Batterieaufladung, der richtige Weg!
Eine Batterie ist ein elektrochemisches Gerät, das Energie in einer chemisch gebundenen Struktur speichert und die Energie in Form von Elektronen freisetzt, die bei den chemischen Entladungsreaktionen der Batterie entstehen. Das Aufladen der Batterie liefert die Elektronen, um die chemischen Bindungen zu erneuern, die in den aktiven Materialien der Batterie gespeichert sind. Dies gilt für das Aufladen aller Batterietypen, einschließlich der in diesem Blog erwähnten: Blei-Säure, Nickel-Metallhydrid, Nickel-Cadmium und Lithium-Ionen-Varianten. In diesem Blog werden wir die optimalen Ladeverfahren für 12-Volt-Batterien besprechen.
In der Regel gibt es drei Hauptarten von Gebühren:
– Konstante Spannung (CV)
– Konstanter Strom (CC)
– Konstante Leistung (Konusladung)
Alle Ladeprofile und alle Ladegeräte verwenden Varianten, oft in Kombination, dieser grundlegenden Methoden.
Die Geschwindigkeit der Batterieladung hängt von der Anzahl der Elektronen ab, die pro Sekunde in die Batterie fließen (Strom). Die Geschwindigkeit des elektrischen Flusses ist ebenso wie die des Lichts fest, so dass die Stromdichte oder die Anzahl der pro Sekunde fließenden Ampere erhöht werden muss, um die Ladungsrate zu erhöhen. Wenn die Kraft, die die Elektronen in den AM drückt, erhöht wird, d. h. die Spannung, dann wird der Elektronenfluss verstärkt. Höhere Spannungen = mehr Ampere.
Die Spannung und der Innenwiderstand der verschiedenen Batterietypen hängen von ihrer Chemie ab, und die Ladespannungen variieren entsprechend. In diesem Blog werden wir uns mit der Chemie von Blei-Säure-Batterien, Lithium-Ionen-Batterien, Nickel-Cadmium-Batterien und Nickel-Metallhydrid-Batterien beschäftigen.
Ausgehend von der Bleisäure können wir die chemischen Reaktionen beschreiben, die Elektronen speichern und abgeben, was als „Doppelsulfat-Theorie“ bezeichnet wird
- PbO2 + Pb + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O……………………………………..eq. 1
Bei dieser Reaktion wird der Elektrolyt, verdünnte Schwefelsäure, in Wasser umgewandelt, wenn er während der Entladung mit den positiven und negativen Platten reagiert. Die negative Platte wird oxidiert, da sie Elektronen abgibt, um Bleisulfat zu bilden, und die positive Platte wird von Bleioxid zu Bleisulfat reduziert, da sie Elektronen aufnimmt, um Bleidioxid in Bleisulfat umzuwandeln. Während dieser Zeit führt die Wasserproduktion zu einer Verdünnung des sauren Elektrolyten und zu einer Verringerung der Potenzialdifferenz zwischen den Platten. Dies führt zu einem niedrigeren Elektrolyt-SG und einer niedrigeren Batteriespannung. Beim Laden der Batterien ist dies umgekehrt. Diese beiden Parameter, die Batteriespannung und der Elektrolyt SG, sind also Messgrößen für den Ladezustand einer Bleibatterie.
Das Laden einer 12-Volt-Blei-Säure-Batterie erfordert eine Spannung, die höher ist als die Ruhespannung der Batterie, wenn sie vollständig geladen ist. Diese liegt normalerweise zwischen 12,60 und 12,84 für eine neue geflutete Batterie und 12,84 bis 13,08 für eine neue VRLA-Batterie. Es gibt vier grundlegende Varianten von Blei-Säure-Batterien: geflutete Flachplattenbatterien, geflutete Röhrenbatterien und die VRLA-Versionen, die AGM (Flachplattenbatterien) und GEL (meist Röhrenbatterien) sind. Die Batterietypen, ihre Anwendungen und die dazugehörigen Ladeverfahren sind in Tabelle 1 aufgeführt.
