Ladebegrenzer Chargie im Test

Problembeschreibung

Um die Notwendigkeit und Funktion des Chargie zu verstehen, müssen wir leider etwas weiter ausholen und zumindest grob erklären, wie ein Lithium-Ionen-Akku im Smartphone geladen wird und welche Einflussfaktoren es für die Lebenserwartung eines Akkus gibt.

Die meisten Smartphones (und sonstigen mobilen Geräte) verwenden mittlerweile fest verbaute Lithium-Ionen-Akkus und geben dem Nutzer keine Möglichkeit, den Akku schnell, preiswert und unkompliziert zu wechseln. Lithium-Ionen-Akkus in modernen Smartphones sind vor allem auf eine hohe Energiedichte und nicht auf eine lange Lebenserwartung optimiert. In der Regel sind daher Smartphone-Akkus nach 500–1500 Zyklen oder 2–4 Jahren „am Ende“ und erreichen nicht mehr die Kapazität, welche eine zufriedenstellende Nutzung zulässt. Nicht selten werden, ansonsten noch voll funktionsfähige Geräte, vorzeitig entsorgt, weil der Akku am Ende seiner Lebenserwartung ist und ein Akkutausch unmöglich oder zu teuer ist.

Einflussfaktoren auf die Lebenserwartung eines Lithium-Ionen-Akkus

Die Lebenserwartung eines Lithium-Ionen-Akkus ist von vielen Faktoren abhängig darunter:

• Akkutyp und Ausrichtung der Optimierung z. B. hohe Energiedichte, hohe Zyklenbelastbarkeit etc.
• Temperatur des Akkus bei Laden/Entladen – in der Regel führen extreme Temperaturen zu einem höheren Verschleiß
• Strombelastung beim Laden/Entladen – in der Regel führt schnelles Laden/Entladen zu einem höheren Verschleiß
• Tiefe der Zyklen – in der Regel führen tiefe Zyklen zu einem höheren Verschleiß
• Ladestand (auch bei Lagerung) – in der Regel führen sehr hohe und sehr geringe Ladezustände zu einem höheren Verschleiß

Viele Punkte kann der Nutzer durch einfache Verhaltensregeln beinflussen. So kann man z. B. das Laden bei extremen Temperaturen vermeiden, den Akku nicht erst aufladen, wenn er komplett leer ist oder auch das Gerät nie mit leerem Akku längere Zeit lagern. Doch es gibt auch Punkte, wo es für den Nutzer schwierig ist, ohne technische Hilfsmittel eine übermäßige Belastung des Akkus zu vermeiden: die Begrenzung des Ladestands. Natürlich kann man sein Smartphone immer vom Ladekabel trennen, wenn es eine Ladung von 80 Prozent erreicht hat, praxistauglich ist diese Vorgehensweise aber natürlich nicht. Auch Apps, die beim Erreichen eines bestimmten Akkusstandes warnen und den Nutzer zur Trennung auffordern, sind wenig geeignet, dauerhaft einen hohen Ladestand zu vermeiden.

Ladeverfahren Lithium-Ionen-Akkus

Lithium-Ionen-Akkus werden nach dem Prinzip CC-CV (Constant-Current-Constant-Voltage) geladen. Hat der Akku z. B. eine Ladeschlussspannung von 4,2 Volt, so wird in der ersten Phase mit einem festen und begrenzten Strom geladen, bis der Akku die Ladeschlussspannung von 4,2 Volt erreicht hat. In der Regel ist mit Erreichen der Ladeschlussspannung bereits ca. 80 Prozent der Kapazität eingeladen. Dieser Teil der Kapazität wird mit einem hohen Strom und damit auch entsprechend schnell geladen.
Ist die Ladeschlussspannung erreicht, wird die Spannung auf diese begrenzt und der Akku wird mit abnehmendem Strom weitergeladen, bis der Ladestrom eine gewisse Untergrenze unterschreitet. Die Kapazität steigt dabei auf 100 Prozent, wobei die Ladung „hintenraus“ durch den sinkenden Strom immer langsamer wird.
Diese letzten 20 Prozent der Kapazität benötigen also deutlich mehr Zeit und während dieser Zeit ist die Zellspannung die ganze Zeit auf der maximalen Spannung (Constant Voltage). Dieser Zustand ist für den Akku „Stress“ und mit erhöhten Temperaturen und einem erhöhten Verschleiß behaftet. Je nach Ladeelektronik (des Smartphones oder anderer mobiler Geräte) wird bei dauerhaft angeschlossenem Netzteil dann die Spannung sogar dauerhaft auf der Ladeschlussspannung gehalten, so dass der Akku immer maximal voll, aber auch stark belastet wird.

