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Teil II: die Technik
von Oliver Mühlenbein
Im 68. Onlinemagazin (Lithium-Mangan Akkus) haben wir einen Dauertest unter
praxisbezogener Umgebung angekündigt. Der neue Akkutyp, geliefert vom
BMZ, wird exklusiv von Hartenberger und mbsub verbaut.
Ist der Unterschied zu Ni-MH wirklich so groß? Sind Li-Mn-Akkus
nicht gefährlich? Wie ist es um die Lebensdauer bestellt; wie ist das
Verhalten abhängig von der Temperatur?
Ende August war es dann soweit: per DPD kam das Testexemplar an, eine extreme
LiMn aus dem Hause mbsub. Dieses Modell wurde ausgewählt,
weil es über ausreichende Akkukapazität verfügt, mit Brennern
bis 50W zu bestücken ist (die dann mit Überspannung betrieben werden)
und letztendlich auch deshalb, weil es diese Lampe ebenso in einer Ausführung
mit NiMH-Akkus gibt, so dass ein Vergleich möglich ist.
Lampenmodelle, die alternativ mit HID- oder LED-Leuchtmitteln zu bestücken
sind, finden sich im gleichen Hause, wie natürlich auch bei anderen
Herstellern. Dieser Bericht soll keinen Vergleich verschiedener Lampen oder
Hersteller liefern, sondern konzentriert sich alleine darauf, wie sich ein
exemplarisch ausgewähltes Modell mit Li-Mn-Akkus in der Praxis bewährt.
Vorstellung der Lampe
von links: tauchfertig im Neoprengewand, der Akkublock, die Bedienelemente
(click zum Vergrössern)
Die extreme LiMn misst 218 mm Länge und 81mm Ø ohne Neoprenschutz.
Ist dieser aufgeschoben, kommen wir auf ein Packmaß von 22 x 13 x 9
cm mit Griff. An der Rückseite befindet sich der vierstufige Schalter
(aus - 40% - 70% - 130%), eine mehrfarbige Kontrollanzeige und die beiden
Ladebuchsen. Zum Laden muss die Lampe also nicht geöffnet werden.
Das Ladegerät ist ein Mehrbereichsnetzteil von 100-240V, eine Anpassung
im Urlaubsland ist nicht notwendig. Die Ladesteuerung erledigt eine Elektronik
im Innern der Lampe.
Die Lampe ist komplett in schwarz gehalten, lediglich die Schrauben und Ladekontakte
sowie das Logo am Griff sind silberfarben.
Der Akkublock enthält 12 Zellen des Typs 18650V1 (18mm Ø, 65mm
Länge, 1600mAh), geschaltet als 4S3P (4 Zellen in Serie und 3 Zellen
parallel). So ergibt sich eine Kapazität von 4,8 Ah. Der Block und
die Elektronik sind fest verschraubt, eine Demontage durch den Benutzer ist
nicht vorgesehen und ist auch nicht sinnvoll.
Standardmäßig ist ein Spotreflektor mit 13° montiert; dieser
lässt sich selbst wechseln.
Als Leuchtmittel kommen Halogenbrenner mit 20 bis 50 W zum Einsatz, die mit
Überspannung betrieben werden. Die Spannung wird dabei durch die eingebaute
Elektronik auf ca. 14 V begrenzt, wodurch sich eine konstante Helligkeit über
mehr als drei Viertel der Leuchtdauer ergibt. In Verbindung mit dem entsprechenden
Reflektor (Flood-Video mit 90° Abstrahlwinkel) empfiehlt sich die Lampe
somit auch besonders für Videofilmer.
Die Frontscheibe ist schocktemperaturunempfindlich, einer Benutzung außerhalb
des Wassers spricht nichts entgegen.
Ladung und Gebrauch: Pflicht…
Das Ladegerät wird mittels zweier Bananenstecker angeschlossen, bereits
nach zwei Stunden sind 85% der Kapazität erreicht. Die letzten 15% brauchen
dann noch einmal eine Stunde: wer will, kann darauf verzichten. Da es keinen
Memoryeffekt gibt, muss der Akku weder vorher
entladen, noch nachher vollständig geladen sein, so dass sich für
die Praxis angenehm kurze und Safaritaugliche Ladezeiten ergeben.
