Anforderungen an das Laden

Transkript

1 und Entladen Laden und Entladen 1. Batterie im vollgeladenem Zustand halten 2. Entladen der Batterie, Verlauf der Spannung 3. Wiederaufladen der Batterie und Entwicklung der Säureschichtung 4. Ausgleichsladung - Beseitigung aller Auswirkungen des Ladens und Entladens in einem Zellverbund 1

2 Anforderungen an das Laden Vollständige Umwandlung der aktiven Massen. Am Ende der Ladung darf keine entladene Masse übrigbleiben bzw. sich über mehrere Zyklen hinweg ansammeln. Die Struktur der geladenen Massen muss wieder feinkörnig sein, eine hohe Oberfläche und geringen ohmschen Widerstand haben. Sperrschichten zwischen Elektrodenmaterial und Gitter müssen aufgelöst werden. Schädigende Einflüsse, z.b. durch Temperatur, Korrosionsangriff, mechanische Belastung durch Gasbildung, chemische Zersetzung organischer Zusätze, etc. müssen so gering wie möglich sein. Bezeichnung der Ladekennlinien nach DIN W I U 0 (Null) a abfallender Strom bei steigender Spannung konstanter Strom konstante Spannung Wechsel der Grenzwerte von Strom oder Spannung ohne andere Änderungen automatische Abschaltung 2

3 Einige Ladekennlinien, die bei einem modernen Ladegerät eingestellt werden können Wa Einfachste Kennlinie mit automatischer Abschaltung W0Wa IUIa IU oder PU IU0U I0IUIa Zwei getrennte W-Kennlinien, mit denen die Trafocharakteristik besser ausgenutzt werden können schnellere Ladung und geringeres Risiko für Überladung Weit verbreitete Kennlinie für Gabelstapler. Stellt sicher, dass die Batterie innerhalb einer bestimmten Zeit (8h) wieder vollgeladen ist. Begrenzung der Ladung auf kontinuierliche Ladeerhaltung. Wenn U zu klein ist, dann dauert die Ladung zu lange, wenn U zu groß ist, dann wird die Batterie ständigk und Lebensdauer verkürzend überladen. Übliche Ladekennlinie für Bereitschaftsparallelbetrieb zu relativ schneller aber trotzdem schonender Ladung Beispiel für eine der zahlreichen Ladekennlinien aus dem Bereich Traktionsbatterien für Gabelstapler. 3

4 Schematische Darstellung einiger Ladeverfahren a) Konstantstrom - Konstantspannung, IU-Ladung b) Konstantstrom - Konstantspannung mit 2 Ladeendspannungsniveaus, IU0U-Ladung c) Konstantstrom - Konstantspannung - Konstantstrom mit begrenzter Lademenge oder begrenzter Ladezeit, IUI a -Ladung a) Strom b) Strom Spannung c) Strom Strom, Spannung Spannung Strom, Spannung Strom, Spannung Spannung Zeit Zeit Zeit 4

5 Vorschläge für Laden bei zyklischen Belastungen Gutladung Langsame Entladung ohne Stromspitzen Hohe Ladeströme, solange sich die Batterie in einem niedrigem Ladezustand befindet Niedrige Ladeströme am Ende der Ladung Geringe Überladung (geringer Ladefaktor) Schlechtladung Schnelle Entladung und hohe Stromspitzen während der Entladung Niedrige Ladeströme Hohe Überladung (Spannung und/oder Ladungsmenge) U statt I - Ladung in der Nachladephase Gutladung und Schlechtladung: Begriffe von Winsel und Bashtikalova Die Kapazität von Batterien in Flurförderzeugen - zyklische Belastung mit relativ geringen Entladeströmen und relativ hohen Ladeströmen, regelmäßige Volladung - nimmt im allgemeinen am Anfang der Nutzung zu. Grund könnte "Gutladung" sein. Bei anderen Anwendungen ist nicht unbedingt eine Kapazitätszunahme zu erwarten, die Ladebeindungen sind ungünstiger. 5

6 Strom und Spannungsverlauf bei einer IUIa-Ladung Batterie: 80V / &00 Ah I: Anfangsladestrom für Hauptladung 20 A/100Ah Üblicher Bereich: Gabelstapler: A pro 100Ah, PkW und USV-Bereich: bis zu 120 A pro 100Ah U: Umschaltung bei 2,4 V pro Zelle (Messung an den Polen! meistens ohne Temperaturmessung). SOC beträgt bei Umschaltung ca. 92 %. I: Umschaltung bei 4 A/100Ah zur Volladung: Ziel: Elektrolytdurchmischung und kompletter Umwandlung von Bleisulfat Nach Ladeende erfolgt eine Auffrischungsladung, damit Batterie immer "voll" bleibt. 6