Um die Lebenserwartung des Akkus zu verbessern wäre es daher sinnvoll, entweder die Ladung zu begrenzen, z. B. wenn man die maximale Kapazität von 100 Prozent gar nicht benötigt oder aber zumindest dafür zu sorgen, das der Akku nicht dauerhaft auf der Ladeschlussspannung gehalten wird und der Ladevorgang nach dem Erreichen von 100 % dauerhaft beendet wird.

Begrenzung des Ladestands

Viele hochwertige Geräte mit Lithium-Ionen-Akkus wie z. B. Laptops, aber auch Elektrofahrzeuge, verfügen über entsprechende Einstellungen, um die Ladekapazität bzw. den Ladestand zu begrenzen, um die Lebenserwartung zu erhöhen. Gerade bei Laptops, welche oft dauerhaft an ein Netzteil angeschlossen und nur gelegentlich mobil verwendet werden, macht es Sinn, den Akku während der dauerhaften Netzteilphase nur bis 80 Prozent zu laden. Auch bei einem Elektroauto, welches eine Reichweite von 300 km hat, aber nur im Citybetrieb verwendet wird, macht es Sinn, den Akku nicht über die CC-Phase (Constant-Current) hinaus zu laden und so die schädlich hohen Ladezustände zu vermeiden.

Leider bieten Smartphones (und die allermeisten sonstigen mobilen Geräte mit Lithium-Ionen-Akku) gewöhnlich keine Möglichkeit, den Ladezustand über eine Software zu begrenzen. Wenn überhaupt gibt es Softwarelösungen nur für einige gerootete Smartphones.

Eine universelle Lösung des Problems ist der Chargie Limiter. Das Konzept: Zwischen Ladegerät und Smartphone wird der Chargie-Adapter zwischengeschaltet. Der Chargie verbindet sich über Bluetooth mit dem Smartphone und kann so den Ladestand des Smartphones auslesen. Das Abschalten des Ladestroms erfolgt dann im Chargie, sobald die in einer App eingestellte und gewünschte Kapazität erreicht ist.

Doch was ist mit Geräten ohne Bluetooth und App?

Auch hier kann der Chargie die Ladung vorzeitig beenden. Wir hatten ja bereits die Ladephasen eines Lithium-Ionen-Akkus erwähnt. Nach der CC-Phase (Constant Current) sinkt der Ladestrom langsam ab. Kennt man nun den Ladestrom des angeschlossenen Verbrauchers in der CC-Phase, kann Chargie die Ladung beenden, wenn der Ladestrom deutlich unter den Ladestrom der CC-Phase fällt. Mehr dazu später …

Funktionen des Chargie im Detail

Im Folgenden stellen wir kurz die Funktionen des Chargie A und des Chargie C Basic vor. Beide Versionen unterscheiden sich hauptsächlich durch die Stecker/Buchsen sowie durch die maximale Spannung/Strom:

• Chargie A (USB-A) hat eine maximale Spannung von 16 Volt und verträgt 6 A Ladestrom (10 A Peak)
• Die USB-C-Version hingegen kann 20 Volt und ebenfalls 6 A Ladestrom (19 A Peak) vertragen.

Beide Modelle unterstützen QC3/4. Die USB-C-Version unterstützt USB-PD (Power delivery), allerdings nur mit 8–10 Watt. Diese Einschränkung ist wesentlich. Zwar ist eine langsame Ladung ebenfalls wichtig für ein langes Akkuleben, allerdings wäre es besser der Chargie würde auch höhere Ladeleistungen unterstützen und wäre dann über die App in der Lage den Ladestrom zu begrenzen. So könnte der Nutzer individuell wählen ob eine schnelle Ladung wichtiger ist als etwas mehr Schonung. Eine schnellere Ladung über USB-C PD ist mit dem Chargie nur möglich, wenn ein zusätzlicher PD-Trigger vorgeschaltet wird wie z.B. der AVHzY PD-Trigger aber damit wird es schnell sehr technisch und nicht mehr alltagstauglich.

Begrenzung des Ladestands

Die wichtigste Funktion ist die Begrenzung des Ladezustands. Der Nutzer kann den gewünschten Ladezustand in der Chargie-App einstellen. Die Ladung wird beendet, sobald der eingestellte Ladestand erreicht ist. Darüber hinaus kann auch eingestellt werden, wann die Ladung erneut beginnen soll, z. B. nachdem der Ladezustand wieder um 5 Prozent gesunken ist.

