Standby-Batterien & Schwimmerladung
Batterien, die für die Notstromversorgung von Telekommunikationsgeräten, die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) usw. verwendet werden, werden kontinuierlich mit einer konstanten Spannung von OCV + x mV geladen (oder geflutet). Der Wert von x hängt von der Konstruktion und dem Standby-Hersteller ab. Normalerweise liegt der Float-Wert bei 2,23 bis 2,30 V pro Zelle. Eine Batterie im Erhaltungsbetrieb ist eine Batterie, die ständig geladen wird und nur bei Stromunterbrechungen zum Einsatz kommt. Dieser Wert des konstanten Potenzials reicht aus, um sie in voll geladenem Zustand zu halten. Neben der Aufladung zum Ausgleich der vorangegangenen Entladung kompensiert die CP-Ladung (Constant Potential) die Selbstentladung, die im Ruhezustand der Batterie auftritt.
Wie funktioniert das Erhaltungsladegerät?
Ein Erhaltungsladegerät lädt die Batterien unabhängig vom Ladezustand kontinuierlich mit der voreingestellten Spannung. Das Gerät ist nicht vom Ladegerät abgetrennt. Die örtlichen Gegebenheiten wie Stromausfälle und Umgebungstemperatur werden bei der Entscheidung über eine genauere Einstellung der Erhaltungsspannung berücksichtigt. Die Kapazität ist der wichtigste Aspekt bei dieser Einstellung. Das Ladegerät kann auch über eine Boost-Funktion verfügen, um die Batterie auf die nächste Stromabschaltung vorzubereiten, wenn es zu häufigen Stromabschaltungen kommt.
Die Aufladebedingungen sind:
- Art der Aufladung: Konstantes Potential bei 2,25 bis 2,30 V pro Zelle, mit einer Temperaturkompensation von – mV bis – 3 mV pro Zelle
- Anfangsstrom: Maximal 20 bis 40% der Nennkapazität
- Ladezeit: kontinuierlich, unabhängig vom SOC
Einige Hersteller geben an, dass das Laden von Blei-Säure-Batterien im Bereich von 15-30°C am effizientesten ist und dass bei einer Umgebungstemperatur zwischen 0 und 40°C kein Temperaturausgleich erforderlich ist. Andernfalls kann eine integrierte Temperaturkompensationsschaltung zur Verbesserung der Ladeeffizienz in Betracht gezogen werden. Eine Temperaturkompensation von minus 2 bis minus 3 mV pro oCpro Zelle auf der Basis von 20-25°C ist wünschenswert.
Die folgende Tabelle ist ein Leitfaden für die Temperaturkompensation.
Tabelle 1. Temperaturkompensation der Erhaltungsspannung für eine 12-V-Batterie
[http:// www. eastpenn-deka.com/assets/base/0139.pdf]
Temperatur, °C | Erhaltungsspannung, Volts | |
Optimal | Maximum | |
≥ 49 | 12.8 | 13 |
44-48 | 12.9 | 13.2 |
38-43 | 13 | 13.3 |
32-37 | 13.1 | 13.4 |
27-31 | 13.2 | 13.5 |
21-26 | 13.4 | 13.7 |
16-20 | 13.55 | 13.85 |
10-15 | 13.7 | 14 |
05-09 | 13.9 | 14.2 |
≤ 4 | 14.2 | 14.5 |
Was ist Erhaltungsladung und Zusatzladung?
Das Ladegerät kann normalerweise zwei Ladegeschwindigkeiten haben. Sie sind:
- Schnelles Aufladen
- Erhaltungsladung
In der Regel sind Einrichtungen zum schnellen Aufladen der Batterie nach einer Notentladung eingebaut. Der Boosterteil hat immer einen Ausgang von bis zu 2,70 V pro Zelle zum Aufladen der Batterie für einen gefluteten Typ und bis zu 2,4 bis 2,45 für VRLA-Batterien. Der Erhaltungsladeausgang ist in der Lage, die Selbstentladung und andere interne Verluste der Batterie bei einem Spannungsniveau von 2,25 V pro Zelle auszugleichen. Die erforderlichen Stromleistungen hängen von der Größe der Batterie ab.
Ladestation mit schwebendem Regal
Bei Batterien, die erst nach mehreren Wochen versandt werden können, muss die Batterie bis zum Versand voll geladen bleiben. Für solche Batterien gibt es zwei Möglichkeiten der Erhaltungsladung, wenn sie im Regal stehen. Entweder werden mehrere Batterien in Reihe geschaltet und mit einer Stromdichte von 40 bis 100 mA/100 Ah Nennkapazität geladen oder es gibt mehrere Einzelschaltungen, um jede Batterie separat zu laden. Alle diese Batterien werden, wie oben beschrieben, etwas über ihren OCV-Wert aufgeladen.
Erhaltungsladung von AGM-VRLA-Batterien
Die Erhaltungsladung von AGM-Batterien unterscheidet sich nicht von der herkömmlichen Erhaltungsladung von gefluteten Batterien. Es gibt jedoch einige Unterschiede in der Funktionsweise des Erhaltungsladungsprozesses, der bei den beiden Varianten auftritt.
VRLA-Batterien haben einen geringen Innenwiderstand und können daher in der Anfangsphase des Ladevorgangs sehr gut geladen werden.
Ein potenzialkonstantes, spannungsgeregeltes und temperaturkompensiertes Ladegerät ist das beste Ladegerät für VRLA-Batterien.
Die CP-Erhaltungsladespannung beträgt normalerweise 2,25 bis 2,30 V pro Zelle. Für den Erhaltungsladestrom gibt es keine Begrenzung. Für die Boost-Ladung bei einer CP-Spannung von 14,4 bis 14,7 für VRLA-Batterien wird jedoch von den meisten Herstellern (sowohl für geflutete als auch für VRLA-Batterien) ein anfänglicher Höchststrom von 30 bis 40 Prozent der Nennkapazität in Ampere vorgeschrieben. Die meisten Hersteller schreiben eine Schwankungsbreite von ± 1 % für den Wert der Erhaltungsspannung und ± 3 % für die Ladespannung vor.
