Pushen und Matchen


Hintergründiges zur Verbesserung der Spannungslage bei NiCd-Zellen.

 

Ein vierzelliger NiCd- Akkupack vom Typ SANYO RC-2000, dessen Zellen von der Firma GM-Racing gepusht waren, hatte eine um rund 0,4 V bessere Spannungslage beim Entladen mit 30 A gegenüber normalen Zellen. Diese höhere Spannung machte sich auch deutlich, positiv während vieler Probeflüge mit den behandelten Zellen bemerkbar. Allerdings ist der Erwerb dieser gepushten Zellen nicht ganz billig, der Preis ist etwa doppelt so hoch wie bei einer unbehandelten Zelle des gleichen Typs.
Sicherlich aus diesem Grund ist das Pushen von Akkus unter den Elektrofliegern kein so großes Thema wie bei den RC-Car-Fahrern. Bei den Elektroautos werden in der Regel nur sechs Zellen verwendet, da lässt sich der hohe Preis eher verkraften, als wenn für ein Flugmodell 16 oder gar noch mehr Zellen benötigt werden. Außerdem stört es einen RC Car-Fahrer im Wettbewerb überhaupt nicht, wenn wegen der besseren Spannungslage durch den höheren Strom der Akku schneller entleert ist. Bei den Autos kommt es nur darauf an, dass sie eine bestimmte Strecke zurücklegen. Bei größerer Geschwindigkeit, durch die höhere Spannung des Akkus, wird die Strecke schneller durchfahren .

Aus der RC-Car-Wettbewerbs-Szene kommen daher die entsprechenden Forderungen nach Akkus mit höherer Spannungslage, aber auch alle Erkenntnisse über die Vorgänge beim Pushen von Zellen, die vom Autor ermittelt werden konnten. Demnach wird von den verschiedenen Firmen, die den Elektro-Car-Fahrern gepushte Zellen zur Verfügung stellen mehr oder weniger das gleiche Verfahren das bereits vor einiger Zeit in einer amerikanischen Fachzeitschrift veröffentlicht wurde, angewandt. Dabei mag es kleine Unterschiede bei der Prozedur geben, und jeder Anbieter wird seine Methode als die bessere hinstellen, aber im Prinzip läuft folgender Vorgang ab.

Beim Pushen einer NiCd-Zelle muss für einen sehr kurzen Moment ein sehr hoher Strom fließen. Durch diesen enormen Strom werden die Elektroden in ihrer kristallinen Struktur beeinflusst. Dabei verändert sich der Kristallaufbau, er wird wesentlich feinkörniger. Dadurch wird einerseits die Oberfläche größer, der Übergang von der lonenleitung im Elektrolyten zur Elektronenleitung im Metall wird erleichtert. Außerdem wird der Übergangswiderstand zwischen den einzelnen Kristallen im Metallverbund geringer, da kleine Kristalle dichter zusammenliegen als große Kristalle. Diese beiden Vorgänge tragen insgesamt zu einer Verringerung des Innenwiderstands einer gepushten NiCd Zelle bei. Der kleinere Innenwiderstand sorgt dafür dass die Spannung unter Belastung nicht so stark zusammenbricht. Dieser enorm hohe Strom darf allerdings nur für einen sehr kurzen Zeitraum fließen, sonst würden die Akkus beim Pushen zerstört. Die internen Anschlüsse einer Zelle sind für solche Ströme nicht dimensioniert.