Begrenzung durch Temperatur

Chargie ermittelt die Temperatur des Smartphone-Akkus und kann die Ladung beenden, wenn eine eingestellte Temperatur überschritten wird. Der Akku wird so vor schädlichen hohen Temperaturen geschützt. Zwar ist ein solcher Schutz durch das Smartphone selber vorhanden, allerdings wird vom Smartphone erst die Ladung verweigert, wenn die Temperaturen wirklich extrem sind. Mit Chargie kann man somit selbst festlegen, bei welcher Temperatur man den Akku lieber nicht mehr laden möchte.

Top Up-Ladung

Ein nicht voller Smartphone-Akku ist zwar gut, um die Lebenserwartung zu erhöhen, kann aber auch von Nachteil sein, wenn eine lange Akkulaufzeit nötig ist. Wenn man doch mal einen komplett vollen Akku benötigt, kann man die Top Up-Funktion verwenden und z. B. einen Zeitpunkt festzulegen, wann das Smartphone doch bis 100 Prozent laden soll.
Schließt man z. B. sein Smartphones Abends ans Netzteil, würde es normalerweise direkt bis 100 % laden und dann die ganze Nacht über auf einem eher schädlich hohen Ladungszustand verbleiben. Nutzt man Chargie mit Top Up-Funktion, kann man etwa einstellen, dass das Smartphone um 6 Uhr mit der Ladung auf 100 Prozent beginnen soll, so dass es dann mit Verlassen des Hauses um 8 Uhr vollgeladen ist. Dem Smartphone bleibt dann der unnötig hohe Ladestand in der Nacht erspart. Der Akku wurde geschont, ohne dass man auf die volle Kapazität verzichten musste.

Hardware-Limiter

Der Hardware-Limiter macht vor allem bei Geräten Sinn, die nicht per Bluetooth den Ladezustand an die App übertragen können. Damit der Chargie die Ladung vorzeitig beenden kann, ohne auf eine App angewiesen zu sein, muss vorab über die App der Hardware-Limiter aktiviert werden. Dabei können zwei Parameter eingegeben werden:

• Low power cutoff threshold: Hier gibt man die Ladeleistung in Watt ein, bei deren Unterschreitung die Ladung unterbrochen werden soll. Dazu muss man genau wissen, welche Ladeleistung das angeschlossene Gerät in der Constant-Current-Ladephase zieht, um dann eine etwas geringere Ladeleistung als „cutoff threshold“ einzustellen. Die Ladung kann auf diese Weise nur in der Constant-Voltage-Ladephase beendet werden, also im Bereich von ca. 80–100 Prozent.
• Power re.measure interval: Hier kann man eine Zeit in Minuten/Stunden angeben, in denen der Chargie die Ladung wieder beginnt, um zu messen, welche Ladeleistung das Gerät zieht und ob diese Ladeleistung (+1 Watt) wieder über dem Low power cutoff threshold liegt. Ist das der Fall, wird geladen, ist das nicht der Fall, wird die Messung beendet und der Ladevorgang nicht gestartet.
• Power injection (nur iOS): Hier kann eine absolute Zahl für die zu ladende Energie in Wattstunden angegeben werden. Mit Erreichen der Soll-Ladung wird die Ladung beendet.

Leider bietet der Hardware-Limiter keine Möglichkeit, den Ladestrom / die Ladeleistung allgemein in der App aufzuzeichnen und als Diagramm darzustellen. Eine solche Darstellung ist nur für das Gerät möglich, auf dem die App läuft. Ein entsprechendes Diagramm wäre sehr hilfreich, um für angeschlossene Geräte die passenden Werte für den Low power cutoff threshold zu ermitteln. Immerhin werden die aktuelle Ladeleistung, der aktuelle Ladestrom und die aktuelle Ladespannung angezeigt, sodass sich hier auch ohne zusätzliches Messgerät der passende cutoff threshold ermitteln lässt.

Manuel Switch

Es gibt in der App die Option, die Ladung manuell zu starten und zu stoppen. Durch diese Funktion kann Chargie auch als simpler USB-App-Schalter missbraucht werden, z. B. um einen USB-Lichterkette über die App zu schalten.

Android Auto Modus (nur Android)

Dieser Modus erlaubt, dass das Smartphone mit Android Auto verbunden sein kann, ohne geladen zu werden. Der Ladestand sinkt entsprechend, Android Auto erkennt das Smartphone dennoch als angeschlossen. Der Android-Auto-Modus ist nicht mit allen Smartphones kompatibel und wurde von uns nicht ausführlich getestet.