| Akku-Typ | Normales Batterieladeverfahren |
|---|---|
| Ladeverfahren für Bleibatterien mit gefluteter Platte | Konstantstrom-Konusladung Konstantstrom/Konstantspannungskonusladung Konstantspannungskonusladung |
| Verfahren zum Laden von Bleisäurebatterien mit gefluteten Platten | Konstantstrom-Konusladung Konstantstrom/Konstantspannungskonusladung Konstantspannungskonusladung |
| Bleisäure-VRLA-Batterie (AGM SMF) Ladeverfahren | Laden mit konstantem Strom / konstanter Spannung Laden mit konstanter Spannung Konstantstrom-/Konstantspannungsladung mit Impuls |
| Verfahren zum Laden von Blei-Säure-Röhren-Gel-VRLA-Batterien | Laden mit konstantem Strom / konstanter Spannung Laden mit konstanter Spannung Konstantstrom-/Konstantspannungsladung mit Impuls |
| Verfahren zum Laden von Nickel-Cadmium-Batterien | Konstantstrom langsam mit Timer keine Steuerung Konstanter Strom mit dT/dT-Abschaltung Konstanter Strom mit -dV/dT-Abschaltung |
| Verfahren zum Laden von Lithium-Ionen-Batterien | Konstantstrom mit Endstromabschaltung Konstantstrom mit Spannungsabschaltung Konstante Spannung mit Endstromabschaltung |
Tabelle 1 – verschiedene Batterietypen und die entsprechenden Ladeverfahren für verschiedene Batterietypen
- CC = Konstantstrom
- CV = Konstantspannung
- dT/dt = Steigung der Temperatur
- -dV/dt – negative Spannungssteilheit
Die aufgelisteten Lademethoden werden im Folgenden beschrieben:
- Konstantstromladung
Bei dieser Art des Ladens steigt die Spannung an, wenn die Batterie vollständig geladen ist. Der Strom wird auf einen Wert begrenzt, der die Batteriespannung und die Temperatur auf einem niedrigen Niveau hält. In der Regel gibt es eine Zeitschaltuhr zum Abschalten des Ladegeräts, um übermäßige Gasbildung und Wasserverluste zu vermeiden und die positive Netzkorrosion zu verringern. 1a. Dieses Ladeverfahren ist für verschlossene oder wartungsarme geflutete Blei-Säure-Batterien ungeeignet.
- Konstante Spannung, strombegrenzte Konusladung
Mit einer spannungsbegrenzten Aufladung wird das Problem der Gasentwicklung minimiert oder sogar beseitigt. In Abb. 1b sehen wir, dass die Spannung eine Spitze erreicht, die bei einer 12-Volt-Batterie im Allgemeinen zwischen 13,38 und 14,70 Volt liegt. Es ist klar, dass der Strom schnell abnimmt, sobald die maximale Ladespannung erreicht ist. Diese Art des Aufladens dauert in der Regel sehr lange, da die Stromstärke in der letzten Ladestufe sehr niedrig ist. Es wird im Allgemeinen für USV oder Standby-Strom verwendet, wenn es lange Ladezeiten gibt.
- Konische Ladung
Dies ist die einfachste Form des Ladegeräts, das in der Regel auf einem Transformator basiert und eine konstante Ausgangsleistung, d. h. Watt, liefert. Der Strom sinkt, wenn die Spannung steigt, wodurch eine konstante Stromzufuhr zur Batterie aufrechterhalten wird. Abb.1c zeigt eine typische Kurve, bei der der Strom mit steigender Batteriespannung abnimmt. Die Gegen-EMK nimmt auch mit dem Ladezustand SOC zu, was bedeutet, dass der Strom auf sehr niedrige Werte sinkt, da die Batterie nicht mehr Strom aufnehmen kann.
- Diese Art von Ladegerät ist nicht für verschlossene, wartungsfreie Bleibatterien geeignet, da die erzeugte Gasmenge von der Batteriespannung abhängig ist. In diesem Fall könnten Ladespannungen von bis zu 16 oder 17 Volt erreicht werden, was zu einer starken Gasentwicklung und zum Öffnen des Überdruckventils mit anschließendem Wasserverlust führen würde.
- Zweistufiges strom- und spannungsbegrenztes Laden
Ein weiteres beliebtes Ladungsprofil ist in Abb. dargestellt. 1d. Dabei wird die Spannung in der Bulk-Phase ansteigen gelassen, bis sie die Gasungsspannung erreicht. Der Strom fällt dann auf einen niedrigen festen Wert ab, um die Spannung zu verringern, die allmählich auf den Gasungswert ansteigt. Im Allgemeinen gibt es eine zeitliche Begrenzung, die mit der anfänglichen Aufladezeit der Hauptphase zusammenhängt. Dies ermöglicht eine feste Gasungsdauer und eine feste Amperestundenzahl, die vom Ladezustand der Batterie abhängt.
- Spannungsbegrenzte Großladung mit ausgleichendem Konstantstromimpuls.
