Was ist eine EFB-Batterie? Bedeutung der EFB-Batterie
Um die CO2-Emissionen von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor (ICE) zu reduzieren, setzen die Hersteller zunehmend auf die so genannte Start-Stopp-Technologie. Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich um eine Technologie, die in das Steuersystem eines Motors eingebaut ist und den Motor bei Stillstand automatisch abschaltet. Der Motor springt wieder an, wenn das Gaspedal betätigt wird und der Fahrer weiterfahren möchte. Der Grundgedanke besteht darin, die Zeit zu verkürzen, in der der Motor unnötig Kraftstoff verbrennt, z. B. wenn er während der Fahrt an Ampeln oder Kreuzungen steht.
Dies ist besonders effektiv, wenn die Fahrt häufig unterbrochen wird, wie in einer Stadt, in der es auf dem Weg zu einem Ziel häufig zu Pausen kommt. Eine unvorhergesehene Folge davon war leider die Beeinträchtigung der SLI-Batterie (Start, Beleuchtung, Zündung) des Fahrzeugs. So kam es in den ersten Produktionsjahren dieser Fahrzeuge zu nie dagewesenen Garantieansprüchen, da fabrikneue SLI-Batterien innerhalb weniger Monate nach der Inbetriebnahme ausfielen.
Es gab mehrere Fehlerursachen: Überentladung, Sulfatierung und PSoC-bezogene Probleme wie vorzeitiger Kapazitätsverlust (PCL). Das Grundproblem bestand darin, dass die Batterien in der Zeit, in der das Auto zwischen den Standzeiten gefahren wurde, nicht ausreichend durch die Lichtmaschine aufgeladen werden konnten. Einfach ausgedrückt: Wenn das Auto anhält, wird der Motor und damit die Aufladung der Batterie durch die Lichtmaschine gestoppt.
Die Batterie wird jedoch weiterhin von verschiedenen Geräten belastet, die noch in Betrieb sind, z. B. Radio, Motorsteuerung, Beleuchtung, Klimaanlage und sogar Scheibenheizung. Während dieser Stillstandszeiten wird mehr Energie aus der Batterie entnommen, um diese Geräte zu betreiben, als durch die Lichtmaschine ersetzt wird, wenn der Motor läuft. Unter diesen Bedingungen wird die Batterie allmählich entladen und verbringt den größten Teil ihrer Lebensdauer in einem niedrigen Ladezustand mit einem Elektrolyt mit niedrigem SG.
EFB Batterieladegerät
Das Testprogramm beginnt mit einer 10-sekündigen Ruhephase, gefolgt von einer Aufladung durch die Lichtmaschine, um das Fahren zu simulieren. Die Ladezeit wird auf der Grundlage der Batteriekapazität berechnet (Abb. 2). Am Ende der Fahrzeit hält das Auto an und es wird ein Strom von 50 Ampere entnommen. Dies wird als die Krankenhauslast oder die wesentliche elektrische Last wie Heizung, Klimaanlage, Licht, Radio usw. bezeichnet. Dies sind die typischen Geräte, die bei stehendem Fahrzeug in Betrieb sein können.
Dies war ein großes Problem für die Batterie- und Automobilindustrie, und 2015 wurde der europäischen Norm 50342-6 ein neuer Standardtest hinzugefügt. das war ein Mikro-Hybrid-Dauertest für Starterbatterien. Das Grundprinzip des Tests ist in Abb. 1 schematisch dargestellt. Hier ist zu erkennen, dass die Zeiträume, in denen die Batterie entladen und geladen wird, eine Simulation eines Autos auf einer Fahrt in einem verkehrsreichen oder bebauten Gebiet wie einer Stadt darstellen.
Die nächste Periode ist eine Entladung von ein paar Sekunden mit 300 Ampere, die die Belastung der EFB-Batterie durch den Motorstartstrom simuliert. Dieser ganze Zyklus wiederholt sich ständig. Ohne auf den absoluten Testablauf einzugehen, lässt sich feststellen, dass dieser Test darauf ausgelegt ist, den Stadtverkehr zu simulieren. Die Mindestanzahl dieser Zyklen, die eine Batterie leisten sollte, beträgt 8.000. Abb. 3 ist ein Auszug aus der vorläufigen Norm pr50342-6, die inzwischen durch die genehmigte Fassung ersetzt wurde.
Abb. 3 ist ein Auszug aus der vorläufigen Norm pr50342-6, die inzwischen durch die genehmigte Fassung ersetzt wurde.
