekt erkannt und zunächst das Laden dieser verweigert, die nach kurzem Laden in einem "dummen" Ladegerät dann doch erkannt und geladen. Die Akkus waren zwar geschädigt und hatten etwa 25 % ihrer Kapazität verloren, aber sie haben noch funktioniert.
Das Gerät lädt mit einem maximalen Strom von 1300 mA und bietet eine "Peak-Voltage-Detection", schaltet also beim Erreichen der maximalen Ladespannung ab.
Ansmann Digispeed 4
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Das Ansmann Ladegerät kostet ca. €80 und erlaubt ebenfalls das Laden von gleichzeitig bis zu vier Akkus des Typs AA oder AAA. Es ist im Elektrofachhandel oder Versand weitverbreitet erhältlich und im Paket sind vier Akkus Typ AA mit einer Kapazität von 2200 mAh enthalten.
Das getestete Digispeed 4 wurde mir von 
zur Verfügung gestellt. Hierfür ganz herzlichen Dank.
Es kann ebenfalls über das angenehm kleine Steckernetzgerät mit (allerdings nur) 230 v oder über den Zigarettenanzünder-Stecker betrieben werden. Auch hier steht einem Betrieb unterwegs im Auto oder auf einem Boot nichts im Wege. Es gibt an der Vorderseite einen Schalter mit dem zwischen NiCd und NiMH-Akkus gewählt werden kann. Der Unterschied liegt dabei im Ladestrom, den das Gerät beim Laden anwendet. Weitere Knöpfe und Funktionen hat das Gerät nicht. Es können also die Akkus vor dem Laden nicht zunächst vollständig entladen werden, was das Gerät eigentlich ausschliesslich für NiMH-Akkus empfehlenswert macht. Das Gerät verfügt über je eine LED pro Ladeschacht, die während des Ladens rot, nach Abschluss des Ladens grün leuchtet und bei einem Fehler (z.B. defekter Akku) rot blinkt.
Das wirklich Besondere an diesem Ladegerät ist, dass es Mignon (AA) Akkus mit 2200 mAh in nur 90 Minuten lädt, "kleinere" Akkus entsprechend schneller. Um die dabei auftretende starke Erwärmung der Akkus im Griff zu halten verfügt der Lader über einen kleinen Lüfter, der die Akkus während des Ladens sporadisch mit Luft kühlt. Diese zwar etwas geräuschvolle aber effiziente Kühlmethode hält die Akkus auf Oberflächentemperaturen von maximalen und verträglichen 40 °C während sie mit bis zu 1750 mA geladen werden.
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Diese hohen Ströme bekommen möglicherweise nicht allen Akkus gut. Während z.B. HAMA 2200 mAh Akkus ein Schnellladen mit maximal 1800 mA zulassen, sind bei GP 1800 mAh Akkus beispielsweise nur 450 mA zugelassen. Auf Energizer 1100 mAh steht keine Angabe zum Schnelladen. In der Praxis wurden bei kurzen Versuchen mit den GP-Akkus keine Probleme bemerkt, eine langfristige Schädigung ist nicht auszuschliessen. Dieses "Problem" betrifft jedoch auch das Conrad-Ladegerät, da die dort verwendeten 1350 mA ebenfalls deutlich über den empfohlenen 450 mA liegen.
Der Test
Der Test der Akkuladegeräte gestaltete sich schwieriger als zunächst gedacht. Die Ausstattung und Funktionen der Geräte lässt sich leicht ausprobieren und beschreiben. Und die Zeit, die das Gerät zum Laden der Akkus benötigt ist auch leicht zu messen. Aber wie steht es mit der "Qualität" der Ladung. Worauf muss geachtet werden, worauf kommt es an? Und wie überprüfe ich, wie gut die Akkus geladen wurden? Erkennt man Veränderungen nach einigen Ladezyklen?