Abb. 2 ist eine Darstellung eines üblichen Impulsladeverfahrens. Dies ist im Allgemeinen für Nutzer von VRLA-Batterien von Vorteil, die nur eine begrenzte Zeit haben, um ihre Batterien vollständig aufzuladen. Bei dieser Methode gibt es sowohl eine CC- als auch eine CV-Phase, in der der Großteil der Ladung aufgebracht wird.
- Der Impuls ist im Allgemeinen ein 10- bis 20-sekündiger Stromstoß mit Spannungsbegrenzung, gefolgt von einer Pause von bis zu einigen Minuten. Da die Spannung dem Strom, der eine begrenzte Dauer hat, hinterherhinkt, erreicht sie keine Spitzenwerte, bevor sie abklingt. Auf diese Weise wird die Gasentwicklung eingeschränkt, und die Pausenzeit zwischen den Stromimpulsen ermöglicht es den Gasen, sich wieder zu Wasser zu verbinden, wodurch ein Austrocknen verhindert wird.
Die bisherigen Kommentare bezogen sich auf Blei-Säure-Batterien. Das Laden von Li-Ionen-, NiCd- und NiMH-Batterien erfordert andere Ladealgorithmen als das Laden von Blei-Säure-Batterien. Bei Lithium-Ionen-Batterien ist zunächst zu beachten, dass es unterschiedliche Ladespannungen für die verschiedenen Li-Ionen-Kathoden gibt. Ein Lithium-Ionen-FePO4 arbeitet mit 3. 2 V pro Zelle, während ein Li-Co-Akku 4,3 V pro Zelle aufweist. Das bedeutet, dass Sie nicht dasselbe Ladegerät für diese beiden Batterien verwenden können.
Das allgemeine Prinzip ist jedoch für alle Arten von Lithium-Ionen-Batterien gleich und unterscheidet sich deutlich von einer Bleisäurebatterie. Da es während des Lade- und Entladevorgangs keine chemische Reaktion gibt, erfolgt die Übertragung schnell mit sehr hohen Raten, die durch die Leistung des Ladegeräts oder das BMS (Batteriemanagementsystem) begrenzt sind. Üblich sind Raten zwischen 0,1C und 1C bei konstantem Strom mit einer Spannungsabschaltung. Abbildung 3 zeigt ein typisches Ladeprofil für eine Li-Ionen-Zelle. Die Ladezeit kann auch beendet werden, wenn ein Mindeststrom von etwa 2-3% des 1C-Ampere-Wertes erreicht wird.
NiMH und NiCd haben auch unterschiedliche Lademuster und reagieren sehr unterschiedlich auf das Aufladen, sowohl im Vergleich zu anderen chemischen Systemen als auch zueinander. Abb. 4 zeigt ein typisches Ladebild für beide Ni-Cad (a) und NiMH (b). Obwohl beide Nickelvarianten die gleiche Ruhe- und Betriebsspannung haben, kann die Ladespannung erheblich variieren. Ein Ladegerät für beide Typen kann sich nicht auf die Spannung als Mechanismus zur Beendigung der Ladung verlassen. Aus diesem Grund verwenden die Ladegeräte einfach ein ein- oder zweistufiges Konstantstrom-Ladegerät mit einer Terminierung auf der Grundlage von Zeit, Spannungsanstieg und Temperaturänderung des Anstiegs. Die Untersuchung der Ladecharakteristiken zeigt, dass es sowohl zu einem Temperaturanstieg als auch zu einem gleichzeitigen Spannungsabfall kommt, wenn die Ladung 100 % erreicht hat.
Anhand dieser Merkmale wird das Ende des Ladevorgangs bestimmt. Da die absolute Spannung von der Temperatur abhängt und bei beiden Zellentypen unterschiedlich ist. Das Einsetzen der negativen Spannungsflanke (-dV/dt) oder der schnelle Anstieg der Temperaturflanke (dT/dt) sind die am häufigsten verwendeten Merkmale. Wenn eine Zeitmessmethode verwendet wird, sollte der Strom sehr niedrig sein, um eine Überladung und Sauerstoffverluste zu vermeiden. In einigen Fällen, insbesondere bei unausgeglichenen Zellen oder Batterien, ist es am besten, vor dem Laden mit der Timer-Methode auf 0,9-1,0 Volt pro Zelle zu entladen.
Wie funktioniert ein Batterieladegerät?
Alle Ladegeräte beziehen Wechselstrom (AC) aus dem Netz und wandeln ihn in Gleichstrom um. Dabei werden einige AC-Wellen auftreten, die auf weniger als 3 % begrenzt werden müssen. Einige der auf dem Markt erhältlichen Batterieladegeräte verfügen über Funktionen zur Filterung der Wellen, die ansonsten die Batterie während des Ladevorgangs beschädigen würden. In jedem Fall ist es besser, eine dreiphasige Stromversorgung zu verwenden, da der einphasige Strom eine Restwelligkeit von 10 % aufweist.