In der Schaltungstechnik ist es schwierig, Ströme im Bereich bis zu eineigen 1000 A bereitzustellen und in kurzen Zeitintervallen zu schalten, ohne einen unverhältnismäßigen hohen Aufwand treiben zu müssen. Als Ausweg bleibt dabei ein sehr niederohmiger Entladevorgang von Kondensatoren groß genug und wird die geforderte geringe Entladezeit verwirklicht, ergibt sich automatisch der notwendige hohe Strom, der zum Pushen von NiCd-Zellen benötigt wird. Ein Gerät zum Pushen von Akkus besteht demnach zu-nächst erst einmal aus einer Gruppe von parallel geschalteten Elektrolyt-Kondensatoren. Die Spannungsfestigkeit der Elkos muss 100 V betragen, die Gesamtkapazität sollte mindestens 50 000 uF ergeben. Da die Kapazität solcher Kondensatoren oftmals nicht dem Aufdruck entspricht und im Laufe der Zeit auch geringer wird, empfiehlt es sich, beim Aufbau eines solchen Geräts zum Pushen von Akkus einen Kondensator mehr zu installieren, um auf der sicheren Seite zu liegen. Gute Erfahrungen konnten mit neun parallel geschalteten Elkos vom Typ 6800 pF/100 V gemacht werden. Bei dieser Konstellation wird sowohl die geforderte Gesamtkapazität als auch die notwendige Spannungsfestigkeit erreicht. Diese Kondensator-Batterie wird durch eine Ladeschaltung auf eine Gleichspannung von 60 bis 75 V aufgeladen. Damit die Spannung der Elkos diesen Wert sowohl nicht über- als auch nicht durch Selbstentladung unterschreitet, muss eine Regelung aufgebaut werden. Die Spannung der Kondensatoren muss dann polrichtig an die zu pushende Zelle gelegt werden. Dabei entladen sich die Kondensatoren schlagartig. Es fließt für einen ganz kurzen Zeitpunkt ein unheimlich hoher Strom. Dadurch sind die oben genannten Bedingungen erfüllt.

Wie schon angedeutet, liegt das Problem bei den extrem hohen Strömen, die kurzzeitig fließen. Es ist unmöglich, einfach das verzinnte Ende einer dicken Kupferlitze an den Pluspol der Zelle zu drücken. Ein sehr starker Funke, ein lauter Knall und das Verbrennen der Polkappe wäre die Folge. Das Schalten des Push-Stroms muss kontaktlos erfolgen. Dafür kommt nur ein sehr leistungsfähiger Thyristor in Frage. Durch eine Taste wird das Gate an die notwendige Spannung gelegt, der Thyristor zündet, die Kondensatoren entladen sich, es fließt der erforderliche hohe Strom aus den Elkos durch den Thyristor in die Zelle. 

Normalerweise würde an dieser Stelle ein Schaltplan und eine Anleitung zum Nachbau eines solchen Geräts stehen. Doch das ist bei dieser Schaltung aus mehreren Gründen nicht zu verwirklichen. Zunächst einmal ist die Herstellung des Geräts sehr teuer. Die Kondensatoren kosten pro Stück ca. DM 30,–. Der benötigte Thyristor ist als Einzelstück fast kaum zu bekommen. Mit ein wenig Glück kann man ihn für etwa DM 200,– erwerben. Nimmt man als Preis für die zusätzlich benötigten Bauteile, z.B. für den benötigten Trafo und das Gehäuse 150,– Mark an, ist der Gesamtpreis so hoch, dass sich ein Nachbau für den privaten Gebrauch nicht rentiert. 

Darüber hinaus entstehen Kosten für die Spannvorrichtung, in der die Zelle beim Pushen eingelegt wird. Eine zu pushende Zelle muss unter hohem Druck eingespannt werden. Die Kontaktflächen sollten genau die Form der Polkappen haben und nach Möglichkeit vergoldet sein. Am einfachsten ist es, wenn man die ausgeformten Kontakte nach außen isoliert und mit einer Schraubzwinge auf die Zelle presst. Das ist zwar nicht professionell und sehr umständlich, aber es funktioniert.

Außer den hohen Kosten gibt es noch einen zwingenden Grund, der die Veröffentlichung einer Nachbauschaltung verbietet. Die Spannung, mit der gearbeitet wird, überschreitet die nach VDE zulässige Höhe ungefährlicher Berührungsspannungen. Beim Einspannen der Zelle kann es sehr leicht zu folgenschweren Elektrounfällen kommen, wenn man nicht äußerste Vorsicht walten lässt. Aus den genannten Gründen wird es kaum eine Firma geben, die ein solches Pushgerät auf den Markt bringt. Die Paragraphen des Produkt-Haftungsgesetzes sind zu eindeutig. Aus diesen Gründen kann es auch keine Nachbauanleitung geben. Wer dennoch – vollkommen auf eigene Gefahr – ein solches Gerät erstellen will, kann vom Autor noch weitere Hinweise und Informationen erhalten. Der Verlag wird die Adresse gern nennen.