[1. https://www.thebatteryshop.co.uk/ekmps/shops/thebatteryshop/resources/Other/tbs-np65-12i-datasheet.pdf 2. https://www.sbsbattery.com/media/pdf/Battery-STT12V100.pdf 3. https://eu.industrial.panasonic.com/sites/default/pidseu/files/downloads/files/id_vrla_handbook_e.pdf]
Temperatureinflüsse auf die Lebensdauer von VRLA-Batterien
Die Temperatur hat einen enormen Einfluss auf die Lebensdauer von ventilgesteuerten Bleibatterien. Pro 10°C Anstieg der Betriebstemperatur halbiert sich die Lebenserwartung. Die nachstehenden Zahlen bestätigen diese Tatsache. Die Lebensdauer des Schwimmers bei 20°C beträgt bei einem bestimmten Produkt von Panasonic etwa 10 Jahre. Bei 30 °C beträgt die Lebensdauer jedoch etwa 5 Jahre. Ebenso beträgt die Lebensdauer bei 40°C etwa 2 Jahre und 6 Monate [Figure 10 in https://eu.industrial.panasonic.com/sites/default/pidseu/files/downloads/files/id_vrla_handbook_e.pdf].
Seite 6 in http:// news.yuasa. co.uk/wp-content/uploads/2015/05/SWL-Shortform.pdf].
Wenn sich ein Verbraucher für eine neue Batterie entscheidet, sollte er daher die durchschnittliche Umgebungstemperatur und die Lebensdauer bei dieser Temperatur berücksichtigen. Wenn er möchte, dass eine Batterie 5 Jahre bei 30 bis 35 °C hält, sollte er sich für eine Batterie entscheiden, die für 10 Jahre Lebensdauer bei 20 °C ausgelegt ist.
Abb. 1 Lebensdauer des Schwimmers bei verschiedenen Temperaturen von Panasonic VR-Produkten
https://eu.industrial.panasonic.com/sites/default/pidseu/files/downloads/files/id_vrla_handbook_e.pdf
Abb. 2 Lebensdauer des Schwimmers bei verschiedenen Temperaturen von Yuasa (UK) VR-Produkten
http://news.yuasa.co.uk/wp-content/uploads/2015/05/SWL-Shortform.pdf
British Standard 6240-4:1997 gibt die Abhängigkeit der Lebensdauer von der Temperatur zwischen 20 und 40°C an.
Zyklische Lebensdauer von VRLA-Batterien
Im Vergleich zur Float-Lebensdauer ist die zyklische Lebensdauer von VR-Batterien aufgrund der Menge der pro Zyklus verwendeten aktiven Materialien kürzer. Im Erhaltungsbetrieb werden die Batterien nur bei Stromunterbrechungen zur Stromversorgung herangezogen. Im zyklischen Modus wird die Batterie jedoch jedes Mal bis zur erforderlichen Entladetiefe(DOD) entladen und sofort wieder geladen. Diese Entladung, gefolgt von der Aufladung, wird als „Zyklus“ bezeichnet . Die Lebensdauer eines Zyklus hängt von der Menge der pro Zyklus umgewandelten Materialien ab, d. h. von der DOD. Je niedriger die Umwandlung, desto höher ist die Lebensdauer. Die folgende Tabelle zeigt die Lebensdauer von Panasonic VRLA-Produkten bei 60 % und 80 % Kapazität am Ende der Lebensdauer für drei DOD-Stufen.
Tabelle 2. Ungefähre Lebenszyklen von Panasonic VRLA-Produkten bis zu 60 % und 80 % DOD am Ende der Lebensdauer für drei DODs bei einer Umgebungstemperatur von 25oC. [Angepasst von https://eu.industrial.panasonic.com/sites/default/pidseu/files/downloads/files/id_vrla_handbook_e.pdf Abbildung auf Seite 22]
DOD bis zum Ende des Lebens | Lebenszyklen bei 100 % DOD | Lebenszyklen bei 50 % DOD | Lebenszyklen bei 30 % DOD |
Leben bis 60 % DOD | 300 | 550 | 1250 |
Lebensdauer bis 80 % DOD | 250 | 450 | 950 |
- Temperatur und Schwimmerstrom
Tabelle 3. Erhaltungsstrom bei 2,3 V pro Zelle für drei Typen von Blei-Säure-Zellen bei unterschiedlichen Temperaturen
[Angepasst von C&D Technologies https://www. cdtechno. com/pdf/ref/41_2128_0212.pdf
Abbildung 19, Seite 22]
| Temperatur, °C | Ungefährer Strom, mA pro Ah20 |
Überflutete Kalziumzellen | 25 | 0.25 |
30 | 0.35 | |
40 | 0.6 | |
50 | 0.9 | |
60 | 1.4 | |
Gelierte VR-Zellen | 25 | 0.6 |
30 | 0.75 | |
40 | 1.5 | |
50 | 3 | |
60 | 6 | |
AGM-VR-Zellen | 25 | 1.5 |
30 | 2 | |
40 | 3.5 | |
50 | 8 | |
60 | 15 |
- Prüfung der Eignung für den Schwimmerbetrieb [IEC 60896-21 und 22:2004]
DieIEC gibt ein Prüfverfahren vor, mit dem die Eignung von VR-Zellen für den Schwimmerbetrieb überprüft werden kann. Die Zellen oder Batterien müssen einer Schwebespannung von VFloat ausgesetzt werden, die vom Hersteller im typischen Bereich von 2,23 bis 2,30 V pro Zelle angegeben wird. Die Anfangsspannung jeder Zelle oder Blockbatterie muss gemessen und notiert werden. Nach drei Monaten ist die Spannung jeder Zelle oder Blockbatterie zu messen und zu notieren. Nach 6 Monaten schwimmendem Betrieb sind die Zellen oder Monoblöcke einer Kapazitätsprüfung zu unterziehen. Die tatsächliche Kapazität beim Entladen muss größer oder gleich der Nennkapazität sein.
