Batterijen of Accu’s opladen

Op deze pagina vind je informatie over het opladen van batterijen of accu’s wat ik op het internet heb gevonden, en eventuele praktijk voorbeelden.

ALGEMEEN

Geavanceerde draagbare apparatuur zoals mobiele telefoons, camcorders, laptops en MP3-spelers werkt tegenwoordig bijna allemaal op ingebouwde accu’s. De ontwikkelingen in de accutechniek staan dan ook niet stil en daarbij worden ook nieuwe methoden ontwikkeld om de accu’s te laden en te onderhouden.

laad- en ontlaadstromen
Bij accu’s worden de laad- en ontlaadstromen uitgedrukt in verhouding tot de capaciteit. Als de accucapaciteit C bijvoorbeeld gelijk is aan 1 Ah (één ampère-uur), dan wordt met een laadstroom van C/10 een stroom bedoeld van 1 A/10 = 100 mA. De capaciteit C is een maat voor de hoeveelheid energie die de accu kan bevatten. De hoeveelheid energie die (theoretisch) in de accu opgeslagen kan worden, vinden we door de capaciteit C (in Ah) te vermenigvuldigen met de nominale klemspanning van de accu (in V). De eenheid waarin deze energie wordt uitgedrukt, is de “wattuur” (Wh).

Energiedichtheid

Type	Nominale spanning	Energiedichtheid (typ.)
Lood/zuur	2,1 V	30 Wh/kg
Nikkelcadmium (NiCD)	1,2 V	40…60 Wh/kg
Nikkelmetaalhydride (NiMH)	1,2 V	60…80 Wh/kg
Lithium-ion (Circulair) (Li-ion)	3,6 V	90…100 Wh/kg
Lithium-ion (Prismatisch) (Li-ion)	3,6 V	100…110 Wh/kg
Lithium-ion (Polymeer) (Li-ion)	3,6 V	130…150 Wh/kg

De verhouding tussen de hoeveelheid energie die kan worden opgeslagen (in Wh) en het gewicht (of volume) van de accu wordt de energiedichtheid genoemd. Een grote energiedichtheid betekent dat een accu in verhouding tot zijn gewicht (of volume) veel energie kan opslaan. Tabel 1 geeft een overzicht van de energiedichtheid in wattuur per kilogram van de gangbare accutypen in draagbare apparatuur. In tabel 2 zijn een aantal van de belangrijkste eigenschappen van de drie meest gebruikte typen (Nikkel-Cadmium (NiCd), Nikkel-metaalhydride (NiMH) en Lithium-ionen (Li-Ion)) op een rijtje gezet. Hierbij moet wel opgemerkt worden dat Nikkel-Cadmium-accu’s, vanwege het schadelijke cadmium dat ze bevatten, binnen afzienbare tijd uit de handel zullen worden genomen.

Belangrijkste eigenschappen

Eigenschap	Nikkelcadmium	Nikkelmetaalhydride	Lithiumion
Energiedichtheid	Laag	Gemiddeld	Hoog
Energieopslag	Laag	Gemiddeld	Gemiddeld
Levensduur	Hoog	Hoog	Hoog
Prijs	Laag	Gemiddeld	Hoog
Veiligheid	Hoog	Hoog	Gemiddeld
Milieuvriendelijkheid	Laag	Gemiddeld	Gemiddeld

Laadmethoden
Nieuwe accu’s of accupacks (dat zijn accu’s die uit meerdere cellen bestaan) zijn over het algemeen maar gedeeltelijk of zelfs helemaal niet opgeladen. Daarom moeten ze voor het eerste gebruik altijd worden opgeladen, op een voor het accutype geschikte manier. Tijdens het laden moeten de spanning en de stroom zo ingesteld zijn (of continu geregeld worden) dat de accu niet beschadigd wordt.