Dass die Lampe von außen geladen werden kann, ist nicht nur bequem,
sondern auch sicherer:
Der dichtende O-Ring wird nicht durch das Auf- und Zuschrauben belastet;
der Gehäusedeckel liegt nicht irgendwo herum oder rollt schlimmstenfalls
über das Deck.
…und Kür
Die Leuchtdauer ist mit 55min bei 50W und Vollleistung angegeben. Dieser
Wert ist zwar korrekt, aber unrealistisch: auf 70% gedrosselt, ist die Lampe
hell genug für Seen mit mittlerem Sedimentaufkommen und reicht dann
um einiges länger.
Da wir die schönste Jahreszeit, was Sichtweiten betrifft, gerade vor
uns haben, wird der weitere Testverlauf sicher interessant werden: Je besser
die Sicht, desto mehr Licht kann ich brauchen, ohne dass mir Schwebeteilchen
die Sicht vermiesen.
Der Drehknopf rastet satt ein. Ich muss nicht schauen, wohin ich drehe: so,
wie ich auch eine Herdplatte einschalte, schalte ich hier auf 70% und dann
weiter auf 130%. Für Tagestauchgänge reichen diese beiden Stufen
aus, die 40%-Stellung ist eher Nachttauchgängen vorbehalten.
Der Akku: Li-Ion im Allgemeinen…
Da es in der Vergangenheit einige Presseberichte zu gefährlichen Li-Ion-Akkus
in Notebooks und Mobiltelefonen gab, beschleichen den Einen oder Anderen
möglicherweise komische Gefühle, solch einen Akku in der Tauchlampe
mit sich zu führen…
Bei diesen Akkus sind Anode und Kathode durch eine "Separator" genannte Isolationsschicht
getrennt.
Wird diese Isolationsschicht durchbrochen, z. B. durch in der Fertigung eingebrachte
Metallpartikel (die diese Schicht durchstoßen) oder durch einen mechanischen
Defekt, der z. B. durch einen Fall möglich ist, können die Bestandteile
Lithium und Kobalt heftig reagieren, was einen Brand oder sogar eine Explosion
zur Folge haben kann. Die Auswirkungen sind nicht schön, unter Wasser
um ein Vielfaches kritischer. Aufwendige Elektronik in der Steuerung sowie
verschiedene Schutzmechanismen in den Akkuzellen sollen dies verhindern.
…und Li-Mn im Besonderen
Dieser Akkutyp ist der Inhalt des eigentlichen Tests. Li-Mn gehört genau
genommen auch zu der Gruppe der Li-Ion-Akkus, jedoch wurde hier auf das riskante
Kobalt verzichtet und durch Mangan ersetzt. Einer geringfügig niedrigeren
Energiedichte (1,6 Ah in der Bauform 18650) steht ein gewaltiges Plus an Sicherheit
gegenüber.
Mit den Akkus wurden verschiedenste Tests (Überladung, Punktion, Fall,
Verformung, Backofen) durchgeführt, die natürlich zur Unbrauchbarkeit
der Akkupacks führten, letztlich nur die Sicherheit demonstrieren sollten,
da weiter nichts passiert ist.
Akkupack beim Falltest (Bild li.) und Akkupack nach dem Backofentest (Bild
re.)
(click zum Vergrössern)
Um diese Sicherheit zu untermauern und um eine Abgrenzung zu den riskanten
Kobaltbasierten Li-Ion-Akkus zu schaffen, hat kürzlich mbsub
die Garantie auf die Akkupacks auf 2 Jahre verlängert.
Die Zelle und die Lampe: Technik….
Um verschiedene Zellen beschreiben und vergleichen zu können, setzen
wir die Kapazität (C, in Ah) ins Verhältnis zur Stromentnahme bzw.
–zufuhr (in A). Mit einem 50W-Brenner, betrieben als 70W mit 14V Überspannung,
fließen 5A. Bei 4,8Ah Kapazität des Akkupacks entnehmen wir also
ca. 1C.
