Akkus richtig laden: Ladeverfahren und Lade-ICs

Ein Akku ist nur so gut wie das Ladegerät, das ihn füllt. Ein falsches Verfahren kostet im harmlosen Fall Kapazität und Lebensdauer, im schlimmen Fall gast der Akku aus oder fängt Feuer. Zum Glück musst du das Laden heute fast nie selbst regeln: Für jede Chemie gibt es Lade-ICs, die Strom, Spannung, Ladeende und Temperatur überwachen. Deine Aufgabe ist es, das passende Verfahren und den passenden Baustein zu wählen und ihn richtig zu beschalten.

Was jedes Ladegerät tun muss

Egal welche Chemie – ein Ladegerät hat immer dieselben Aufgaben:

1. Strom begrenzen, damit der Akku nicht überlastet wird. Das macht eine Konstantstromquelle.
2. Spannung begrenzen, wo die Chemie das verlangt, mit einer Konstantspannungsquelle.
3. Das Ende erkennen – an Strom, Spannung, Temperatur oder Zeit.
4. Die Temperatur überwachen und außerhalb des erlaubten Bereichs nicht oder nur langsam laden.
5. Fehler abfangen: ein Zeitlimit, falls das Ende nie erkannt wird, und eine Vorladung für tiefentladene Zellen.

Die Ladekennlinien I, U, W und IU, aus denen sich diese Verfahren zusammensetzen, erklärt Sekundärelemente. Die Stromangaben machst du am besten relativ zur Kapazität als C-Rate: 0,5C bei einem 2-Ah-Akku sind 1 A.

Die Verfahren im Überblick

Zwei Gruppen stechen heraus. Nickel-Akkus werden mit Strom geladen, ihre Spannung ist kein brauchbares Abbruchkriterium – das Ende erkennt der Lader an einer kleinen Spannungsdelle und an der Erwärmung. Lithium-Akkus dagegen brauchen eine genau eingehaltene Spannungsgrenze; sie dürfen nach dem Ende keinen Erhaltungsstrom bekommen, weil schon kleine Überladung sie altern lässt. Der Blei-Akku liegt dazwischen: IU wie Lithium, aber mit dauerhafter Erhaltungsladung.

Die Phasen einer Lithium-Ionen-Ladung

Das CC/CV-Verfahren für Lithium-Zellen läuft in vier Phasen ab:

1. Vorladung: Liegt die Zellspannung unter etwa 3,0 V, lädt das IC mit nur 10–20 % des Ladestroms. Eine tiefentladene Zelle soll sich erst erholen; ist sie innerlich beschädigt, bleibt ihre Spannung unten, und der Lader bricht nach einer Zeitgrenze ab.
2. Konstantstrom (CC): Mit dem eingestellten Strom steigt die Spannung bis 4,2 V. In dieser Phase kommen rund 70–80 % der Ladung in die Zelle.
3. Konstantspannung (CV): Das IC hält 4,2 V, der Strom sinkt von selbst.
4. Ende: Unterschreitet der Strom die Abschaltschwelle, schaltet das IC ab. Fällt die Zellspannung später um etwa 0,15–0,25 V, lädt es automatisch nach.

Die Ladespannung muss genau stimmen: 4,25 statt 4,20 V bringen nur wenige Prozent mehr Kapazität, kosten aber spürbar Zyklen. Viele Geräte laden deshalb absichtlich nur auf 4,1 V oder 80 % – das verlängert die Lebensdauer deutlich.

Lade-ICs

Lade-ICs gibt es in zwei Bauarten:

• Linearlader arbeiten wie ein LDO-Regler: Ein Transistor im IC verheizt die Differenz zwischen Eingangs- und Akkuspannung. Sie sind klein, billig und störungsfrei, aber nur bis etwa 1 A sinnvoll.
• Schaltregler-Lader arbeiten wie ein Schaltregler-IC mit Spule und erreichen über 90 % Wirkungsgrad. Sie laden mit mehreren Ampere, aus höheren Eingangsspannungen und mehrzellige Packs.

Für LiFePO4 brauchst du ein IC mit passender Ladespannung von 3,6 V – entweder eine eigene LFP-Variante oder einen Baustein mit einstellbarer Spannung.