Wie unterscheidet sich die EFB-Batterie von einer Flutbatterie?
Die Hauptfunktion des Tests besteht darin, die Auswirkungen auf SLI-Batterien aufzuzeigen, die sich aus einer fortschreitenden Verringerung des Ladezustands (State of Charge, SoC) einer Batterie aufgrund häufiger Entladungen bei angehaltenem Fahrzeug und unzureichender Wiederaufladung während der Fahrzeit zwischen den Stopps ergeben. Im Allgemeinen hat die Entladung der Batterie katastrophale Folgen, und der Ausfall könnte innerhalb weniger Monate aufgrund von Plattensulfatierung, PSoC-Effekten wie dem Abbau des aktiven Materials und der Elektrolytschichtung erfolgen, was zu Netzkorrosion und Pastenabwurf führt.
Es muss betont werden, dass es sich um eine Simulation handelt. Dies unterstreicht jedoch die Notwendigkeit einer EFB-Batterie, die in kurzer Zeit Energie aufnehmen kann, um die entnommene Energie zu ersetzen. In absoluten Zahlen hängt die Fähigkeit, die von einer EFB-Batterie in einem Start-Stopp-Fahrzeug verbrauchte Energie wieder aufzufüllen, natürlich von externen Faktoren ab. Einige Beispiele sind: in welchem Land Sie leben, ob Sie in der Stadt oder auf dem Land fahren, ob es mitten im Winter in Moskau ist, wo die Heizung und das Licht voll in Betrieb sind, oder in Frankreich im Frühling, wo weder Licht, Heizung noch Klimaanlage in Betrieb sind.
Die grundsätzliche Frage ist: Wie kann man bei einem EFB-Batterie-Start-Stopp-Fahrzeug in der zur Verfügung stehenden Zeit genügend Ladung in die EFB-Batterie bringen, um zumindest die entnommene Energie zu ersetzen?
Wir wissen, dass die Lichtmaschine des Fahrzeugs und das Motormanagementsystem in ihrer Funktionsweise festgelegt sind, so dass nur noch die EFB-Batterie geändert werden muss. Welche Eigenschaften der EFB-Batterie müssen also angepasst werden, um die Stromaufnahme zu verbessern und die oben genannten schädlichen Folgen von niedrigem SG, PSoC-Betrieb, Stratifikation und PCL zu verhindern? An dieser Stelle können wir die Eigenschaften der Batterie auflisten, die sich auf ihre Stromaufnahme und die Neigung zu den genannten Effekten auswirken.
Diese sind:
- Innerer Widerstand
- Kapazität der Batterie
- Aktives Material
- Mobilität der Elektrolyte
- Legierungszusammensetzung des Gitters
Um die Batterieleistung zu verbessern, können wir jeden der oben genannten Punkte untersuchen, um entsprechende Verbesserungen vorzunehmen.
Erstens der Innenwiderstand: Je höher dieser ist, desto geringer ist der Strom, der bei einer festen Spannung aus der Lichtmaschine entnommen wird I = V/R. Je niedriger der Strom ist, desto weniger Amperestunden fließen in den Zeiten, in denen der Motor läuft, in die EFB-Batterie zurück. Bei den ersten Start-Stopp-Autos war die EFB-Batterie auf den meisten Kurzstrecken sicherlich zu wenig geladen. Dies führte bald zu einem frühzeitigen Ausfall der Batterien und einer hohen Rückgabequote im Rahmen der Garantie. Der Innenwiderstand ist eine Funktion der Batteriekonstruktion, der verwendeten Materialien und der bei der Herstellung angewandten Verfahren
Zu den konstruktiven Aspekten gehört das Gitter, das bei richtiger Formgebung den Stromsammelweg minimieren kann. Die Gesamtoberfläche der Platten ist ein weiteres wichtiges Merkmal: Je größer die Fläche, desto geringer der Widerstand der Batterie. Im Allgemeinen wird die leitende Fläche durch mehr und dünnere Platten maximiert. Die Querschnittsfläche und die Qualität aller Metallverbindungen, d.h. der Schweißnähte zwischen den Zellen, der Laschenverbindungen und der Schweißnähte zwischen Abgang und Anschluss, tragen alle zum Gesamtinnenwiderstand der EFB-Batterie bei. Die Querschnittsflächen der verschmolzenen, geschweißten Bereiche sollten so groß wie möglich sein, um den geringsten metallischen Widerstand der Bauteile zu erreichen.