Alle Ladegeräte beziehen Wechselstrom (AC) aus dem Netz und wandeln ihn in Gleichstrom um. Dabei werden einige AC-Wellen auftreten, die auf weniger als 3 % begrenzt werden müssen. Einige der auf dem Markt erhältlichen Batterieladegeräte verfügen über Funktionen zur Filterung der Wellen, die ansonsten die Batterie während des Ladevorgangs beschädigen würden. In jedem Fall ist es besser, eine dreiphasige Stromversorgung zu verwenden, da der einphasige Strom eine Restwelligkeit von 10 % aufweist.
Konstantspannungs-Ladegerät
Bei der Konstantspannung fließt der volle Strom des Ladegeräts in die Batterie, bis das Netzteil seine voreingestellte Spannung erreicht. Der Strom sinkt dann auf einen Mindestwert, sobald dieser Spannungswert erreicht ist. Die Batterie kann bis zum Gebrauch an das Ladegerät angeschlossen bleiben und bleibt auf dieser „Erhaltungsspannung“, wobei die Erhaltungsladung die normale Selbstentladung der Batterie ausgleicht.
Konstante Spannung konstanter Strom
Konstantspannung/Konstantstrom (CVCC) ist eine Kombination der beiden oben genannten Methoden. Das Ladegerät begrenzt die Stromstärke auf einen voreingestellten Wert, bis die Batterie einen voreingestellten Spannungswert erreicht. Der Strom nimmt dann ab, wenn die Batterie vollständig geladen ist. Die Blei-Säure-Batterie wird nach dem Konstantstrom-Konstantspannungs-Ladeverfahren (CC/CV) geladen. Ein geregelter Strom erhöht die Klemmenspannung bis zum Erreichen der oberen Ladespannungsgrenze, woraufhin der Strom aufgrund von Sättigung abfällt.
Verschiedene Arten von Batterieladegeräten
Die derzeitige Batterieladetechnik basiert auf Mikroprozessoren (Computerchips), die in 3 Stufen reguliert aufladen. Dies sind die „intelligenten Ladegeräte“. Diese sind ohne weiteres erhältlich. Die drei Schritte beim Laden von Blei-Säure-Batterien sind die Hauptstromeingänge für die Umwandlung und die Erhaltungsladung in einem kontinuierlichen Zeitraum. Zur Aufrechterhaltung der Gleichmäßigkeit ist eine regelmäßige Ausgleichsabgabe erforderlich. Verwenden Sie die Empfehlungen des Batterieherstellers zu den Ladeverfahren und -spannungen oder ein hochwertiges mikroprozessorgesteuertes Ladegerät, um die Kapazität und Lebensdauer der Batterie zu erhalten.
Die „intelligenten Ladegeräte“ sind auf die moderne Ladetechnologie abgestimmt und nutzen die Informationen der Batterie, um mit einem Minimum an Beobachtung ein Maximum an Ladeleistung zu erzielen.
VRLA – Gel- und AGM-Batterien erfordern unterschiedliche Spannungseinstellungen. Dies dient dazu, Gasbildung und Austrocknung zu vermeiden. Der Sauerstoffrekombinationsprozess in einer ventilgeregelten Bleibatterie (VRLA) erfordert eine niedrigere Spannungseinstellung, um Wasserstoffentwicklung und das Austrocknen der Zelle zu vermeiden.
Die maximale Ladespannung für Gel-Batterien beträgt 14,1 oder 14,4 Volt, was niedriger ist als die Spannung, die eine Nass- oder AGM-VRLA-Batterie für eine volle Ladung benötigt. Das Überschreiten dieser Spannung in einer Gel-Batterie kann zu Blasen im Elektrolyt-Gel und zu dauerhaften Schäden führen.
Bei der Strombemessung für Batterieladegeräte wird empfohlen, das Ladegerät auf einen maximalen Strom von 25 % der Batteriekapazität zu dimensionieren. Einige Batterien geben 10 % der Kapazität an. Es ist sicherer, einen niedrigeren Strom zu verwenden, auch wenn dies länger dauert.