Laadmethoden voor NiCd- en NiMH-accu’s

Laadmethode	Eigenschappen	Aanslui- tingen	Laadtijd	Laad- stroom	Druppelladen	Ladingsniveau na opladen	Figuur
Semi-constante stroom	– Meest gebruikt – Simpel, goedkoopLaden met een semi-constante stroom wordt vooral toegepast in goedkope apparatuur zoals scheerapparaten, telefoons en speelgoed.	2	15 uur	0,1 C	–	–
Timer-gestuurd	– Betrouwbaarder dan semi-constante stroom – Tamelijk simpel en goedkoopTimer-besturing komt het meest voor bij toepassingen als notebooks, dataterminals en GSM’s.	2	6…8 uur	0,2 C	1/20..1/30 C	Ca. 120 %
-DV-methode	– Veel gebruikt – IngewikkelderDe -DV-methode wordt veel gebruikt bij notebooks, GSM’s en camcorders.	2	1…2 uur	0,5…1 C	1/20…1/30 C	Ca. 110..120 %
DT/dt-methode	– Duurder, maar beter voor levensduur door voorkomen van overladen De dT/dt-methode komt het meest voor bij wat zwaardere toepassingen, zoals elektrisch gereedschap.	3 of 4	1…2 uur	> 1 C	1/20..1/30 C	Ca. 100..110 %

---

NiMH

Over het algemeen :
– mogen NIMHs NIET HEET worden, stop met (snel)laden als ze handwarm zijn.
– mogen NIMHs niet overladen worden, ze zijn hiervoor gevoelliger dan NICADs.
– mogen NIMHs niet diep ontladen worden. (tenminste niet diep ontladen met hoge stromen)
– mogen NIMHs niet meteen worden geladen na het ontladen. Tenminste dat is bij gebruik van hoge laad en ontlaad stromen, het heeft negatief effect op de capaciteit en voltage.

NiMH accu’s zijn beter voor het milieu, minder schadelijk omdat er geen cadmium in zit. Ondanks dat is het wel verstandig om ze aan het eind van hun levensduur naar de lege-batterij-container te brengen.

Het memory effect is wel aanwezig (heb ik ervaren), hoewel fabrikanten al jaren beweren dat deze accu’s het niet hebben, alleen is het effect minder duidelijk dan bij NiCd cellen.

1) Een pas geladen cel heeft bij mij meestal een spanning rond 1.4V onbelast
2) Na enkele dagen (ongebruikt) daalt dat geleidelijk naar 1.3V.
3) In het gebruik blijft de klemspanning heel lang in de buurt van 1.2V.
4) Een spanning van 1.1V betekent dat de accu niet veel meer kan leveren.
5) Bij 1.0V is de accu leeg.

Je mag dergelijke accu’s niet verder dan tot 0.9V ontladen. Diepontlading kan schadelijk zijn, Bij extreem diepe ontlading tot zelfs omgekeerde polariteit kan al na één keer de cel onherstelbaar beschadigd zijn.

Omgekeerde polariteit
Omgekeerde polariteit kan optreden als meerdere cellen in serie staan en de verbruiker niet op tijd werd uitgeschakeld. In de praktijk zijn de cellen nooit helemaal identiek en daardoor is er meestal één cel het eerst leeg. De andere cellen zorgen er voor dat de stroom in dezelfde richting door blijft lopen en daardoor raakt de lege cel totaal uitgeput en als de verbruiker ingeschakeld blijft keert de polariteit van de lege cel om. Probeer dit altijd te voorkomen

De ontlaadkarakteristiek
De ontlaadkarakteristiek loopt dus van ongeveer 1.4V tot 1.0V.
De laadkarakteristiek loopt ongeveer van 1.2 tot 1.45V.

Maar deze waarden zijn van meerdere factoren afhankelijk: celtemperatuur, laadstroom, inwendige druk. Daarom raden fabrikanten vaak af om de klemspanning als criterium te gebruiken om de laadstroom uit te schakelen. Ik heb wel eens schakelingen gezien die de accuspanning steeds rond de 1.42V houden. De cel blijft dan voortdurend in geladen toestand. Stijgt de klemspanning boven de 1.42V dan wordt de laadstroom uitgezet, daalt de klemspanning beneden deze grens dan wordt de laadstroom weer aangezet.
Er moet natuurlijk een kleine hysteresis zijn anders gaat de schakeling oscilleren. Een dergelijke lader bestaat uit een op-amp die als comparator wordt gebruikt, een zenerdiode als referentiespanning en een constante stroombron. De voedingsspanning voor de op-amp moet gestabiliseerd zijn om de schakelniveau’s nauwkeurig te maken. Maar zoals ik hierboven beschreef wordt door fabrikanten afgeraden om de klemspanning te gebruiken als afschakelcriterium.