Beim eigentlichen Pushvorgang spürt man richtig, dass in der Zelle etwas vor sich geht. Es lässt sich schwer beschreiben, man meint glatt, es gehe ein Ruck durch die Zelle, ein Knistern ist zu verspüren. 

Die mit diesem Gerät behandelten Zellen sind in ihrer Spannungslage nur unwesentlich schlechter als die professionell gepushten GM-Zellen. Bei einer Entladung mit 30 A beträgt die mittlere Zellenspannung 1,163 V. Bei einer normalen unbehandelten Zelle bricht die Spannung unter gleichen Bedingungen weiter zusammen, sie beträgt dann nur noch 1,086 V. In Abbildung 1 sind die Entladekurven verschiedener Akkus dargestellt. Es wurden jeweils vier Zellen in Reihe geschaltet, um die notwendigen Entladeströme zu erreichen. Die untere Kurve des Diagramms zeigt den Spannungsverlauf unbehandelter Zellen. Die obere Kurve den von gepushten Zellen. 

Dabei muss allerdings betont werden, dass nicht jeder Pushvorgang zu gleich guten Ergebnissen führt. Offensichtlich gibt es Zellen, die sich nur wenig beeinflussen lassen. Für die Entladekurve in Abbildung 1 sind vier ausgesuchte Zellen, bei denen es besonders gut funktioniert hat, vermessen worden. Sicherlich aus diesem Grund werden die gepushten Zellen, die man käuflich erwerben kann, beschriftet. Auf dem angebrachten Aufkleber wird unter anderem die mittlere Entladespannung bei einer bestimmten Stromstärke angegeben. Diesen Vermessungs- und Beschriftungsvorgang, nennt man auf neudeutsch ,Matchen’. Bei einem sportlichen Wettkampf, einem Match, sucht man auch den oder die Besten und bewertet sie. Genau das gleiche geschieht bei den Zellen. In den USA ist zu diesem Zweck ein Gerät mit dem Namen "Turbo Matcher" auf dem Markt. Mit diesem Apparat werden gepushte Zellen entladen und dabei vermessen. Das Ergebnis wird auf einem kleinen Aufkleber ausgedruckt, der dann an der Zelle angebracht wird. 

Eigentlich wäre der Beitrag an dieser Stelle zu Ende, doch das wäre sehr unbefriedigend. Es wird sicher viele Elektroflieger reizen, Zellen mit einer höheren Spannungslage zu verwenden. Aber die behandelten Zellen der verschiedenen Anbieter sind sehr teuer und der Nachbau eines eigenen Geräts scheidet aus den genannten Gründen aus. Die Verbesserung der Entladespannung resultiert letztendlich aus einem besonders hohen Ladestrom. Es ist unter Insidern eine lange bekannte Weisheit: Wer mit starken Strömen lädt, hat auch starke Zellen. Es wurden daher Versuche mit dem Power Peak 4-Lader von robbe unternommen. Dieses Gerät arbeitet mit einem gepulsten Ladestrom von 33 A. Dem Autor ist kein Lader bekannt, der mit einem höheren Strom lädt. 



Die vier unbehandelten SANYO RC-2000-Zellen wurden mehrmals mit diesem Gerät geladen. Bei der anschließenden 30-A-Entladung ergab sich jedes Mal eine gewisse Verbesserung der Spannungslage, die bis auf etwa 0,17 V gegenüber normal geladenen Zellen gesteigert werden konnte. Auf eine einzelne Zelle bezogen, bedeutet das eine Verbesserung der Spannungslage um 0,043 V. In Abbildung 1 ist daher auch die Entladekurve eines 4zeiligen Akkupacks dargestellt, der mit dem Power Peak 4 geladen wurde. Dieses Ladegerät ist offensichtlich die Alternative zu den gepushten Zellen. Der Anwender erhält praktisch zum Nulltarif -ein Ladegerät benötigt er in jedem Fall – Zellen mit einer spürbar besseren Spannungslage. Daher liegt es nahe, dieses robbe-Ladegerät kurz vorzustellen. 