Lebensdauer der EFB-Batterie. Wie kann man die Eigenschaften der EFB-Batterie verbessern?
- Einige Aspekte der Herstellung von Bleibatterien, wie das Mischen und Aushärten der Paste, erfordern strenge Prozesskontrollen. Die Temperaturkontrolle ist von entscheidender Bedeutung für die Herstellung der optimalen Kristallstruktur im vorgeformten aktiven Material (AM). Höhere Verarbeitungstemperaturen begünstigen die Bildung größerer Tetrabasensulfate, deren geringere Oberfläche die Ladungsaufnahmeeigenschaften des AM und damit die Wirksamkeit der EFB-Batterie im Start-Stopp-Betrieb verringert.
- Die Kapazität der EFB-Batterie ist ein weiterer wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Stromaufnahmegeschwindigkeit. Je höher die Kapazität, desto höher die Stromaufnahme bei einem bestimmten Ladezustand. Die Kapazität steht im Zusammenhang mit der Fläche des aktiven Materials in den Platten (siehe oben). Eine Erhöhung der Kapazität führt zu einer niedrigeren IR bei höherer Stromaufnahme als bei einer Batterie mit geringerer Kapazität, wenn sie bei einer festen Spannung geladen wird.
Dies bedeutet wiederum, dass mehr Kapazität in die EFB-Batterie zurückgeführt wird, wenn der Motor läuft. Außerdem hat es den Vorteil, dass es sich während eines zyklischen Betriebs nicht zu tief entlädt und dadurch einen höheren Ladezustand (SOC) während seiner Lebensdauer beibehält. Der Vorteil eines höheren SOC liegt darin, dass die Batterie weniger wahrscheinlich unter einer Elektrolytschichtung und den damit verbundenen Korrosionsschäden leidet.
- Die Effizienz des aktiven Materials ist ein weiterer Faktor, der mit dem Ausfall der Batterie zusammenhängt. Die Ladungsaufnahme kann durch Zusätze, hauptsächlich Kohlenstoff in verschiedenen Formen, im negativ aktiven Material (NAM) verbessert werden. Es gibt viele Spekulationen über die Rolle des Kohlenstoffs, und viele Additivhersteller haben ihre eigenen Produkte. Diese reichen von Kohlenstoff-Nanoröhrchen bis hin zu flockigem Graphit und haben alle die Eigenschaft, die Effizienz des aktiven Materials bei der Aufnahme einer Ladung zu verbessern.
Auch dies ist ein positiver Effekt für Batterien, die für Start-Stopp-Anwendungen verwendet werden. EFB-Flutbatterien und zunehmend auch AGM-Batterien erhöhen den Kohlenstoffgehalt ihres NAM. Die Verwendung einer Flutbatterie mit höherer Kapazität würde dazu beitragen, die Schichtung zu verhindern, indem die Entladetiefe während des normalen Betriebs verringert wird. Dies wiederum bedeutet, dass die EFB-Batterie weniger wahrscheinlich unter der schädlichen Trennung von dichter und niedriger SG-Säure während der Lade-Entladezyklen leidet.
- Die Elektrolytmobilität bezieht sich auf die Fähigkeit des Elektrolyten, sich in der EFB-Batterie zu bewegen. Geflutete Ausführungen haben die höchste Mobilität, während AGM- und GEL-Varianten von Blei-Säure-Batterien wenig oder keine Mobilität aufweisen. In diesen Fällen wird der Elektrolyt als immobilisiert bezeichnet. Abgesehen von den Vorteilen der Gasrekombination und dem damit verbundenen vernachlässigbaren Wasserverlust bieten diese Konstruktionen den Vorteil, dass sie die Elektrolytschichtung aufgrund von Tiefentladungszyklen minimieren oder verhindern.
- Die Materialien, insbesondere die für die Herstellung des Gitters verwendete Bleilegierung, haben einen erheblichen Einfluss auf den Innenwiderstand (IR) der EFB-Batterie. Die Verwendung von Blei-Calcium anstelle von Blei-Antimon führt zu einem geringeren spezifischen Widerstand, vor allem weil die Menge der sekundären Legierungselemente viel geringer ist. Bei der Auswahl einer geeigneten Legierung ist große Sorgfalt geboten, da die Gießverfahren und die Verarbeitungssteuerung auf bestimmte Legierungskombinationen zugeschnitten sein müssen.