Opladen
Wat je wel kunt doen is met één van de volgende 3 methoden laden.

1. Eerst de cel ontladen tot 1.0V, daarna laden met 0.1 C waarbij C de capaciteit van de accu is. Dus bijvoorbeeld een 1800mAh accu laad je met 180mA. Het beste is als deze stroom geleverd wordt door een constante stroombron. Schakel de laadstroom na 14 uur uit met een timer. Deze methode voldoet goed voor zowel NiCd als NiMH cellen. Het is niet zo riskant, een uurtje te lang laden is niet schadelijk.

2. Snel laden met een stroom van 0.5 tot 1 C en een IC toepassen dat de accuspanning nauwkeurig in de gaten houdt. Als de accu vol raakt kan hij geen energie meer opnemen en de toegevoerde energie wordt dan omgezet in warmte. Door de negatieve temperatuur coëfficient daalt de klemspanning enkele mV. Het IC meet de klemspanning, daarvoor wordt de laadstroom kort uitgeschakeld zodat overgangsweerstand geen invloed heeft op de meting. Het IC onthoudt de laatst gemeten spanning en vergelijkt deze met de volgende waarde. Een dalende klemspanning wordt zo ontdekt en de laadstroom wordt dan uitgeschakeld of verminderd tot een druppellaadstroom. Deze methode staat bekend als de -dV detectie (min delta V). Door de hoge laadstroom is deze manier wel riskant en kritisch. Als er iets niet perfect gaat bij het detecteren van de spanningsdaling (min delta V) kan het laden te lang doorgaan en schadelijk voor de accu worden. Je kunt ook de temperatuur gebruiken als afschakelcriterium maar dat is minder betrouwbaar omdat het thermisch contact met het binnenste van de accu vaak moeilijk te maken is.

3. Laden met een stroom van 0.01 tot 0.03 C, dus 1% tot 3% van de capaciteit. Dit mag ook continu gebeuren. Als de accu leeg is duurt het laden natuurlijk wel lang, mijn ervaring is ongeveer 72 uur. De voordelen zijn dat er nauwelijks risico bestaat door de kleine laadstroom, dat de accu continu geladen mag worden en dat de accu voortdurend in volle toestand wordt gehouden. Dat laatste is wel belangrijk als je de accu nodig hebt bij uitval van de netspanning, als back-up. Die kleine laadstroom kun je het beste stabiliseren, dat kan met een LED en een transistor, of met een op-amp en een zenerdiode en een transistor, of met een spanningsregelaar die je als constante stroombron schakelt.
Zelf laad ik bijna altijd gedurende 14 uur met 10% van de capaciteit. Dat gaat altijd goed als de accu leeg is voordat je begint. Ik heb altijd een reserve accuset in geladen toestand klaar staan, dan kun je meteen omwisselen als dat nodig is. Accu wisselen gaat sneller dan welke snellader dan ook.
Nog een opmerking: als je de accu’s alleen voor back-up gebruikt kun je ook een loodaccu nemen. Dan kun je een simpele schakeling bouwen met een spanningsregelaar die een constante uitgangsspanning levert en een laadstroombegrenzing. Een loodaccu kun je voortdurend vol houden met een spanning van 2.3 V per cel. Dat is 6.9V voor een 6V accu en 13.8V voor een 12V accu. Loodaccu’s worden op deze manier vaak toegepast in alarminstallaties als back-up.

Voorbeeld:
Voeding: 12v DC / 1A
Accupack: NiMH 7.2v / 3000 mAh

Je mag een NIMH accu laden met 1/10e van zijn capaciteit. Dus in dit geval 300mA.