Zunächst war geplant, durch einen einfachen Widerstand als Last die Akkus leerlaufen zu lassen. Schnell hat sich jedoch dabei herausgestellt, dass schon ein geringfügig unterschiedlich guter Kontakt im Batteriehalter einen Einfluss auf die "Laufzeit" des Aufbaus hat. Ausserdem werden bei dieser Versuchsanordnung die Akkus tiefentladen, was ihnen zwar angeblich nicht schadet, jedoch nicht realitätsnah ist, da z.B. die GPS-Geräte bei unterschreiten von 2 V abschalten und die Akkus nicht weiter entladen werden.
Ideal wäre gewesen, die Stromstärke beim Entladen zu messen, da diese zusammen mit der Zeit direkte Rückschlüsse auf die nutzbare Kapazität der Akkus hätte. Da jedoch mein Multimeter beim Messen der Stromstärke selbst mehr Strom zum Messen verbraucht hat als das Gerät, habe ich mich entschlossen, lediglich den Spannungsverlauf zu messen. Der verwendete Multimeter (Conrad Voltcraft DMM 350E) hat eine serielle Schnittstelle, so dass die gemessene Spannung automatisch einmal pro Minute im PC gespeichert werden konnte.
Als Akkus zum Test wurden die beim Digispeed mitgelieferten Akkus verwendet. Durch die zahlreichen Vorversuche und GPS-Ausflüge hatten die Akkus zu Testbeginn mindestens zehn Ladezyklen hinter sich und sollten etwa ihre maximale Kapazität erreicht haben. Vor Versuchsbeginn wurden die Akkus mit beiden Ladegeräten hintereinander geladen und von beiden Geräten als "voll" beurteilt.
Laden mit Ansmann Digispeed 4
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Als Versuchsaufbau zum Entladen diente schlussendlich ein Garmin etrex (gelb) im Normalmodus der im Innenraum ohne Satellitenempfang betrieben wurde. Die Spannung der Akkus wurde alle 60 Sekunden gemessen. Die Entladezyklen wurden jeweils am Abend gestartet und waren nach ca. 16 Stunden beendet. Am folgenden Abend wurden die Akkus wieder geladen was ca. 80 - 90 Minuten dauert und ein erneutes Entladen gestartet.
Das nebenstehende Bild zeigt den Spannungsverlauf beim Laden mit konstantem
Strom. Zunächst steigt die Spannung stark an, bis der entsprechende
Strom fliesst, dann folgt ein langsamer Anstieg, da mit zunehmendem Ladestand
des Akkus eine immer höhere Spannung benötigt wird, um den entsprechenden
Ladestrom aufrechtzuerhalten. Der Strom wird sozusagen stärker "hineingepresst".
Der Einbruch bei ca. 50 min. ist nicht erklärbar und vermutlich
tritt dieses Phänomen auch nicht immer auf. Man sieht bei etwas über
1 h einen etwas steiler werdenen Anstieg und dann wird bei 1:14 die
maximale Spannung erreicht. Der Akku ist voll geladen. Sobald die Spannung
nun wieder abfällt wird dies vom Ladegerät erkannt, es bricht
die Ladung ab und schaltet auf Erhaltungsladung um. Dabei wird anscheinend
immer wieder kurz die Spannung erhöht um dem langsamen Entladen vorzubeugen.
Bei Ladeende schaltet das Ladegerät nochmals für einige Minuten
den Lüfter ein, um den Akkus möglichst schnell wieder auf Raumtemperatur
zu bekommen. Dieses geräuschvolle Laden stört nur, wenn das
Gerät im Schlafzimmer betrieben wird. Aber bei den kurzen Ladezeiten
sollte selbst das tolerierbar sein. Es ist jedoch darauf zu achten, dass
das Gerät auf einer glatten und ebenen Fläche steht, da ansonsten
die Luftzufuhr von unten nicht gewährleistet ist. Dies ist besonders
beim Laden im Auto oder ähnlichem zu beachten.
Es wurden zunächst drei solcher Entlade-/Ladezyklen wiederholt. Dann wurden die Akkus geladen und für 24 Stunden im Ladegerät gelassen um zu sehen, ob die Erhaltungsladung die Akkus noch etwas weiter laden kann als die reine Schnellladung.