Ein Ladeverfahren mit konstantem Strom und konstanter Spannung (CCCV) ist eine gute Option. Ein konstanter Strom erhöht die Klemmenspannung, bis die obere Ladespannungsgrenze erreicht ist, woraufhin der Strom aufgrund von Sättigung abfällt. Die Ladezeit beträgt 12-16 Stunden, bei großen stationären Batterien auch länger (36 Stunden). Die Blei-Säure-Batterie ist langsamer und kann nicht so schnell geladen werden wie andere Batteriesysteme. Bei der CCCV-Methode werden Blei-Säure-Batterien in drei Schritten geladen: [1] Laden mit konstantem Strom, [2] Laden mit konstanter Spannung und [3] Erhaltungsladen nach Abschluss der Ladung.
Bei der Konstantstromladung wird der größte Teil der Ladung aufgebracht und etwa die Hälfte der erforderlichen Ladezeit benötigt; die Topping-Ladung wird mit einem niedrigeren Ladestrom fortgesetzt und sorgt für Sättigung, und die kontinuierliche Erhaltungsladung gleicht den durch Selbstentladung verursachten Verlust aus. Bei der Konstantstromladung wird der Akku in 5-8 Stunden zu etwa 70 Prozent aufgeladen; die restlichen 30 Prozent werden mit Konstantspannung gefüllt, die weitere 7-10 Stunden reicht. Die Erhaltungsladung in der dritten Stufe hält die Batterie auf voller Ladung.
Batterieaufladung, können Sie Ihre 12-V-Batterie überladen?
Bei all diesen Chemikalien kann eine Überladung zu Schäden oder Sicherheitsrisiken führen. Bei Blei-Säure-Batterien ist die Überladespannung begrenzt, und der überschüssige Strom wird durch die Zersetzung von Wasser, die Freisetzung von Wasserstoff und Sauerstoff und die Erzeugung von Wärme abgeführt. Eine Erhöhung des Stroms führt nicht zu einer Erhöhung der Spannung, sondern zu einer Erhöhung der Gasungs- und Wasserverlustrate und damit zu einem Temperaturanstieg. Ein gewisses Maß an Überladung wird toleriert, insbesondere wenn die Zelle oder die Batterie ausgeglichen werden muss.
Bei Lithium-Ionen-Batterien ist eine Überladung aufgrund des in die Batterie integrierten BMS schwierig. Dadurch wird die Stromzufuhr unterbrochen, sobald die Abschaltspannung erreicht ist oder die Temperatur zu hoch wird. Dies ist eine notwendige Vorsichtsmaßnahme, da Lithium-Ionen-Zellen einen flüchtigen Elektrolyten enthalten, der bei höheren Temperaturen freigesetzt wird. Es sind die Dämpfe des Elektrolyten, die in Li-Ionen-Batterien Feuer fangen und eine Überladung sehr gefährlich machen. NiCad- und NiMH-Akkus sollten nicht überladen werden, da sie Sauerstoff und damit Elektrolyt verlieren, auch wenn es sich um versiegelte Versionen handelt.
Es gibt mehrere Indikatoren für den SOC einer Batterie: die an den Polen gemessene Ruhespannung, das spezifische Gewicht des Elektrolyts (geflutete offene Batterien) oder der Impedanzwert. Sie sind für jede Batteriechemie unterschiedlich, und aus diesem Grund ist es am besten, jeden Typ separat zu betrachten:
1. Blei-Säure.
Spezifische Schwerkraft.
Die Reaktion der Platten mit Schwefelsäure beim Laden und Entladen bestimmt das Verhältnis von Säure zu Wasser in einer Zelle.
Im geladenen Zustand ist die Konzentration der Schwefelsäure hoch, im entladenen Zustand ist sie niedriger (Gl. 1). Da die Dichte von Säure 1,84 und die von Wasser 1 beträgt, steigt das spezifische Gewicht (SG) des Elektrolyten beim Laden und sinkt beim Entladen.
Die Reaktion hat eine Beziehung erster Ordnung, d. h. die Konzentrationsänderung ist linear, so dass die Messung des SG einen direkten Hinweis auf den SOC der Batterie gibt (Abb.). 5.
Ein Hinweis zur Vorsicht: Dies gilt nicht, wenn die Batterie gerade geladen wird und sich in der Bulk- oder Vorbegasungsphase befindet. Ohne Umrühren des Elektrolyten sinkt die beim Laden entstehende dichtere Säure ab, so dass der Großteil des Elektrolyten verdünnt wird, bis eine Spannung von 2,4 Volt pro Zelle erreicht ist. Von diesem Punkt an wird das Gas, das sich an den Platten entwickelt, einen Rührvorgang auslösen, um die Säure zu mischen.