Eine unsachgemäße Verarbeitung des Gitters kann dazu führen, dass ein Teil der Bestandteile der Gitterlegierung entweder durch Ausfällung oder durch Oxidation im geschmolzenen Zustand entfernt wird. Diese Verluste können schwerwiegende Auswirkungen auf die Korrosions- und Kriechbeständigkeit des Gitters haben, was zu starkem Gitterwachstum und durchdringender Korrosion führen kann, die zu einem frühzeitigen Ausfall der EFB-Batterie beiträgt.
Bisher wurden viele Anforderungen aufgelistet, um die optimale EFB-Batterie für den Start-Stopp-Einsatz zu finden. Zunächst reagierten die Automobilhersteller mit der Verwendung von AGM-Batterien, die aufgrund ihrer Gitterlegierung und einer leichten Überdimensionierung zur Vermeidung einer Überentladung im Allgemeinen eine geringere IR aufweisen. Außerdem wurde angenommen, dass durch die Unbeweglichkeit des Elektrolyten das Auftreten von Schichtungen verringert wird. Aber auch die Kostenreduzierung war für die OEMs ein wichtiger Faktor bei der Suche nach einer geeigneten Batterie für diese Anwendung. Die derzeit beliebteste und vielleicht effektivste Lösung ist die Enhanced Flooded Battery (EFB-Batterie).
Was genau ist ein EFB?
Der Blog hat bisher die Probleme einer Mikro-Hybrid-Umgebung für eine SLI-Blei-Säure-Batterie beschrieben. Die Ursachen für das Versagen sind fast immer auf die Unfähigkeit der EFB-Batterie zurückzuführen, die Ladung schnell genug aufzunehmen, um die Energie zu ersetzen, die ein Automotor im Leerlauf verliert. Dies ist auch die Ursache für die Elektrolytschichtung, die eine wesentliche Rolle bei der Verkürzung der Lebensdauer von SLI-Batterien in Start-Stopp-Fahrzeugen spielt. Die EFB-Lösung bietet die meisten der Eigenschaften, die eine EFB-Batterie benötigt, um die Ladeakzeptanz deutlich zu verbessern. Die Ladeakzeptanz für eine SLI-EFB-Batterie im Betrieb wird oft als dynamische Ladeakzeptanz oder DCA bezeichnet.
Eine kurze Zusammenfassung der Merkmale des EFB:
- Niedriger Innenwiderstand durch besseres Gitterdesign und Verwendung von Legierungen mit niedrigem Widerstand (Pb/Sn/Ca ternär).
- Geringerer Innenwiderstand durch Vergrößerung der Plattenfläche (dünnere Platten).
- Höhere Kapazität (größere EFB-Batterie), um die Stromaufnahme bei fester Ladespannung zu erhöhen und die Entladetiefe zu begrenzen, um eine Elektrolytschichtung zu verhindern und die Lebensdauer zu erhöhen.
- Verbessertes aktives Material (in der Regel Additive auf Kohlenstoffbasis) zur Verbesserung der Ladeakzeptanz der Batterie.
Diese Maßnahmen führen zu einer gefluteten EFB-Batterie, die eine höhere Kapazität (im Allgemeinen größer) als Standardbatterien hat, über fortschrittliche Bleilegierungsgitter, eine größere Plattenfläche und mit Kohlenstoff angereichertes aktives Material verfügt. Dies ist derzeit das bevorzugte Design für SLI-Batterien in Start-Stopp-Fahrzeugen. Sie wird vor allem deshalb bevorzugt, weil sie billiger ist als eine AGM-Version. AGM-Versionen haben in der Regel auch eine um etwa 15 % geringere Kapazität als eine vergleichbar große geflutete Version. Dies bedeutet eine höhere DoD im Betrieb, was zu einer geringeren Lebensdauer führt. Überraschenderweise kann es auch bei AGM-Konstruktionen zu einer Elektrolytschichtung kommen, wenn die DoD beim Zyklieren etwa 80 % beträgt.
Es ist von entscheidender Bedeutung zu wissen, welchen Batterietyp Sie kaufen sollten, wenn die Batterie Ihres Start-Stopp-Fahrzeugs ausfällt. Wenn Sie dabei Hilfe benötigen, wenden Sie sich bitte an Microtex, die über die Erfahrung und das Wissen verfügen, um Sie beim Kauf einer Batterie zu beraten. Wenn Sie Hilfe oder Anleitung bei Batterieproblemen benötigen, ist Microtex in den meisten Fällen Ihre zentrale Anlaufstelle für Batterieberatung und -produkte.