- Schwankung der Erhaltungsspannung von Zelle zu Zelle
Aufgrund der inhärenten Prozessvariablen schwanken die Spannungen der einzelnen Zellen oder Batterien zwangsläufig in einem Bereich der Erhaltungsbetriebsspannung. Geringfügige Unterschiede in den inneren Parametern der Platten, wie z. B. das Gewicht der aktiven Materialien, die Porosität der aktiven Materialien, Unterschiede in der Plattenkompression und der AGM-Kompression, Schwankungen im Elektrolytvolumen usw. verursachen diese Schwankungen. Trotz strenger Qualitätskontrollen (sowohl bei den Materialien als auch bei den Prozesskontrollen in den einzelnen Arbeitsschritten) weisen die VR-Produkte Schwankungen von Zelle zu Zelle auf, was zu einer bimodalen“ Verteilung der Zellspannungen im Float-Betrieb führt.
In einer herkömmlichen Zelle mit überschüssigem geflutetem Elektrolyt laden sich die beiden Platten unabhängig voneinander auf. Sauerstoff- und Wasserstoffgase haben in schwefelsauren Lösungen geringe Diffusionsraten. Die während des Ladevorgangs entstehenden Gase verlassen die Zellen, da sie nicht genügend Zeit haben, mit den Platten zu interagieren.
Bei VRLA-Zellen wird dieses Bild durch das Phänomen des Sauerstoffzyklus kompliziert. Wie bei überfluteten Zellen findet auf der positiven Platte eine Wasserzersetzung statt; außerdem kommt es zu Gitterkorrosion. Zwar entweicht in der Anfangsphase der Float-Ladung etwas Sauerstoffgas aus den VR-Zellen (aufgrund der nicht verhungerten Bedingungen), aber die Bildung von Gaswegen erfolgt, nachdem der Sättigungsgrad von den anfänglichen 90 bis 95 % auf niedrigere Werte gesunken ist.
Nun beginnt die umgekehrte Reaktion der Wasserzersetzung, die auf der positiven Platte stattgefunden hat, auf der negativen Platte zu laufen:
Wasserzersetzung auf PP: 2H2O → 4H+ +O2 ↑ + 4e-………………………. (1)
O2-Reduktion (=O2-Rekombination ) am NP:O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O + (Wärme) …………. (2)
[2Pb +O2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O+ Wärme] …….. (3)
Aus den oben genannten Reaktionen lassen sich die folgenden Punkte ableiten:
- Das Nettoergebnis ist die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme.
- Wenn eine VR-Batterie in die Phase des Sauerstoffzyklus eintritt, werden die Batterien wärmer.
- Das Sauerstoffgas geht nicht an die Atmosphäre verloren.
- Das Blei im NAM wird in Bleisulfat umgewandelt, so dass das Potenzial des NAM positiver wird; dies führt dazu, dass die Wasserstoffentwicklung verhindert wird.
- Um die verringerte NP-Spannung zu kompensieren, werden die positiven Platten positiver und es kommt zu mehr Sauerstoffentwicklung und Korrosion (so dass die angelegte Schwimmerspannung nicht verändert wird). Der auf diese Weise erzeugte Sauerstoff wird auf dem NP reduziert, der dadurch eine weitere Polarisierung erfährt, was zu einem positiveren Potenzial für den NP führt.
Wegen der Stromaufnahme für die Sauerstoffrekombination sind die Erhaltungsströme bei VRLA-Batterien etwa dreimal so hoch wie bei gefluteten Produkten, wie Berndt [D. Berndt, 5th ERA Battery Seminar and Exhibition, London, UK, April 1988, Session 1, Paper 4. 2. R.F. Nelson in Rand, D.A.J; Moseley, P.T; Garche. J ; Parker, C.D.(Eds.) Valve-Regulated Lead- Acid Batteries, Elsevier, New York, 2004, Chapter 9 , page 258 et seq.].
Tabelle 4. Erhaltungsladung: Vergleich der Erhaltungsströme, der Wärmeentwicklung und der Wärmeabfuhr für eine geschlossene und eine VRLA-Batterie
Einzelheiten | Überflutete Zelle | VR-Zellen | Bemerkungen |
Erhaltungsspannung pro Zelle, Volts | 2.25 | 2.25 | Gleiche Erhaltungsspannung |
Gleichgewichtsschwimmerstrom, mA/100 Ah | 14 | 45 | Ungefähr 3 Mal mehr in VR-Batterien |
Äquivalente Energiezufuhr, mW | 31,5 mW (2,25 V X 14 mA). | 101,25 mW (2,25 V X 45 mA). | Ungefähr 3 Mal mehr in VR-Batterien |
Die durch Begasung abgeführte Wärme, mW | 20,72 mW (1,48 V X 14 mA). (20.7/31.5 – 66 %) | 5,9 (1,48 V x 4 mA) (5.9/101.25 = 5.8 %) | Ein Zehntel der überfluteten Zellen |
Wärmebilanz, mW | 31.5-20.72 = 10.78 | 101.25 – 5.9= 95.35 | |
Umwandlung von Erhaltungsladestrom in Wärme, Prozent | 10.8 | 95 | Ungefähr 9 Mal in VR-Batterien |
- Begasung und Ladespannung
Normalerweise rekombiniert die Effizienz des Sauerstoffzyklus bei der empfohlenen Erhaltungsspannung den gesamten an der positiven Platte erzeugten Sauerstoff zu Wasser an der negativen Platte, so dass kein oder nur ein vernachlässigbarer Wasserverlust auftritt und die Wasserstoffentwicklung gehemmt wird.
Wenn jedoch die empfohlene Spannung oder Stromstärke überschritten wird, kommt es zu einer Gasbildung. Das heißt, die Erzeugung von Sauerstoff übersteigt die Fähigkeit der Zelle, das Gas zu rekombinieren. Im Extremfall entstehen sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff, und es kommt zu einem Wasserverlust, der mit einer stärkeren Wärmeentwicklung einhergeht.