Wil je dat met een weerstand vanaf een 12V voedingsbron leveren, dan krijg je:

12v – 7.2v = 4.8v over de weerstand. ER moet 300mA lopen, dus 4.8v/0.3A = 16 Ohm.

De weerstand is dan 18 ohm en 5W (P=UxI = 4.8×0.3 = 1,44W)

Praktijkvoorbeeld
Ik heb hier een kleine accu stofzuiger uit elkaar gehaald, daarin zat een klein printje met een NiMH accupack, de details:

Adapter: 9v DC / 150mA
Accupack: NiMH 6v / 1300 mAh, gebaseerd op 5 cellen van 1.2v (gemeten spanning: 6.5v, conclusie dat de cellen nog goed zijn)

Zo op het printje te zien word er geladen met een “Semi-constante stroom”, er zitten een paar weerstanden en een LED op, het schema is als volgt:

In het schema staat er een weerstand 22 Ohm, en dat klopt volgens de formule:

9v – 6v = 3v over de weerstand. ER moet 130mA lopen, dus 3V/0.13A = 23 Ohm.

De weerstand is dan 22 ohm en 1W (P=UxI = 3×0.130 = 0,39W)

---

NiCD

Laden van NiCd-accu’s
Nikkel-Cadmium-accu’s worden geladen met een constante stroom die kan variëren tussen 0,05 C en meer dan 1 C. Eenvoudige NiCd-laders meten vaak alleen de celtemperatuur om het moment van uitschakelen te bepalen. De temperatuur is echter geen betrouwbaar criterium voor het beëindigen van het laadproces. Een meer betrouwbare methode maakt gebruik van het zogenaamde “-DV-effect” dat karakteristiek is voor NiCd-cellen. Dit effect houdt in dat kort voordat de cel volledig opgeladen is de klemspanning gaat afnemen, zoals te zien is in figuur 3. Het -DV-effect wordt vooral goed waarneembaar als een laadstroom van 0,5 C of meer wordt gebruikt. Voor de veiligheid moeten NiCd-laders in elk geval ook altijd de celtemperatuur controleren. Bij oudere cellen, of accupacks die uit meerdere cellen met een verschillende ladingstoestand bestaan, kan het -DV-effect minder duidelijk waarneembaar zijn.

Een nog betrouwbaarder methode voor het herkennen van het moment dat het opladen moet stoppen, is gebruik te maken van de verandering van de temperatuur afhankelijk van de tijd (dT/dt). Het gebruik van deze methode heeft een positieve invloed op de levensduur van de cellen, zeker als dit gecombineerd wordt met het gebruik van de -DV-methode. Het schadelijke en gevaarlijke overladen wordt zo op een betrouwbare manier voorkomen.

Het zogenaamde snelladen is bij NiCd-accu’s effectiever dan langzaam opladen. Als NiCd-accu’s geladen worden met een stroom van 1 C, gaat er tijdens het laden maar weinig energie verloren in de vorm van warmte. Het rendement is in dit geval ongeveer 91%, zodat een volledig ontladen NiCd-accu op deze manier in iets meer dan een uur opgeladen kan worden. Bij gebruik van een laadstroom van 0,1 C is het rendement maar ongeveer 71%, daardoor duurt het opladen met deze kleine stroom wel 14 uur.

Zolang een NiCd-accu voor minder dan 70% geladen is, neemt de temperatuur nog niet veel toe. Dat gebeurt pas tijdens de laatste 30% van het laadproces. Sommige laadapparaten maken gebruik van dit effect en laden de cel in enkele minuten op tot ca. 70% van de capaciteit met een grote laadstroom. Het laden wordt daarna voltooid met een veel kleinere stroom. Tenslotte schakelt de lader over naar een onderhoudsstroom van circa 0,02…0,1 C.

Laadapparaten voor NiMH-accu’s werken bijna altijd met de dT/dt-methode om te bepalen wanneer met laden gestopt moet worden. Het -DV-effect is bij NiMH-accu’s niet zo duidelijk waarneembaar als bij NiCd-accu’s. Bovendien is het afhankelijk van de celtemperatuur en is het bij laadstromen kleiner dan 0,5 C eigenlijk helemaal niet waarneembaar.