Charging Power (nur iOS)

Leider kann die Ladeleistung nur in der iOS-App begrenzt werden. Damit fehlt in der Android-App ein wesentlicher Hebel, die Lebenserwartung weiter zu erhöhen, denn eine langsame Ladung schont den Akku maßgeblich. Allerdings reduziert die USB-C Version die Ladeleistung auf 8-10 Watt.  Da diese Funktion nicht für alle Nutzer zur Verfügung steht, haben wir uns im späteren Test bei der Frage „was bringt das ganze wirklich“ eher auf die Begrenzung der Ladung konzentriert und den Einfluss der Ladegeschwindigkeit auf die Lebenserwartung im Test nicht untersucht – ist vielleicht etwas für später …

Was bringt das Ganze wirklich?

Schätzung

Diese Frage ist sehr schwer zu beantworten. Dank unserer langjährigen Erfahrung mit Akkus z. B. aus unserem AA-Akkus Vergleichstest und unserem 1,5 Volt Lithium-Ionen AA Akku-Vergleichstest sowie unseren Powerbank Tests wagen wir mal eine Schätzung: Würde man mit Chargie sein Smartphone immer nur bis ca. 80 Prozent laden (Ende der CC-Phase) statt es jeden Abend und über Nacht auf 100 % zu laden, könnte sich die über die Lebenszeit speicherbare Energie schätzungsweise um 20–30 Prozent erhöhen. Vermutlich ist aber ein Vermeiden von tiefen Entladungen über längere Zeit noch wichtiger, um den Akku nicht schnell altern zu lassen.

Test

Da wir uns auf eine reine „Schätzung“ nicht verlassen wollen, haben wir einen Test mit zwei Lithium-Ionen-Akkus begonnen, um zu messen, wie stark sich das Laden bis 100 Prozent auf die Lebensdauer auswirkt. Natürlich ist auch dieser Test nur eine „Annäherung“ und dieser kann die komplexen Bedingungen einer Akkunutzung unter realen Bedingungen nicht hinreichend abdecken. Weiterhin gilt das Testergebnis natürlich auch nur für diesen einen getesteten Akkutyp und dies muss nicht 1:1 auf andere Hersteller, Kapazitäten, Lade- und Entladeströme etc. übertragbar sein.

Zum Test haben wir einen BL-5K Akku 1300 mAh verwendet und jeweils wie folgt getestet:

• 1. Akku mit vollen Zyklen: Laden CC 500 mA bis 4,2 Volt dann Cut OFF 10 mA – Entladen 500 mA Cut OFF 3 Volt
• 2. Akku mit Zyklen bis ca. 80 Prozent: Laden CC 500 mA bis 4,2 Volt dann Cut OFF 490 mA – Entladen 500 mA Cut OFF 3 Volt

Da dieser Test erwartungsgemäß sehr lange dauern wird, bitten wir um etwas Geduld, bis die Ergebnisse hier im Test präsentiert werden können.

Eigenverbrauch

Der Stromverbrauch beider Chargie Versionen ist mit ca. 10mA (wenn beide LEDs an sich) sehr gering und damit in der Praxis unwesentlich:

Fazit

Chargie hat in unserem Test exakt so gearbeitet, wie es vorgesehen ist. Die Bluetooth-Verbindung war problemlos und Chargie arbeitete zuverlässig und exakt wie gewünscht. Ärgerlich sind die Unterschiede zwischen der iOS- und der Android-Version. So hätten wir uns auch in der App für Android eine Möglichkeit gewünscht, die Ladeleistung zu begrenzen und den Hardware-Limiter auf eine feste Kapazität zu begrenzen. Darüber hinaus wäre es schön, wenn in der App Statistiken und ein Diagramm des letzten Ladevorganges verfügbar und exportierbar wären. Gestört hat und die zwanghafte Reduktion der Ladegeschwindigkeit in der USB-C Version. Wünschenswert wäre es, man könnte die volle Ladeleistung im Bedarfsfall auch nutzen und diese gezielt per App reduzieren.

Insgesamt könnte die App durchaus noch etwas besser bedienbar sein, einige Einstellungen können leicht, aus Versehen verstellt werden (z. B. die Ladeleistung des Hardware-Limiters) und auch der Quermodus wird nicht optimal unterstützt.
Von diesen Kleinigkeiten abgesehen erfüllt Chargie seinen Zweck und begrenzt die Ladung von Smartphone oder anderen USB-Verbrauchern zuverlässig und sicher und ermöglicht damit, den Akku von Smartphones effektiv zu schonen.

Bezugsquelle und Preis

Der Chargie Ladebegrenzer kann auf der Webseite des Herstellers gekauft werden: Chargie Shop

Der Preis beträt (umgerechnet Stand 08/2022) ca. 34 EUR zzgl. 4,95 EUR Versand. Unserer Meinung nach ist der Preis schon ordentlich hoch, allerdings ist der Chargie flexible einsetzbar und spart im besten Fall den vorzeitigen Wechsel teuer Geräteakkus.