Tabelle 5. Gasemission und Erhaltungsstrom bei verschiedenen Erhaltungsspannungen einer VR-Zelle mit geliertem Elektrolyt, 170 Ah
[Angepasst von C&D Technologies www. cdtechno .com/pdf/ref/41_2128_0212.pdf
Abbildung 17, Seite 21]
Ladespannung, Volt | Ungefähre Gasentwicklung, ml pro Minute | Ungefähre Gasentwicklung, ml pro Ah pro Minuteº | Ungefährer Strom, Ampere | Ungefährer Strom, Milliampere pro Ahº |
< 2.35 | Null | Null | — | |
2.35 Beginn der Begasung | — | — | 0.4 | 2.35 |
2.4 | 1.5 | 0.0088 | 0.45 | 2.65 |
2.46 | 3.5 | 0.0206 | 0.6 | 3.53 |
2.51 | 10 | 0.0588 | 1.4 | 8.24 |
2.56 | 24 | 0.1412 | 3 | 17.65 |
º Berechnete Werte
- Ladespannung und Ladestrom
Tabelle 6. Erhaltungsspannung vs. Erhaltungsstrom für gelierte und AGM VRLA-Batterien
[Angepasst von C&D Technologies www. cdtechno.com /pdf/ref/41_2128_0212.pdf
Abbildung 18, Seite 22]
Erhaltungsspannung (Volt) | Stromstärke, mA pro Ah | |
Gelierte VR-Batterie | AGM VR-Batterie | |
2.20 | 0.005 | 0.02 |
2.225 | 3 | 9 |
2.25 | 6 | 15 |
2.275 | 9.5 | 22 |
2.30 | 12 | 29 |
2.325 | 15 | 39 |
2.35 | 25 | 46 |
2.375 | 30 | 53 |
2.40 | 38 | 62 |
2.425 | 45 | 70 |
2.45 | 52 | 79 |
Tabelle 7. Erhaltungsstrom für geflutete Kalzium-, gelierte und AGM-VRLA-Batterien bei verschiedenen Temperaturen für eine Erhaltungsladung von 2,3 Volt pro Zelle
[Angepasst von C&D Technologies www. cdtechno. com/pdf/ref/41_2128_0212.pdf
Abbildung 19, Seite 22]
Temperatur der Zelle, °C | Strom, mA pro Ah20 | ||
Geflutete Kalziumbatterie | Gelierte VR-Batterie | AGM VR-Batterie | |
25 | 0.25 | 0.65 | 1.5 |
30 | 0.375 | 0.9 | 2 |
35 | 0.425 | 1.25 | 3 |
40 | 0.55 | 1.6 | 4.1 |
45 | 0.7 | 2 | 6 |
50 | 0.875 | 3.5 | 7.5 |
55 | 1.15 | 3.75 | 11.1 |
60 | 1.4 | 6 | 15 |
- Erhaltungsspannung, Betriebstemperatur und Lebensdauer
Eine Überladung mit einer höheren als der empfohlenen Erhaltungsspannung führt zu einer drastischen Verkürzung der Lebensdauer der Batterien. Dieses Diagramm zeigt die Auswirkungen einer Überladung einer Gelbatterie auf die Lebensdauer.
Tabelle 8. Prozentuale Zyklenlebensdauer von Gelzellen in Abhängigkeit von der Ladespannung (empfohlene Ladespannung 2,3 bis 2,35 V pro Zelle)
www. eastpenn-deka. com/assets/base/0139.pdf
Spannung aufladen | Prozentuale Lebensdauer der Gelzellen |
Empfohlen | 100 |
0,3 V mehr | 90 |
0,5 mehr | 80 |
0,7 mehr | 40 |
Ron D. Brost [Ron D. Brost, Proc. Dreizehnte jährliche Batteriekonferenz. Applications and Advances, California Univ., Long Beach, 1998, S. 25-29]. hat über die Ergebnisse des Radfahrens mit 12V berichtet
VRLA (Delphi) auf 80% DOD bei 30, 40 und 50 oC. Die Batterien wurden alle 25 Zyklen bei 25 °C für 2 Stunden zu 100 % entladen, um die Kapazität zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Lebensdauer bei 30oC etwa 475 beträgt, während sie bei 40 und 50oC auf 360 bzw. 135 sinkt.
Die Wechselbeziehung zwischen Schwimmerspannung, Schwimmertemperatur und Lebensdauer
Abbildung 3. Die Abhängigkeit der Lebensdauer des Schwimmers von der Schwimmerspannung und der Schwimmertemperatur
[Malcolm Winter,3rd ERA Battery Seminar, 14. Januar 1982, London, (ERA Report No. 81-102, pp. 3.3.1. zu
- Elektrolytvolumen und Temperaturanstieg während der Erhaltungsladung
Der Temperaturanstieg während des Ladens ist bei gefluteten Zellen am geringsten und bei AGM-VR-Zellen am höchsten. Der Grund dafür ist das Volumen des Elektrolyts, das die verschiedenen Zelltypen aufweisen. Die folgende Tabelle veranschaulicht diese Tatsache. Aufgrund des größeren Elektrolytvolumens im Vergleich zu AGM-Zellen können die Gel-Zellen eine tiefere Entladung verkraften.
Tabelle 9. Batterietyp und relative Volumina der Elektrolyte
sv-zanshin .com/r/manuals/sonnenschein _gel_handbook_part1.pdf]
Überflutete Zellen, OPzS | Gelierte Zellen, Sonnenschein-A600-Zellen | AGM-Zellen, Absolyte IIP | Gelierte Zellen, Sonnenschein A400 Zellen | AGM-Zellen, Marathon M, FT |
1 | 0,85 bis 0,99 | 0,55 bis 0,64 | — | — |
— | 1 | 0,61 bis 0,68 | 1 | 0,56 bis 0,73 |
— | 1,5 bis 1,7 | 1 | 1,4 bis 1,8 | 1 |
- Die Spannungsspanne bei Erhaltungsladung
Die Spannungsspreizung in einem Strang von VR-Batterien mit Erhaltungsladung variiert zu verschiedenen Zeitpunkten nach Beginn der Erhaltungsladung. Zu Beginn, wenn die Zellen mehr Elektrolyt enthalten als im verhungerten Zustand, weisen die Zellen höhere Spannungen auf, und die Zellen mit guter Rekombination zeigen niedrigere Zellspannungen (aufgrund geringerer negativer Plattenpotentiale); Zellen mit einem höheren Säurevolumen haben polarisierte negative Platten, die höhere Zellspannungen aufweisen, was zur Wasserstoffentwicklung führt.