Mit dieser Maßeinheit lassen sich auch Akkus verschiedener Kapazitäten
vergleichen, wobei sich im Folgenden zeigen wird, dass sich die Stromentnahme
auf die Lebensdauer auswirkt; ein angemessen dimensionierter Akkublock resultiert
also nicht nur aus der gewünschten Leuchtdauer.
Die Messung eines Vergleichstyps zeigt folgende Grafik:
Zyklenlebensdauer nach Lade-/Entnahmestrom bei 23°C
Bis zu 3C während der Entladung gibt es noch keinen signifikanten Abfall
in der Kapazität; bei 1C (was auch für unsere Lampe zutrifft),
ist dieser selbst nach 500 Ladezyklen nicht spürbar.
Bemerkenswert ist jedoch, dass sich der Ladestrom schneller bemerkbar macht;
über 1C sollte er nicht liegen. Bei unserer Testlampe sind es 0,5C;
hier wurde ein vernünftiger Kompromiss zwischen Akkulebensdauer und
Ladezeit gewählt.
Der Arbeitsbereich der Akkuzelle liegt zwischen 4,1 und 2,5V. Schutzmechanismen
bei der Ladung tragen Rechnung, dass 4,1V nicht überschritten werden;
ebenso schaltet die Elektronik die Lampe ab, wenn ca. 3V erreicht werden,
liegt damit etwas höher und sicherer als 2,5V. Die folgenden Grafiken
zeigen den Kapazitätsabfall der Akkus während ihrer Lebensdauer
in Abhängigkeit von der Ladespannungsbegrenzung auf 4,1V und 4,2V:
Zyklenlebensdauer bei 4C Entladestrom (li.) und bei 10C Entladestrom
(re.)
(click zum Vergrössern)
Da wir nur 1C entnehmen, ist von einer noch höheren Lebenserwartung
auszugehen.
Dass die präzise Einhaltung der Abschaltspannung sich auf die Lebensdauer
auswirkt, verdeutlicht folgende Grafik:
Zyklenlebensdauer vs. Abschaltspannung
Wir können also bereits bei unter 2,5V von einer Tiefentladung sprechen,
die zwar einen Li-Mn-Akku nicht unmittelbar zerstört, die es aber trotzdem
zu vermeiden gilt. Das ist nur mit geeigneter Ansteuerungselektronik zu erreichen
(dieses Messdiagramm bezieht sich auf einen vergleichbaren Akkutyp kleinerer
Kapazität, die Werte sind jedoch vergleichbar).
Dass wir nicht bereits durch die Lagerung und die Selbstentladung solch eine
Tiefentladung verursachen, verdeutlichen folgende Grafiken:
Spannungsabnahme während Lagerung: 30% geladen (li.) und 100% geladen
(re.)
(click zum Vergrössern)
Selbst nach einem Jahr Nichtbenutzung ist der Spannungsabfall zwar messbar,
aber zu vernachlässigen.
Diejenigen von uns, die nur ein oder zwei Tauchurlaube im Jahr machen und
die Lampe dazwischen einlagern, erwarten jedoch auch, dass der Akku danach
auch wieder höchstmögliche Kapazität erreicht: Selbst nach
einem Jahr ist nach Lagerung (Raumtemperatur, Akku 30% geladen) und erneutem
Aufladen ein nur messbarer Kapazitätsverlust festzustellen.
Kapazität nach Lagerung: 30% geladen (li.) und 100% geladen (re.)
(click zum Vergrössern)
Der Verlust ist zwar noch erträglich, aber der Unterschied ist bereits
signifikant.
Der Empfehlung, den Akku vor der Lagerung teilzuentleeren, ist für ein
langes und glückliches Lampenleben also gerne zu folgen. Damit erschöpfen
sich allerdings auch schon die Pflegehinweise…
Ein für uns Taucher nicht unerheblicher Faktor ist die Temperaturempfindlichkeit:
der Einsatzbereich liegt schließlich zwischen dem Gefrierpunkt im Winter
und tropischen Temperaturen im Urlaubsland.
Dass sich die Lagerung selbst bei 45° noch nicht als allzu schädlich
auswirkt, verdeutlichen die obigen Grafiken (Verlauf der grünen Linie).
Wie sieht es jedoch mit dem Gebrauch bei unterschiedlichen Temperaturen aus?