Mit diesem Lader lassen sich 4 bis 7 schnellladefähige NiCd-Zellen automatisch laden. Der Ladestrom kann durch zwei Tasten, im Bereich von 0,3 – 11 A in Schritten von 0,01 A stufenlos eingestellt werden. Der genannte effektive Ladestrom wird aus sehr steilflankigen Stromimpulsen gebildet. Diese Impulse haben einen Spitzenwert von 33 A. Durch diese relativ hohen Stromspitzen, die während der gesamten Ladezeit auf die Zelle einwirken, wird offensichtlich im Laufe einiger Ladungsvorgänge ein ähnlicher Effekt wie beim Pushen einer Zelle hervorgerufen. Das, was dabei in einigen Millisekunden durch einen sehr hohen Stromsto8 abläuft, geschieht mit den über 30 A hohen Ladestromimpulsen des Power Peak 4 im Laufe einiger Ladungen zu einem gewissen Teil auch.

Dieses Ladegerät ist in einem stabilen, pultförmigen Gehäuse aus abgewinkeltem Stahlblech mit Seitenteilen aus Kunststoff untergebracht. Im linken Teil befindet sich eine 3 ½ stellige LCD-Anzeige, über eine "Select"-Taste kann jeweils einer der wichtigsten Ladeparameter angezeigt werden. Neben der Höhe des aktuellen Ladestroms und der Akkuspannung kann die bisher eingeladene Kapazität zur Anzeige gebracht werden. Darüber hinaus lässt sich die Spannung der Autobatterie, der eingestellte Sollwert des Ladestroms sowie die Delta-Peak-Abschaltspannung anzeigen. Dem Anwender stehen damit alle wichtigen Informationen über den Ladevorgang zur Verfügung. Nachdem das Ladegerät mit den beiden Krokodilklemmen an der Autobatterie oder einem leistungsfähigen 12-V- Netzteil angeschlossen ist, kann ein 4- bis 7zelliger Akku über zwei Bananenstecker auf der Rückseite des Geräts angeschlossen. werden. Der gewünschte Ladestrom wird mit der INC- bzw. DEC-Taste vorgegeben. Dazu muss mit der Select-Taste die Voreinstellung des Ladestroms (PRESET AMP) ausgewählt werden. Mit der Start-Taste wird der Ladevorgang eingeleitet, die Charging-LED beginnt zu leuchten. Durch die Delta-Peak-Abschaltung wird der Ladevorgang, nach Erreichen der maximalen Akkukapazität, auf Erhaltungsladung umgeschaltet. Dabei wird der Akku mit einem gepulsten , Strom von 100 mA weitergeladen, um die eingeladene Kapazität zu erhalten. Die Trickle-LED blinkt, der Akku kann abgenommen werden.

Während des Ladevorgangs können durch die Select- Taste die gewünschten Parameter zur Anzeige gebracht werden. Lädt man einen Akku mit dem maximalen Strom von 11 A, erwärmen sich die Zellen ganz erheblich. Sie dürfen daher in keinem Fall im Modell verbleiben und sollten nach einem Flug erst abkühlen. Der hohe Ladestrom sorgt für eine besonders schnelle Aufladung und eine Verringerung des Innenwiderstands, erwärmt die Akkus aber auch stark.

Zum Schluss bleibt zu hoffen, dass durch diesen Beitrag für den interessierten Leser das Pushen und Matchen von NiCd- Zellen kein Geheimnis mehr ist. Es müsste auch klar geworden sein, dass sich die Erstellung eines Pushgeräts nicht lohnt und darüber hinaus sehr gefährlich ist. Wer Akkus mit bis zu sieben Zellen benötigt, hat mit dem Power Peak 4 die Alternative zu den teueren gepushten Zellen. Es währe wünschenswert, wenn dieser Lader auch für eine höhere Zellenzahl eingesetzt werden könnte.

Autor: Karl-Heinz Keufner, elektroModell 1/99

 

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