Während die Summe der Spannungen aller einzelnen Zellen gleich der angelegten Stringspannung ist, sind die Spannungen der einzelnen Zellen nicht für alle gleich; einige haben höhere Spannungen (aufgrund des nicht verhungerten Zustands und der Wasserstoffentwicklung) als die eingeprägte Spannung pro Zelle und andere haben niedrigere Spannungen (aufgrund des Sauerstoffzyklus). Ein Beispiel
dieses Phänomens wird von Nelson beschrieben [1. R.F. Nelson in Rand, D.A.J; Moseley, P.T; Garche. J ; Parker, C.D.(Eds.) Valve-Regulated Lead- Acid Batteries, Elsevier, New York, 2004, Chapter 9 , page 266 et seq. 2. R.F. Nelson, Proceedings of the 4th International Lead-Acid Battery Seminar, San Francisco, CA, USA, 25-27 April 1990, S. 31-60].
Tabelle 10. Die Daten zur Spannungsspreizung der einzelnen Zellen für prismatische VR-Zellen mit 300 Ah in einem 48-V/600-Ah-Array lagen bei 2,28 Volt pro Zelle.
[R.F. Nelson in Rand, D.A.J; Moseley, P.T; Garche. J ; Parker, C.D.(Eds.) Valve-Regulated Lead- Acid Batteries, Elsevier, New York, 2004, Chapter 9 , page 266 et seq]
Ursprüngliche Spannung | Nach 30 Tagen Erhaltungsgebühr | Nach 78 Tagen Erhaltungsladung | Nach106 Tagen Erhaltungsgebühr | ||||
Spannungsbereich, V | Spanne, mV | Spannungsbereich, V | Spanne, mV | Spannungsbereich, v | Spanne, mV | Spannungsbereich, V | Spanne, mV |
2,23 bis 2,31 | 80 | 2,21 bis 2,37 | 160 | 2,14 bis 2,42 | 280 | 2.15 bis 2.40 | 250 |
Es ist zu erkennen, dass einige Zellen die Gasungsstufe (2,42 V) erreichen können und einige unter der eingeprägten Spannung von 2,28 V pro Zelle liegen.
Einige Autoren gehen davon aus, dass sich die Zellspannungen innerhalb von sechs Monaten nach dem Float-Betrieb stabilisieren und die Schwankungen der Zellspannungen innerhalb von ±2,5 % des Mittelwerts liegen. Dies bedeutet, dass bei einem Mittelwert von 2,3
VOLTS PER CELL liegt die Abweichung im Bereich von 2,24 – 2,36 (d.h. 60mV weniger oder mehr für 2,3V Betrieb).(Hans Tuphorn, J. Power Sources, 40 (1992) 47-61)
Abbildung 4. Veränderung der Zellenspannung einer neuen USV-Batterie mit 370 V, die mit einer Erhaltungsspannung von 2,23 Vpc geladen wird
[Hans Tuphorn, J. Power Sources, 40 (1992) 47-61]
- Erhaltungsladung und die Bedeutung der Kontrolle der Zellspannungen:
Es ist sehr wichtig, die Zellspannungen während der Erhaltungsladung zu kontrollieren. Experimente die mit einer 48V/100Ah Telekommunikations-VR-Batterie durchgeführt wurden, veranschaulichen diese Tatsache.
Die Zellen wurden bei 2,3 V pro Zelle mit einem Strom von 0,4 – 0 ,6mA/Ah und der Temperatur des Endes
Zellen, Mittelzelle und Umgebung waren gleich). Die Erhaltungsspannung für den String beträgt 2,3 V x 24 Zellen = 55,2 V.
Tabelle 11. 2,3 V Erhaltungsladung von Telekommunikationsbatterien 48 V, 100 Ah Batterien, mit einem Strom von 0,4 – 0 ,6mA/Ah
[Matthews, K; Papp, B, R.F. Nelson, in Power Sources 12, Keily, T; Baxter, B.W. (eds) International Power Sources Symp. Committee, Leatherhead, England, 1989, S. 1-31].
Nein. der kurzgeschlossenen Zellen | Die Spannung der Zellen steigt auf, Volts | Erhaltungsstrom steigt auf (mA pro Ah) | Anhebung der Zellentemperatur um, °C | Dauer des Anstiegs der genannten Temperatur, Stunden | Bemerkungen |
Eine | 2.4 (55.2 ÷ 23) | 2.5 | 1 | 24 | Kein Temperaturanstieg |
Zwei | 2.51 (55.2 ÷ 22) | 11 | 5 | 24 | Minimaler Temperaturanstieg |
Drei | 2.63 (55.2 ÷ 21) | 50 | 12 | 24 | Beginnt, in den thermischen Runaway überzugehen |
Vier | 2.76 (55.2 ÷ 20) | 180 | 22 | 1 | Geht in einen thermischen Durchlaufzustand über. H2S-Gaserzeugt |
Die oben genannten Daten deuten darauf hin, dass ein Kurzschluss von 1 oder 2 Zellen aus thermischer Sicht nicht katastrophal wäre.
Vorausgesetzt, dass VR-Zellen nicht unter missbräuchlichen Bedingungen eingesetzt werden (z. B., > 60°C und hohen Ladeströmen oder Erhaltungsspannungen von mehr als 2,4 V pro Zelle) geben sie keine H2S- oder SO2-Gase ab. Wenn diese Gase entstehen, werden die umgebenden Kupfer- und Messingkomponenten und andere elektronische Teile verunreinigt und beschlagen. Daher ist es unerlässlich, die Zellenspannungen der Batterien in der Schwebe zu überwachen.