Zyklenlebensdauer nach Lade-/Entnahmestrom bei 45°C
Analog zu Bild 6 ist hier ein Messaufbau dargestellt, der sich mit Absicht
jenseits des Anwendungsgebietes bewegt, in dem wir unsere Tauchlampen benutzen.
45°C über 24 Stunden haben wir schließlich selbst im Traumurlaubsland
nicht… Es wird deutlich, dass eine solche Umgebung für die Akkus zu
vermeiden wäre, wenngleich sie auch nicht das sofortige Aus bedeutet.
Bei Aufbewahrung im Schatten spricht also nichts gegen eine dauerhafte Verwendung
auf Tauchbasen, selbst in heißeren Regionen.
Einige lieben die Tropen, für andere sind stille Wintertauchgänge
bei traumhafter Sicht in heimischen Seen interessant; das Wasser hat maximal
4°, außerhalb ist es oft empfindlich kälter. Also sind auch
Angaben wichtig, wie sich der Akku nahe dem Gefrierpunkt verhält.
Hierzu dient die folgende Grafik:
temperaturabhängiger Spannungsverlauf
Bei einem Vergleichstyp gemessen, zeigen die Kurven für 0°C und
für 23°C, dass die Spannung erst bei nach ca. 90% der Nennkapazität
auf den Wert abfällt, wo die Steuerelektronik abschaltet.
Zusammenfassend sind diese Werte also so zu interpretieren, dass dieser Akkutyp
sich für einen weiten Temperaturbereich eignet, sowohl, was die Lagerung,
als auch die Benutzung betrifft.
…und Aussicht
Wenn in diesen Diagrammen von Ladezyklen gesprochen wird, von Kapazitätsverlust
und –Wiedergewinnung, dann denke ich als Benutzer schon jetzt daran, dass
mich der Akku meiner Lampe irgendwann verlassen wird. 500 Zyklen hören
sich gewaltig wenig an…
Gehen wir von 200 Tauchgängen im Jahr aus, so wären das in meinem
Fall 100 Ladezyklen, vielleicht 130, schließlich ist mancher Tauchgang
länger. Also hätte ich immerhin 4 Jahre Zeit und damit keinen Grund,
mir heute schon Sorgen zu machen.
Im Labor wurden übrigens mit Li-Mn-Akkus schon 2500 Zyklen gefahren,
bevor die Verschleißgrenze erreicht war. Inwieweit das auf die Realität
zu übertragen ist, lässt sich allenfalls erahnen. Klar ist jedoch,
dass hier ein Generationswechsel stattfindet, ähnlich dem dereinst von
Ni-Cd zu Ni-Mh.
Persönlich bin ich kein großer Anhänger von längeren
Wartungsmaßnahmen und mag mich nicht damit befassen, wie ich die Lampe
zu pflegen habe, sondern will tauchen gehen – und mir im besten Fall nicht
schon Tage vorher überlegen müssen, in welchem Ladezustand der
Akku wohl ist. Meiner Bequemlichkeit kommt der Li-Mn-Akku also gerade recht.
Wie sich der Akku gerade bei meinen Lieblingstauchgängen im Winter,
bewährt, darf sich zeigen: die Erfahrungen der bisherigen zwei Dutzend
Tauchgänge zwischen September und Dezember versprechen, dass ich meinen
Wunschakku gefunden habe.
Eine Zusammenfassung der Testergebnisse folgt im dritten Teil dieser kleinen
Serie: hier wollen wir persönliche Erfahrungen anhand realistischer
Tauchgänge bei winterlichen Temperaturen einfließen lassen, jenseits
von Messdiagrammen, im täglichen Gebrauch.
Um eine Entscheidungshilfe für den Kauf bieten zu können, wird
dabei der direkte Vergleich zu einer Lampe mit Ni-MH-Akkus natürlich
nicht fehlen.
Weiterführende Links
Vorstellung Li-Mn Akkus (Ausgabe 68)
Tauchlampen Aktuell (Ausgabe 72)
mbsub Produktpalette
BMZ
© 2006 Text und Fotos: Oliver Mühlenbein
© 2006 Grafiken: BMZ
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Onlinemagazin - 74. Ausgabe - Dauertest Lithium-Mangan-Akkulampen
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