De klemspanning van nieuwe NiMH-accu’s kan tijdens het laden op willekeurige momenten plotseling veranderen, zodat het voor kan komen dat het laadproces te vroeg beëindigd wordt. Als er geen spanningsverandering optreedt, faalt de -DV-methode en zal overladen het gevolg zijn, wat ten koste gaat van de levensduur van de accu. Kortom: meten van de klemspanning is voor NiMH-accu’s niet de juiste methode om het laadproces te stoppen. De invloed van omgevingsfactoren zoals de temperatuur, de leeftijd van de cel en de ladingstoestand bij het begin van het laadproces hebben een te grote invloed. Daarom mogen NiMH-accu’s niet geladen worden met laadapparaten die voor NiCd-accu’s bestemd zijn, tenzij het laadapparaat werkt met de dT/dt-methode. Omdat NiMH-accu’s erg slecht tegen overladen bestand zijn, mag de onderhoudslaadstroom nooit groter gekozen worden dan 0,05 C.

Helaas is het laden van NiMH-accu’s met een kleine stroom ook geen methode die alle problemen oplost. Bij een laadstroom van ca. 0,1…0,3 C zijn de effecten die tijdens het laadproces optreden (zoals spannings- en temperatuurveranderingen) nauwelijks meetbaar. Ze leveren dus geen bruikbaar stopcriterium voor het laadproces op. De enige betrouwbare methode om NiMH-accu’s met een kleine stroom te laden is het gebruik van een timer.

De aanbevolen laadstroom voor NiMH-accu’s is ongeveer 1 C (of meer, als de fabrikant dat voorschrijft). Daarbij moeten zowel de spanning (DV = 0) als de temperatuurverandering (dT/dt) gecontroleerd worden om het laadproces op een betrouwbare manier op tijd te kunnen stoppen.

---

Li-Ion

Lithium-Ion (Li-Ion) is uitgegroeid tot de nieuwe standaard voor draagbare bron in consumentenapparatuur en laptop-batterijen. Li-Ion accu’s leveren dezelfde energie als een NiMH-batterij, maar wegen ongeveer 20% -35% minder. Dit kan een merkbaar verschil in apparaten zoals mobiele telefoons, camcorders of notebook computers zijn omdat de accu een aanzienlijk deel van het totale gewicht uit maakt. Een andere reden dat Li-Ion accu’s zo populair zijn geworden is dat ze geen last hebben van het ‘geheugen-effect’. Ze zijn ook milieuvriendelijk omdat ze geen giftige stoffen zoals cadmium of kwik bevatten.

De Li-ion accu kan meer lading bevatten dan de NiCd- en de NiMH-batterij. Per kilogram accu kan de grootste hoeveelheid energie opgeslagen worden (140 Wh/kg). In het laboratorium kan bij een testopstelling de Li-ion accu ook veel vaker opgeladen worden. Een duurdere constructie met een polymeer heeft nog betere eigenschappen. Met name de vermogensdichtheid ligt een stuk hoger: 300 W/kg. Dat betekent dat er veel energie in korte tijd geleverd kan worden.

Een Lithium-Ion accu is een batterij waarbij de Ionen van de batterij verschuiven van de negatieve electrode, naar de positieve electrode, en andersom. Lithium-Ion batterijen zijn tegenwoordig een veelgebruikte accu in consumentenelektronica, de meest gebruikte batterij in telefoons, mp3 spelers en overige draagbare apparatuur. Lithium-ion batterijen hebben een zeer hoge energiedichtheid, geen geheugen effect en hebben een geringe zelfontlading.