- Thermisches Durchgehen
Hohe Erhaltungsspannungen und Erhaltungsströme führen zu höheren Zelltemperaturen. Daher ist eine gute Belüftung ein Muss für alle Arten von Batterien. Wenn die im Inneren einer VR-Zelle erzeugte Temperatur (aufgrund des Sauerstoffkreislaufs und anderer Faktoren) nicht durch das Zellsystem abgeführt werden kann, steigt die Temperatur an. Wenn dieser Zustand länger anhält, führt das Austrocknen des Elektrolyts und der Temperaturanstieg durch die Bildung von Gasen (O2 undH2) zu einer Beschädigung des Zellgefäßes, und es kann zum Bersten kommen.
Die nachstehenden Abbildungen zeigen einige Beispiele für die Ergebnisse des Phänomens des thermischen Durchgehens:
Abbildung 5. Thermische Runaway-Effekte
[https://www. cpsiwa. com/wp-content/uploads/2017/08/14.-VRLA-Battery-White-Paper-Final-1.pdf]
- Float Ladespannung und Beschleunigungsfaktor für positive Plattenkorrosion
Die Ladespannung hat einen ebenso großen Einfluss auf die Lebensdauer von VRLA wie die Temperatur. Die Korrosionsgeschwindigkeit des positiven Gürtels hängt von dem Potential ab, auf dem die Platte gehalten wird. Abbildung[Piyali Som und
Joe Szymborski, Proc. 13th Annual Battery Conf. Applications & Advances, Jan 1998, California State Univ., Long Beach, CA S. 285-290Es zeigt sich, dass die Korrosionsrate des Gitters einen minimalen Wertebereich hat, der dem optimalen Polarisationsgrad der Platte entspricht (d.h. 40 bis 120 mV). Dieser Polarisationsgrad der Platte entspricht einer optimalen Einstellung der Erhaltungsspannung. Liegt das Niveau der positiven Plattenpolarisation (PPP) unter oder über dem optimalen Niveau, steigt die Korrosionsrate des Netzes schnell an.
Abbildung 6. Positive Gitterkorrosionsbeschleunigung vs. positive Plattenpolarisation
[Piyali Som und Joe Szymborski, Proc. 13th Annual Battery Conf. Anwendungen & Fortschritte, Jan
1998, California State Univ., Long Beach, CA S. 285-290]
- Plattenpotential und Polarisation
Die Beziehung zwischen Erhaltungsspannung und positiver Plattenpolarisation (PPP) ist sehr wichtig. Abbildung 7 zeigt ein Beispiel für die positive Plattenpolarisation (PPP) bei verschiedenen Erhaltungsspannungen und vier verschiedenen Temperaturen. Die Polarisierung ist die Abweichung von der Leerlaufspannung (OCV) oder dem Gleichgewichtspotenzial. Wenn also eine Blei-Säure-Zelle mit einem OCV von 2,14 V (OCV hängt von der Säuredichte ab, mit der die Batterie gefüllt ist (OCV = spezifisches Gewicht + 0,84 V)) bei einer Spannung von 2,21 V schwebt, wird sie um 2210-2140 = 70 mV polarisiert. Die optimale Plattenpolarisation liegt zwischen 40 und 120 Millivolt. Die empfohlene Erhaltungsspannung beträgt 2,30 V pro Zelle.
Abbildung 7. Beispiel für die Auswirkungen der Schwebespannung auf die positive Plattenpolarisierung [Piyali Som und Joe Szymborski, Proc. 13th Jährliche Batteriekonferenz. Applications & Advances, Jan 1998, California State Univ., Long Beach, CA pp. 285-290]
- Erhaltungsladung einer Autobatterie
Wer eine Autobatterie (oder Kfz-Starterbatterie oder SLI-Batterie) erhaltungsladen will, sollte sich für ein Konstantpotential-Ladegerät entscheiden, das auch die Strombegrenzung einstellen kann. Das bordeigene Kfz-System ist so konzipiert, dass es die Autobatterie in einem modifizierten Konstantpotential-Lademodus auflädt. In diesem Modus kann die Batterie niemals die eingestellte Spannungsgrenze überschreiten und ist somit sicher.
Die Dauer des vollständigen Aufladens der Autobatterie hängt von ihrem Ladezustand ab, d. h. davon, ob die Batterie vollständig entladen, halb entladen oder vollständig entladen ist und einige Monate lang nicht aufgeladen wurde.
Je nach Stromstärke (Amperezahl) des Ladegeräts und der Kapazität der Batterie einige Stunden oder mehr als 24 Stunden.
So kann beispielsweise eine Autobatterie mit einer Kapazität von 12 V und 60 Ah bei vollständiger Entladung in 25 bis 30 Stunden wieder aufgeladen werden, sofern das Ladegerät in der Lage ist, die Batterie mit 2 bis 3 Ampere zu laden.
Wenn Sie die Ah-Kapazität nicht kennen, können Sie die Kapazität mit verschiedenen Methoden ermitteln:
- Vom Etikett auf der Batterie
- Informieren Sie sich beim Händler über das Modell der Batterie für dieses bestimmte Fahrzeug.
- Von der Reservekapazität (RC), falls auf der Batterie angegeben
- Vom CCA-Wert (Cold Cranking Amperes), falls dieser auf der Batterie angegeben ist (siehe indische Norm oder eine andere Norm für Starterbatterien, in der die RC- und CCA-Werte angegeben sind. Beispiel IS 14257).
Dementsprechend können wir die Ladezeit anpassen.
Es ist immer ratsam, die Batterie vom Ladegerät zu trennen, wenn sie vollständig geladen ist. Die Spannung bleibt konstant, wenn die Batterie vollständig geladen ist. Außerdem zeigt das Amperemeter des Ladegeräts zwei bis drei Stunden lang konstant einen sehr niedrigen Strom im Bereich von 0,2 bis 0,4 Ampere an.