Power-Path

Hängt dein Gerät direkt am Akku, während er lädt, zieht es einen Teil des Ladestroms ab. Der Lader sieht dann nie, dass der Strom unter die Abschaltschwelle fällt, und lädt endlos weiter – oder er schaltet wegen der Last zu früh ab. Lade-ICs mit Power-Path lösen das: Sie versorgen das System direkt aus dem USB-Eingang und laden den Akku nur mit dem Rest. Ohne Netz schalten sie das System auf den Akku um.

Beispiel: LiPo-Lader mit dem MCP73831

Ein Wearable mit einer LiPo-Zelle von 400 mAh soll über USB geladen werden. Der MCP73831 braucht dafür außer der Zelle nur zwei Kondensatoren, eine LED mit Vorwiderstand und einen Widerstand, der den Ladestrom einstellt.

Wie du Verlustleistung und Wärmewiderstand allgemein rechnest, steht unter Wärme und Kühlung; das gleiche Prinzip nutzt der Kühlkörper-Rechner für Linearregler.

Beim TP4056 sieht die Rechnung ähnlich aus, nur mit I_Lade = 1200 V / R_PROG: 1,2 kΩ ergeben 1 A. Bei 1 A aus 5 V verheizt er bis zu 2 W – die beliebten kleinen Lademodule werden dabei sehr heiß und regeln den Strom zurück.

Temperatur überwachen

Lithium-Zellen dürfen typisch nur zwischen 0 °C und 45 °C geladen werden. Viele Lade-ICs haben deshalb einen Eingang für einen NTC-Heißleiter im Akkupack. Einfache ICs schalten außerhalb des Fensters ab; ICs nach dem JEITA-Schema laden zwischen 0 und 10 °C mit reduziertem Strom und zwischen 45 und 60 °C mit reduzierter Spannung. Den Widerstandswert des NTC bei einer Temperatur rechnet der NTC-Rechner aus.

Mehrere Zellen in Reihe

Bei Blei- und Nickel-Akkus lädst du Zellen in Reihe einfach gemeinsam; kleine Unterschiede gleichen sich durch leichtes Überladen aus. Lithium-Zellen vertragen das nicht. Ein Pack mit mehreren Zellen in Reihe braucht deshalb neben dem Lader ein Batteriemanagement, das jede Zelle misst und ausgleicht (Balancing). Wie das bei Modellbau-Packs über den Balancer-Stecker funktioniert, zeigt der Lithium-Polymer-Akku; ein Beispiel für LiFePO4 steht beim LiFePO4-Akku. Grundlagen zu Packs und BMS findest du unter Akkus im Vergleich.

Auswahl und Praxistipps

Wähle zuerst das Verfahren nach der Chemie, dann das IC nach Zellenzahl, Ladestrom und Eingangsspannung. Bis etwa 500 mA aus 5 V ist ein Linearlader die einfachste Lösung; darüber oder bei 9–20 V aus USB Power Delivery nimmst du einen Schaltregler-Lader. Soll das Gerät während des Ladens laufen, brauchst du Power-Path.

Häufige Fehler:

• Falsche Spannungsvariante: Viele Lade-ICs gibt es für 4,20, 4,35 und 4,40 V. Die Endung der Bestellnummer entscheidet – prüfe sie gegen das Datenblatt der Zelle.
• Last direkt an der Zelle ohne Power-Path: Der Lader erkennt das Ladeende nicht zuverlässig.
• Kein Überspannungsschutz am Eingang: Viele Linearlader vertragen höchstens 6–7 V. Ein defektes Netzteil oder eine Spannungsspitze beim Einstecken zerstört sie; eine TVS-Diode am Eingang hilft.
• Wärme unterschätzt: Ein Linearlader im SOT-23 kann keine 500 mA aus 5 V in eine leere Zelle liefern, ohne zu drosseln.
• Messleitungen nicht direkt am Akku: Fließt der Ladestrom über lange Leitungen und Steckverbinder, misst der Lader zu hohe Spannung und hört zu früh mit der CV-Phase auf. Halte den Weg kurz und dick.
• NTC-Eingang offen gelassen oder falsch beschaltet: Manche ICs laden dann nie, andere ignorieren jede Temperatur.

Laufzeit und nötige Kapazität deines Geräts rechnest du mit dem Akku-Laufzeit-Rechner aus; die Formeln dahinter stehen unter Akku-Laufzeit berechnen.

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