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Das nebenstehende Bild zeigt, dass die Entladekurven der aufeinanderfolgenden Entladezyklen deckungsgleich verlaufen. Die Betriebsdauer des etrex war 16:14 Stunden. Man sieht sehr schön, dass die Akkus mit einer Spannung von fast 2.9 V starten, was 1.45 V pro Akku entspricht. Sie erreichen nach kurzer Zeit (ca. 2 h) Ihre Nominalspannung von etwas über 1.25 V pro Akku. Nach etwa 14 Stunden fällt die Spannung sehr schnell ab, was auch erklärt, dass die Zeit zwischen einer Batteriestandswarnung und dem Abschalten des GPS sehr kurz ist. Bei Spannungen unter 2 V schaltet der etrex dann ab.
Lediglich die Entladekurve am Tag 4 (eigentlich Tag 5, da am Tag 4 nur geladen wurde) zeigt eine geringfügig längere Laufzeit des GPS. Offensichtlich werden die Akkus bei längerer Erhaltungsladung geringfügig "voller".
Laden mit Conrad AT-3
Es wurde der gleiche Versuchsaufbau verwendet wie beim Test des Ansmann Ladegerätes. Wieder wurden die Akkus abends geladen, nachts und am nächsten Tag läuft der Entladevorgang im gelben etrex und am abend darauf wird wieder geladen. Realistischer bei einem Ladegerät mit Ladezeiten von etwa 3 Stunden wäre vielleicht ein Verbleiben der Akkus im Ladegerät über Nacht mit dem Vorteil, dass während der Erhaltungsladung die Akkus vielleicht noch weiter geladen würden aber um den Test in einem vernünftigen Zeitrahmen abzuschliessen wurde der oben beschrieben Ansatz gewählt und beide Ladegeräte so gleich wie möglich behandelt.
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Nebenstehendes Bild zeigt den Verlauf der Ladespannung beim Laden der Akkus mit dem Conrad AT-3 Ladegerät. Im Vergleich mit der Ladekurve des Digispeed 4 fallen sofort einige Unterschiede auf. Die Ladezeit bei diesem Ladevorgang betrug 3:40 Stunden. Das ist nahezu 3 mal so lange wie bei Ladegerät von Ansmann. Der Ladevorgang dauert normalerweise und auch beim parallel ohne Spannungsmessung geladenen Akku jedoch nur ca. 3:00 Stunden. Offensichtlich beeinflusst die Spannungsmessung das Laden negativ, wehalb auch die Ladekurve ein wenig mit Vorsicht betrachtet werden muss, speziell was die starken Spannungsschwankungen angeht. Die Ladezeit ist aber auch mit 3:00 Stunden etwa doppelt so lange wie beim Digispeed 4.
Eigentlich sollte man meinen, die Akkus erwärmen sich beim langsameren Laden auch weniger stark, das ist jedoch nicht der Fall. Kurz nach Ladeschluss hatten die Akkus beim Laden mit dem Conrad-Ladegrät unangenehme 45 °C, waren also noch etwas heisser als beim Ansmann-Lader. Die Lüfterkühlung des Ansmann-Gerätes ist durchaus effizient um zumindest die Oberfläche der Akkus "kühl" zu halten.
Ein weiterer Unterschied der in der Ladekurve auffällt und natürlich
eng mit der Ladezeit zusammenhängt ist die Ladespannung. Diese ist
mit maximal 1,5 V deutlich niederer als beim Schnellader. Das ist
logisch, denn bei langsamerer Ladung mit geringerem Strom ist auch nur
eine geringere Spannung notwendig. Eigenartig hingegen sind die starken
Schwankungen der Ladespannung die sich nicht erklären lassen. Bei
der Erhaltungsladung hingegen am Ende des Ladevorgangs sieht man ähnlich
wie beim Ansmann Ladegerät, dass die Spannung immer wieder kurzzeitig
erhöht wird, um einer Entladung entgegenzuwirken.