- Erhaltungsladung von LiFePO4-Batterien
Die Ladung von VR-Batterien und LiFePO4-Batterien sind in den Aspekten ähnlich:
- Stufe 1: Beide können die Ladung im Konstantstrommodus (CC) beginnen (bis zu 80 % Eingang)
- Stufe 2: Umschalten in den CP-Modus, sobald die eingestellte Spannung erreicht ist (Vollladung)
- Stufe 3: Die dritte Stufe ist die Erhaltungsladung (fakultativ bei VR-Zellen und nicht erforderlich bei LiFePO4-Zellen wegen der Gefahr der Überladung und der damit verbundenen schädlichen Reaktionen an beiden Elektroden).
Der Unterschied zwischen den beiden Batterietypen in der ersten Stufe ist der Ladestrom. Im Falle von LiFePO4-Zellen kann der Strom bis zu 1 C Ampere betragen. Bei VR-Batterien wird jedoch ein Maximum von 0,4 C A empfohlen. Daher ist die Dauer der ersten Stufe bei LiFePO4-Batterien sehr kurz und liegt bei nur einer Stunde. Im Falle von VR-Batterien dauert diese Phase jedoch 2 Stunden bei 0,4 C A und 9 Stunden bei 0,1 C A.
Wie die erste Stufe dauert auch die zweite Stufe bei LiFePO4-Zellen weniger lang (nur 15 Minuten), während sie bei 0,4 C A 4 bis 2 Stunden (0,1 C A) dauert.
Insgesamt benötigen die LiFePO4-Zellen also etwa 3 bis 4 Stunden, während VR-Zellen 6 Stunden (bei 0,4 C A und 2,45 V CP-Ladung) bis 11 Stunden (bei 0,1 C A und 2,30 V CP-Ladung) benötigen.
Abbildung 8. Konstantspannungsladung von Panasonic VR-Zellen bei 2,45 V und 2,3 V pro Zelle bei verschiedenen Anfangsströmen [https://eu.industrial. panasonic.com/sites/default/pidseu/files/downloads/files/id_vrla_handbook_d.pdf]
Anmerkungen:
Testbedingungen:
Entladung: 0,05 C A Konstantstrom-Entladung (20 h Rate)
Abschaltspannung: 1,75 V pro Zelle
Ladung: 2,45 V pro Zelle —————–
2,30 V pro Zelle ___________
Temperatur: 20°C
Abbildung 9. VRLA-Batterie-Ladeprofil
[https://www. power-sonic. com/blog/how-to-charge-lithium-iron- phosphate-lifepo4-batteries/]
Abbildung 10. LiFePO4-Akku-Ladeprofil
[https://www. power-sonic.com/blog/how-to-charge-lithium-iron-phosphate -lifepo4-batteries/]
Wie eingangs erwähnt, ist die Erhaltungsladestufe für LiFePO4-Zellen nicht notwendig. Sie kann für VR-Zellen nach einer Lagerzeit von einigen Monaten erforderlich sein. Ist jedoch eine längere Nutzung vorgesehen, können die VR-Zellen bei 2,25 bis 2,3 V pro Zelle auf Erhaltungsladung gesetzt werden.
Die LiFePO4-Zellen sollten nicht bei 100 % SOC gelagert werden. Es reicht aus, wenn sie einmal in 180 bis 365 Tagen Lagerung auf 70 % SOC entladen und geladen werden.
Die Ladespannung (z. B. maximal 4,2 V pro Zelle) sollte je nach Zellchemie, Zellgröße und Hersteller mit einer Toleranz von ± 25 bis 50 mV pro Zelle geregelt werden. Zunächst wird ein Strom von 1C Ampere angelegt, bis der Grenzwert der Zellspannung erreicht ist. Danach wird der CP-Modus eingeschaltet. Bei Annäherung an die Maximalspannung sinkt der Strom gleichmäßig ab, bis der Ladevorgang bei einem Strom von etwa 0,03 C beendet ist, abhängig von der Impedanz der Zelle. Bei einem Anfangsstrom von 1 C-Ampere erreicht eine Lithium-Ionen-Zelle in 2,5 bis 3 Stunden eine Vollladung.
Einige Hersteller erlauben eine Erhöhung des Anfangsstroms auf 1,5 C-Ampere. Aber 2,0 C-Ampere Anfangsstrom wird von den Herstellern in der Regel nicht zugelassen, weil die höheren Ströme die Ladezeit nicht nennenswert verkürzen. [Walter A. van Schalkwijk in Advances in Lithium-Ion Batteries, Walter A. van Schalkwijk and Bruno Scrosati (Eds.), Kluwer Academic, New York, 2002, Ch 15, page 463 et seq.]
Obwohl für LiFePO4-Zellen sehr kurze Ladezeiten angegeben werden, ist zu beachten, dass die Investition für ein solches Ladegerät angesichts der Wattleistung des Ladegeräts sehr hoch ist.
In der Praxis können wir eine 100-Ah-Li-Ionen-Batterie mit 100 Ampere (1 C-Ampere) laden, während eine entsprechende VR-Batterie mit maximal 40 Ampere (0,4 C-Ampere) geladen werden kann. Der Ladeschlussstrom für Li-Zellen würde bei dieser Batterie 3 Ampere betragen, während der Ladeschlussstrom für VR-Batterien etwa 50 mA betragen würde. Die Gesamtladezeit beträgt 3 bis 4 Stunden für eine Li-Zelle und für eine VR-Zelle etwa 10 Stunden.
Bei Li-Zellen ist eine Erhaltungsladung nicht erforderlich, während bei VRLA-Zellen eine Erhaltungsladung nach 3 bis 4 Monaten erforderlich sein kann. VR-Zellen können bei 100 % SOC gelagert werden, während Lithiumzellen bei weniger als 100 % SOC gelagert werden müssen.