Ruhespannung: Dies kann ein Hinweis auf den SOC sein und steht in folgender Beziehung zum spezifischen Gewicht der Zelle:
- Ruhespannung = SG + 0,84 …………………………………………………………..eq 2
Eine 2-V-Zelle mit einem spezifischen Gewicht von 1,230 hat beispielsweise eine Restspannung von 1,230 + 0,84 = 2,07 Volt.
Die Verwendung dieser Beziehung kann einen recht genauen Hinweis auf den SOC der Batterie geben, jedoch haben verschiedene Batterien unterschiedliche Betriebsbereiche für SG und so könnte der Top-of-Charge-Zustand einer VRLA SG 1,32 im Vergleich zu einer OPzS mit einem Top SG von 1,28 sein. Die Temperatur beeinflusst auch das SG und damit die Zellenspannung. Der Einfluss der Temperatur auf die Leerlaufspannung ist in Tabelle 2 dargestellt.
Ein weiterer Faktor ist, dass frisch geladene Batterien eine hohe Säurekonzentration in der Nähe der Platten aufweisen, da sich bei einer Ladung Schwefelsäure bildet. Aus diesem Grund bleibt die Spannung nach dem Aufladen für einige Zeit, vielleicht bis zu 48 Stunden, hoch, bevor sie sich auf einen konstanten Wert einpendelt. Wenn die Batterie nicht kurz entladen wird, muss sie ruhen, damit sich die Säurekonzentration ausgleichen kann, bevor die Spannung gemessen wird.
Für die SOC-Messung benötigte Werkzeuge
Diese bestehen aus einem Gleichspannungsmessgerät oder einem Multimeter für die Spannungsmessung und einem Aräometer für die Messung der spezifischen Dichte.
Bei gefluteten Zellen ist neben einem Entladetest das Aräometer die beste Methode zur Bestimmung des Ladezustands. Die Verwendung eines Aräometers erfordert einige Übung und sollte sehr sorgfältig durchgeführt werden. Das Verfahren besteht darin, die Batterie in eine geeignete Position zu bringen, so dass das Aräometer in Augenhöhe abgelesen werden kann (Abb. 6 oben).
Bei verschlossenen Batterien ist es nicht möglich, ein Aräometer zu verwenden, so dass eine Messung der Restspannung die einzige Möglichkeit ist. Diese Methode ist sowohl für verschlossene als auch für geflutete Bleibatterien anwendbar.
Dazu sollte das Multimeter auf eine angemessene Höchstspannung eingestellt werden, um sicherzustellen, dass es mehr als 12 Volt ablesen kann, aber auch eine Genauigkeit von mindestens 2 Dezimalstellen aufweist. Mit Gl. 2, die Spannung kann nach der Temperaturanpassung verwendet werden, um den SG und damit den SOC der Batterie zu schätzen, vorausgesetzt, der SG-Wert des Herstellers für die voll geladene Batterie ist bekannt.
In beiden Fällen, in denen eine Spannung oder ein Aräometer zur Messung des Ladezustands (SOC) verwendet wird, muss eine Temperaturkompensation vorgenommen werden. Tabelle 2, die vom BCI zur Verfügung gestellt wird, enthält die entsprechenden Anpassungen für Aräometer- und Spannungsmesswerte.
Tabelle 2 Kompensation der spezifischen Dichte des Elektrolyten und der Spannungsmesswerte mit der Temperatur
| Elektrolyttemperatur Fahrenheit (°F) | Elektrolyttemperatur Celsius (°C) | Zum SG-Wert des Aräometers addieren oder subtrahieren | Addieren oder Subtrahieren zum Messwert des digitalen Voltmeters |