In de praktijk blijkt de Li-ion accu echter kwetsbaar. Bij veel apparaten zit een Li-ion accu vast ingebouwd. Indien de batterij stuk gaat, is het niet altijd rendabel om nog een nieuwe accu te kopen. Vanwege de chemische samenstelling is het mogelijk dat Li-ion accu’s bij een defect tot zelfontbranding komen. Daarbij komt zuurstof vrij waardoor er flinke steekvlammen kunnen ontstaan. Maar wanneer de originele lader voor de Li-ion accu gebruikt wordt en de accu wordt gebruikt waar hij voor bedoeld is, is de kans op schade zeer klein. Een ander (minder bekend) nadeel is dat de Li-ion accu zijn capaciteit al begint te verliezen, onmiddellijk nadat hij gefabriceerd is. Bij 25 graden Celsius is dit ongeveer 20 % per jaar en dit loopt op bij hogere temperaturen. Door dit chemisch verval gaat bijvoorbeeld een laptopaccu slechts 3 tot 5 jaar mee.

Eigenschappen

De spanning van een enkele batterijcel staat meestal vastgezet op 3.6 of 3.7 volt. Dit noemen we de nominale spanning. Echter kan de daadwerkelijke spanning tijdens het gebruik variëren van 2.4 tot 4.2 volt. Wanneer de spanning onder de 2.4 volt komt, gaat de cel kapot. De cel is te diep ontladen en onherstelbaar beschadigd. Daarom wordt vaak een veiligheidsspanning van 3 volt aangehouden. Als de cel tot dit voltage wordt ontladen is er niets aan de hand. Het opladen van een Li-Ion accu duurt doorgaans 3 uur. Staar je niet blind op snelladers voor deze batterijen, praktijktests hebben aangetoond dat er 3 uur nodig is totdat een accu volledig is opgeladen.

Wat zijn in het kort de voordelen van een Li-Ion accu:

• Zeer hoge energiedichtheid
• Geringe zelfontlading
• Geen geheugeneffect
• Hoog vermogen, lange levensduur

Wat zijn in het kort de nadelen:

• Relatief duur in aanschaf
• Gevaarlijk bij verkeerd gebruik
• “Unprotected” accu’s moeten continu gecontroleerd worden

---

OPLADEN

Constante LED voeding

Als constante stroombron kun je de schakeling toepassen die op deze website beschreven staat als “Constante LED voeding”:

Een LED heeft normaal een voorschakelweerstand nodig om ervoor te zorgen dat de LED niet teveel stroom krijgt. Het nadeel van zo’n weerstand is dat de stroom door de LED en dus ook de helderheid verandert als de spanning verandert. Deze schakeling voorkomt dat, door onafhankelijk van de spanning, een constante stroom door de LED te sturen.
De schakeling werkt met twee transistoren en twee weerstanden. De schakeling kan aangesloten worden op spanningen van 5 tot 24 V.

Onderdelen:
– R1 = 2,2 kΩ
– R2 = 39 Ω
– D1 = LED
– T1 = BC 548B
– T2 = BD 137

In plaats van D1 zet je dan een gewone siliciumdiode. Die voorkomt dat de accu ontladen wordt via de schakeling als de netspanning uitvalt. De waarde van R2 pas je aan tot je de gewenste laadstroom hebt. Daarbij geldt I = U BE1 / R2. De spanning U BE1 is de basis-emittor-spanning van T1 en zal ongeveer 600mV zijn. Bij de gegeven waarde van R2 ligt de stroom dus rond 15mA. R1 hoef je volgens mij niet te veranderen. Wel moet je T2 een koelelementje geven bij grotere stromen. De accu komt dan in serie met D1 te staan. De spanningsval over de schakeling is volgens mij ongeveer 2.1V als D1 een Si-diode is. Dus zorg dat de voedingsspanning minstens 2.1V hoger is dan de maximaal voorkomende accuspanning. Die max. accuspanning mag je schatten op 1.5V x (het aantal cellen). De laadstroom is bij deze simpele schakeling wel afhankelijk van de omgevingstemperatuur omdat U BE1 temperatuurafhankelijk is.

Opladen met een IC (laadcontroller) TEA1102

Bronnen:
circuitsonline.net #1
circuitsonline.net #2
conrad-electronic.nl
maltepoeggel.de

batteryking.nl

ledscherp.nl