Interessant ist noch, dass das Ladegerät nach dem Laden einen Energy-index aller geladenen Akkus anzeigt. Dabei wird der Akku, der am meisten Energie aufgenommen hat auf den Wert 1.00 gesetzt und die anderen Akkus entsprechend gewertet. Wenn man mehrere Akkus gleicher Nennkapazität und mit gleichem Ladezustand geladen hat, gibt diese Angabe Auskunft darüber, ob ein oder mehrere Akkus geschädigt sind und weniger Energie aufnehmen konnten. Haben die Akkus unterschiedliche Kapazität oder sind sie zu Beginn unterschiedlich entladen, so ergeben die angezeigten Zahlen natürlich weniger Sinn.
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Wie beim Ansmann-Gerät wurden auch bei Conrad-Gerät zunächst drei Entladungen in folge durchgeführt und aufgezeichnet. Man sieht, dass die Laufzeit des GPS nahezu gleich ist wie beim andere Ladegerät, beide laden die Akkus offensichtlich auch gleich voll. Es fällt jedoch auf, dass es zu einer geringfügigen Abnahme der Kapazität (rot, grün, blau) innerhalb der drei Tage kommt. Erst nach 24-stündigem Laden vor dem Entladeversuch am Tag 4 (violette Kurve) erreichen die Akkus wieder die gleiche Kapazität wie zu Beginn des Versuchs. Die Unterschiede sind jedoch gering und sollten nicht überbewertet werden.
Fazit - Empfehlung: Ansmann Digispeed 4
Wer überwiegend NiMH-Akkus lädt, ist mit dem Ansmann Digispeed 4 besser bedient. Es hat zwar keine "Sonderausstattung", lädt jedoch besser. Sowohl Mignon (AA) als auch Micro (AAA) Akkus werden superschnell geladen. Die extreme Schnelladung scheint zumindest kurzfristig keinerlei Nachteile mit sich zu bringen. Das Gerät kann an 240 V oder unterwegs mit dem Zigarettenanzünderkabel mit 12 V betrieben werden und im Lieferumfang sind bereits Akkus enthalten. Der einzige wirkliche Nachteil ist nur für Besitzer von NiCd-Akkus interessant. Das Gerät unterstützt nicht das Entladen von Akkus. Ich hätte mir ausserdem gewünscht, dass die Luftführung der Kühlluft nicht von unten nach oben sondern quer durch das Gerät verläuft, was die Gefahr verringert hätte, dass die "Atemwege" des Geräts bei ungünstigem Untergrund verdeckt sind.
Das Conrad-Ladegerät ist das Komfort-Gerät unter den beiden Akkuladern. Es ist etwas günstiger zu haben, dieser günstigere Preis relativiert sich jedoch schnell dadurch, dass dem Gerät keine Akkus beiliegen. Vier gute Mignon-Akkus mit über 2000 mAH Kapazität sind kaum unter €15 zu bekommen. Das Ladegerät braucht etwa doppelt so lange zum Laden wie das Gerät von Ansmann. Wer jedoch noch viele NiCd-Akkus verwendet, sollte das Conrad-Ladegerät bevorzugen, da dieses sowohl eine Recycling-Funktion zum "Fit-machen" von Akkus hat, die bereits einen Memory-Effekt zeigen als auch eine Entladefunktion mitbringt, die der Bildung des Memory-Effektes entgegenwirkt. Weitere kleine Vorteile beim Conrad-Gerät sind der weitere Spannungsbereich des Netzteils, das auch in USA mit 110 V betrieben werden kann und die Energy-Index-Anzeige, die es erlaubt durch Kapazitätsvergleich der Akkus in den Ladeschächten schwache oder geschädigte Akkus zu identifizieren. Da die Akkus innerhalb der angezeigten Ladezeit nicht ganz perfekt geladen werden, ist es bei diesem Gerät empfehlenswert, die Akkus mindestens über Nacht zu laden.
Weitere Infos zum Thema:
http://www.ife.ee.ethz.ch/~zinniker/batak/index.html
http://www.nensch.de/story/2003/10/12/205319/90
http://www.jens-seiler.de/bastelecke/akkus
http://www.powerpacks-uk.com/Charging%20NiMh%20Batteries.htm (englisch)