|---|---|---|---|
| 160° | 71.1° | +.032 | +.192 V |
| 150° | 65.6° | +.028 | +.168 V |
| 140° | 60.0° | +.024 | +.144 V |
| 130° | 54.4° | +.020 | +.120 V |
| 120° | 48.9° | +.016 | +.096 V |
| 110° | 43.3° | +.012 | +.072 V |
| 100° | 37.8° | +.008 | +.048 V |
| 90° | 32.2° | +.004 | +.024 V |
| 80° | 26.7° | 0 | 0 V |
| 70° | 21.1° | -.004 | -.024 V |
| 60° | 15.6° | -.008 | -.048 V |
| 50° | 10° | -.012 | -.072 V |
| 40° | 4.4° | -.016 | -.096 V |
| 30° | -1.1° | -.020 | -.120 V |
| 20° | -6.7° | -.024 | -.144 V |
| 10° | -12.2° | -.028 | -.168 V |
| 0° | -17.6° | -.032 | -.192 V |
2. Li-Ion, NiMH und NiCd.
Bei all diesen chemischen Stoffen stellt die SOC-Messung eine große Herausforderung dar. Alle haben eine sehr flache Entladekurve mit einem sehr geringen Spannungsunterschied zwischen dem vollständig geladenen und dem entladenen Zustand. Die Lade-Entlade-Reaktionen in NiCd- und NiMH-Zellen verändern das SG des Elektrolyten nicht nennenswert, und alle Li-Ionen-Chemiekonzepte arbeiten mit vollständig versiegelten Zellen. Dies macht statische oder stichprobenartige Überprüfungen an einer in Betrieb befindlichen Batterie fast unmöglich, zumindest für einen nicht professionellen Benutzer. Der derzeitige Stand der Technik bei der Messung des Ladezustands (SOC) dieser Batterien basiert auf dynamischen Messungen während ihres Betriebs.
Sie können auf der Zählung von Amperestunden, der Reaktion der Spannung auf Entladeströme oder sogar auf Konstantstromimpulsen basieren. Messgeräte sind in der Regel in teure oder anspruchsvolle Geräte wie Elektrofahrzeuge oder Industriemaschinen eingebaut, bei denen die verfügbare Laufzeit bekannt sein muss. Bei weniger ausgefeilten Geräten, wie z. B. Elektrowerkzeugen, ist das Anhalten oder das langsame Laufen des Werkzeugs der einzige Hinweis.
Im Handel sind Impedanzspektrometertester erhältlich, die die Innenimpedanz einer Batterie messen, um ihren Ladezustand vorherzusagen. Diese Geräte basieren auf einem Algorithmus, der Hunderte von Batterien in verschiedenen Ladezuständen und mit unterschiedlichem Alter testet, um den Ladezustand vorherzusagen. Die Ergebnisse sind spezifisch für die Chemie und das Alter einer bestimmten Batterie. Je mehr Tests zur Erstellung des Algorithmus durchgeführt wurden, desto genauer ist der Algorithmus.
Kann man eine Batterie beim Aufladen überladen?
Unabhängig davon, wie Sie den Ladezustand messen wollen, gibt es Regeln, die für alle Batterietypen gelten. Sie sollen eine Überentladung der Batterie verhindern, die zu einer Beschädigung einzelner Zellen führen kann, indem sie in den Rückwärtsgang geschaltet werden und sogar negative Spannungen aufweisen. Die Überladung ist weniger eindeutig, da sie bei Blei-Säure-Batterien manchmal notwendig ist, um Zellen oder einzelne Batterien in einer Bank auszugleichen. Eine übermäßige Überladung führt jedoch zu Gasbildung mit Wasserverlust und Korrosion der positiven Platten, die beide die Lebensdauer der Batterie verkürzen.
Bei Batterien auf Nickelbasis ist Wasserverlust das häufigste Problem, was wiederum zu einer verkürzten Betriebsdauer führt. Bei Lithium-Akkus ist ein Überladen in der Regel nicht möglich, da das integrierte BMS die Stromzufuhr bei einer bestimmten Spannung automatisch unterbricht. Einige Modelle verfügen über eine eingebaute Sicherung, die eine Überladung verhindert. Dadurch wird die Batterie jedoch in der Regel irreversibel funktionsunfähig.
Batterieaufladung, Überladung, wie kann man das vermeiden?
Die Entscheidung, eine Batterie aufzuladen, hängt von den Umständen der Nutzung und dem Grad der Entladung ab. Als allgemeine Regel für alle chemischen Systeme gilt, dass die Batterie nicht unter 80 % DOD fallen sollte, um ihre Lebensdauer zu maximieren. Dies bedeutet, dass der endgültige SOC-Wert der Batterie vom Zeitpunkt der Messung bis zum Ende des täglichen Betriebs berechnet werden sollte. Wenn der SOC zu Beginn des Vorgangs beispielsweise 40 % beträgt und bis zum Ende des Vorgangs 70 % der Kapazität verbraucht sein werden, sollte die Batterie vor der Fortsetzung des Vorgangs aufgeladen werden.
Um diese Entscheidung treffen zu können, muss die verbleibende Kapazität bzw. die verbleibende Betriebszeit einer Batterie ermittelt werden. Dies ist nicht einfach, da die Batteriekapazität durch die Entladungsrate bestimmt wird. Je höher die Entladungsrate ist, desto weniger Kapazität ist verfügbar. Blei-Säure-Batterien sind dafür sehr anfällig, wie in Abb. 8 dargestellt.