Vollständig geladene Li-Ionen-Zellen sollten nicht weiter geladen werden. Jede Stromzufuhr zu einem vollständig geladenen Lithium-Ionen-Akku führt zu einer Beschädigung des Akkus. Eine leichte Überladung kann toleriert werden, aber die extremen Bedingungen führen zum Platzen und Zünden, wenn sie nicht durch das Batteriemanagementsystem (BMS) geschützt sind.
Weitere Informationen finden Sie unter https://battlebornbatteries.com/charging-battleborn-lifepo4-batteries/.
https://www.electronicsweekly.com/market-sectors/power/float-charging-lithium-ion-cells-2006-02/
Abbildung 11. Ladestufen für einen Standard-Li-Ionen-Ladealgorithmus
(Walter A. van Schalkwijk in Advances in Lithium-Ion Batteries, Walter A. van Schalkwijk and Bruno Scrosati (Eds.), Kluwer Academic, New York, 2002, Ch 15, page 464).
- Erhaltungsladung von Lithium-Ionen-Batterien – Erhaltungsspannung Lithium-Ionen
Für Li-Ionen-Batterien ist keine Erhaltungsladung erforderlich. Sie sollten auch nicht in voll aufgeladenem Zustand gelagert werden. Sie können einmal in 6 bis 12 Monaten auf 70 % SOC entladen und aufgeladen werden, wenn eine lange Lagerung geplant ist.
Erhaltungsladung und Erfrischungsladung
- Was ist der Unterschied zwischen Erhaltungsladung und Erhaltungsladung?
DieErhaltungsladung ist eine Gebühr zum Aufladen des Akkus. Eine Erhaltungsladung gleicht nur die Selbstentladung aus. Je nach Alter und Zustand der Batterie kann eine Stromdichte von 40
bis 100 mA/100 Ah Nennkapazität können während der Erhaltungsladung (Erhaltungsladung) erforderlich sein. Diese Batterien sollten nach jeder Entladung wieder aufgeladen werden. Sobald die Batterie vollständig aufgeladen ist, sollte es vom Ladegerät getrennt werden. Andernfalls wird der Akku beschädigt.
Die Erhaltungsladung ist eine kontinuierliche Ladung mit konstanter Spannung, und die Batterie ist immer bereit, die benötigte Energie zu liefern, da sie sich immer in einem vollgeladenen Zustand befindet.
Wie lange kann man eine Batterie aufladen?
Die Erhaltungsladespannungen werden auf einem Wert gehalten, der hoch genug ist, um die Selbstentladung der Batterie zu kompensieren und die Batterie stets in einem vollgeladenen Zustand zu halten, aber niedrig genug, um die Korrosion des positiven Gitters zu minimieren. Der Ladestrom hängt in hohem Maße vom Lastprofil ab. Nach einem Lastabwurf wird der Strom höher sein. In diesem Modus werden die Batterien nicht überladen. Bei längerem Leerlauf würde der Erhaltungsstrom 200 bis 400 mA pro 100 Ah Kapazität betragen.
Die Batterie wird nie vom Ladegerät getrennt. Die Batterie schwebt über dem Bus des Ladegeräts.
- Wie berechnet man den Erhaltungsladestrom?
Das Erhaltungsladegerät liefert Strom, nachdem es die Batteriespannung erfasst hat. Es ist also nicht notwendig, den Erhaltungsladestrom zu berechnen. Nur kann man den anfänglichen Einschaltstrom auf maximal 0,4 C-Ampere begrenzen. Da es sich bei der Erhaltungsladung um ein Ladegerät mit konstantem Potenzial handelt, wird der Strom automatisch auf den erforderlichen Wert reduziert. Vielmehr wird die Batterie nur das erhalten, was sie benötigt. Normalerweise werden alle VR-Batterien mit 2,3 V pro Zelle betrieben. Die voll aufgeladene Batterie erhält nur 0,2 bis 0,4 A pro 100 Ah Batteriekapazität.
- Unterschied zwischen Boost- und Float-Ladung
Die Boost-Ladung ist eine relativ hochstromige Lademethode, die angewendet wird, wenn eine entladene Batterie in einem Notfall verwendet werden soll, wenn keine andere Batterie verfügbar ist und der SOC nicht ausreicht, um
die Notfallarbeiten. So kann eine Bleibatterie je nach der verfügbaren Zeit und dem SOC-Wert der Batterie mit hohen Strömen geladen werden. Da es heutzutage Schnellladegeräte gibt, ist das Schnellladen heute ein gängiges Verfahren. Normalerweise beginnen solche Boost-Ladegeräte mit einem Ladevorgang von 100 A und gehen dann auf 80 A zurück. Das Wichtigste ist, dass die Temperatur nicht über 48-50oC steigen darf.
Die Erhaltungsladung ist eine kontinuierliche Ladung mit konstantem Potential von 2,25 bis 2,3 V pro VR-Zelle. Die Erhaltungsladung hält die Batterie bereit, um bei Bedarf jederzeit Strom zu liefern. Die Batterie wird immer auf diesem Niveau gehalten, und nach einer Stromabschaltung liefert das Ladegerät einen hohen Strom, der sich auf etwa 0,2 bis 0,4 A pro 100 Ah Batteriekapazität reduziert, wenn die Batterie voll geladen ist.
- Absorptionsladung und Erhaltungsladung
Die DieKonstantstromladung in einem CC-CP (IU)-Lademodus, bei dem die Batterie den größten Teil des Stroms erhält, wird als „Hauptladephase“ und die Ladungim Konstantpotentialmodus, während der der Strom abnimmt, wird als „Absorptionsladestufe“ und diese Ladespannung im CP-Modus wird als Absorptionsspannung.
Ich hoffe, dass dieser Artikel für Sie von Nutzen war. Wenn Sie Anregungen oder Fragen haben, können Sie uns gerne schreiben. Lesen Sie float charging in Hindi in anderen Sprachen Menü. Weitere Informationen zum Thema Erhaltungsladungfinden Sie unter folgendem Link