Li-Ionen- und NiCd-Batterien haben bei höheren Entladungsraten zwar eine geringere Kapazität, doch ist diese nicht so ausgeprägt wie bei Bleisäure. Abb. 9 zeigt die Auswirkung von 3 verschiedenen Entladeraten auf die verfügbare Kapazität eines NiMH-Akkus. In diesem Fall 0,2C (5 Stunden-Tarif), 1C (1 Stunde-Tarif) und 2C (1/2 Stunde-Tarif).
In allen Fällen bleibt das Spannungsprofil sehr flach, aber auf einem niedrigeren Niveau bis zum Ende der Entladezeit, wenn die Spannung plötzlich einbricht.
Batterieladung - Berechnung der Lade- und Entladezeiten von Batterien
Berechnung der Lade- und Entladezeiten von Batterien
Um die Entladezeit für eine beliebige Batterie in einem bestimmten Ladezustand zu ermitteln, müssen der entnommene Strom und die Batteriekapazität bei einer bestimmten Entladerate bekannt sein. Die Betriebsdauer lässt sich anhand einer Faustformel für jede Batteriechemie grob berechnen.
Die Kenntnis der effektiven Kapazität bei einer bestimmten Entladungsrate ermöglicht es, die Laufzeit wie folgt vorherzusagen:
Standardkapazität der Batterie (Amperestunden) = C
Entladungsstrom (Ampere) = D
Entladungsfaktor = D/C = N
Entladungsrate (Ampere) = NC
Kapazität bei Entladungsrate D (Amperestunden) = CN
Entladezeit für eine vollständig geladene Batterie (Stunden) = CN /D
Anhand der Schätzung des Ladezustands in Prozent kann die Laufzeit berechnet werden:
Betriebszeit = % Ladezustand x CN /(100xD) = Stunden
Die Berechnung der Ladezeit ist komplex, da sie vom Ladezustand der Batterie, vom Batterietyp, von der Leistung des Ladegeräts und vom Typ des Ladegeräts abhängt. Es ist notwendig, den Ladezustand der Batterie zu kennen, um die Amperestunden zu bestimmen, die in die Batterie eingelegt werden müssen, um sie wieder aufzuladen. Die Geschwindigkeit, mit der dies geschieht, hängt von der Leistung des Ladegeräts und der Art des Ladevorgangs ab. Natürlich kann ein Li-Ionen-Akku in ein paar Stunden wieder aufgeladen werden, wenn das Ladegerät eine ausreichende Leistung hat.
Eine verschlossene Bleibatterie mit Leistungsbegrenzung des Ladegeräts benötigt aufgrund der Spannungsbegrenzung und des geringeren Stroms in der Gasungsphase wesentlich länger. Sobald der Ladezustand ermittelt ist, können Sie berechnen, wie viele Amperestunden in die Batterie zurückgeführt werden müssen. Die Kenntnis der Eigenschaften des Ladegeräts hilft bei der Berechnung der Zeit auf der Grundlage der Ladegeschwindigkeit unter Berücksichtigung des verwendeten Lademusters.
Ein weiterer Faktor ist die Umgebungstemperatur (Wetterbedingungen), die sich auf die Ladespannung und den vom Ladegerät aufgenommenen Strom auswirkt. Höhere Temperaturen senken die Ladespannung, erhöhen aber auch die Stromaufnahme. Bei Batterien mit Erhaltungsladung ist ein Spannungsausgleich mit der Temperatur erforderlich. Microtex kann Sie über die erforderliche Anpassung beraten, wenn die Temperaturen erheblich von den standardmäßigen 25°C abweichen.
Letzte Worte zum Laden von Batterien!
Es ist nicht einfach, eine Batterie richtig zu laden und ihren Ladezustand zu kennen. Oft werden Batterien ohne Beratung oder Unterstützung durch den Verkäufer gekauft. Deshalb ist es wichtig, bei einem seriösen Anbieter zu kaufen, bei dem die Kundenzufriedenheit an erster Stelle steht. Wenn Sie Ratschläge zur Wartung oder Installation von Batterieladegeräten benötigen, wenden Sie sich am besten an einen professionellen Anbieter Ihres Vertrauens.
Wie immer ist Microtex, ein langjähriger internationaler Batteriehersteller mit einer makellosen Kundenzufriedenheitsbilanz, immer zur Stelle, um zu helfen. Sie sind eines der wenigen Unternehmen, die über das Wissen und die Produkte verfügen, um Batterien für praktisch alle Industrie- und Verbraucheranwendungen zu liefern und zu warten. Wenn das Aufladen Ihrer Batterie Sie im Stich lässt, wenden Sie sich an die Leute, die das nicht tun.
Für alle Batterieladevorgänge, Angelegenheiten
wenden Sie sich an Microtex.