7 Strom und Spannungsverlauf bei einer IUIa-Ladung Gealterte Zelle mit Antimonvergiftung Bei gleicher Spannung ist der Anteil des Stroms, der nur zur Elektrolyse führt, größer. Batterie wird beim Laden wärmer Laden dauert länger Höherer Energiebedarf Größerer Wasserbedarf Ladeende wird u.u. nicht mehr korrekt erkannt. einige Zellen im Batterieverbund werden ggf. nicht vollgeladen und sulfatieren. Batterien mit höherer Gasungsrate haben nicht unbedingt eine geringere Kapazität, aber sie sind schwieriger vollzuladen und die dadurch entstehende Mangelladung führt zu einem Kapazitätsverlust! 7

8 Spannungslage einer Batterie bei Konstantstromentladung Schematische Darstellung Volt pro Zelle Gleichgewichtsspannung am Ende der Entladung kann über der Entladespannung am Beginn der Entladung liegen Grenzspannung Gleichgewichtsspannung Zusätzlich: Pole, Gitter, etc. + Elektrolyt + Polarisationsüberspannung + Aktive Masse Kapazität 0% Ladezustand 100% Entladezustand Entnommene Ah 8

9 Volt pro Zelle Grenzspannung Ladung Polarisationsüberspannung steigt wegen begrenzter Verfügbarkeit von Bleisulfat steil an + Polarisationsüberspannung + Aktive Masse + Elektrolyt + Pole, Gitter, etc. Gleichgewichtsspannung 0% Ladezustand 100% Entladezustand 100% Ladezustand 0% Entladezustand Eingeladene Ah 9

10 Volt pro Zelle Strom Grenzspannung Polarisationsüberspannung steigt wegen begrenzter Verfügbarkeit von Bleisulfat steil an Vernachlässigung des Gasungsstroms zu Beginn der Ladung 0% Ladezustand 100% Entladezustand Ladung Batteriestrom Hauptreaktionsstrom I HR = I Batt -I Gasung Gasungsstrom Hoher Gasungsstrom Vollgeladene Batterie (neu) Ladezeit Noch keine vollgeladene Batterie 100% Ladezustand 10 0% Entladezustand

11 Ladezustand 100% 20% 1 SOC( t1) = SOC( t0) + C Hauptreaktionsstrom I HR = I Batt -I Gasung N t 1 t 2 I HR dt Hoher Gasungsstrom Vollgeladene Batterie (neu) Noch keine vollgeladene Batterie 0% Ladezustand 100% Entladezustand Gasungsstrom Ladezeit 100% Ladezustand 0% Entladezustand 11

12 1 1 Ladezustand SOC( t1) = SOC( t0) + IHR dt C Berechnung des Hauptreaktionsstroms aus dem Batteriestrom: N t t 2 I HR = I Batt I NR I NR = i 0 x A x exp(αnf/rt x (E-E o )) E = Klemmenspannung V ohmsche Spannungsabfälle IxR ohm. Der ohmsche Widerstand ist im wesentlichen durch den Elektrolyten, die Längswiderstände der Gitter, die Zellverbinder und Anschlusskabel bestimmt. Bei R ohm = 0,5 Milliohm beträgt der Spannungsabfall bei 120 A 0,06 Volt und im Ladeerhaltungsbetrieb bei 1 A 0,5 mv! 12

13 Volt pro Zelle Strom Grenzspannung Polarisationsüberspannung steigt wegen begrenzter Verfügbarkeit von Bleisulfat steil an Vernachlässigung des Gasungsstroms zu Beginn der Ladung 0% Ladezustand 100% Entladezustand Ladung Batteriestrom Hauptreaktionsstrom I HR = I Batt -I Gasung Bei Berücksichtigung des ohmschen Spannungsabfalls; Konsequenz: Änderung des Hauptreaktionsstroms, der Wärmeentwicklung, der Gesamtspannung, des Ladezustands, Hoher Gasungsstrom Gasungsstrom Vollgeladene Batterie (neu) Ladezeit Noch keine vollgeladene Batterie 100% Ladezustand 13 0% Entladezustand

14 Was passiert, wenn die Batterie 1. während des Ladeprozesses gelegentlich auch entladen wird? Zunahme der Unterschiede von Säuredichte und lokalem Ladezustand 2. während des Ladeprozesses ohne Ah-Durchsatz an den Polen mit Wechselstrom belastet wird? Elektroden in einigen Teilbereichen werden geladen, an anderen entladen 3. die Batterie eine starke Säureschichtung aufweist? Batteriestrom verringert sich bei Erreichen der Ladeschlussspannung nicht so schnell. 14

15 Versuchsanordnung zur Messung von Strominhomogenitäten Last Ladegerät Oben Mitte Strommessung Die Leitungen zu den einzelnen Elektroden entsprechen dem Längswiderstand. Freie Bewegung des Elektrolyten Unten Elektrodenstapel 3 positive und 5 negative Elektrolyt 15

16 Einfluss der Säureschichtung auf den Ladeprozess in verschiedenen Elektrodenbereichen 16

17 Ladezustandsunterschied zwischen der positiven und negativen Elektroden I Batt,pos = I Batt,neg * I HR,pos + I NR,pos = I HR,neg + I NR,neg * *: Vernachlässigung von Korrosionsströmen, etc. Aber: Während der Ladung: I HR,pos = I HR,neg Nur bei vollständig geladenen Elektroden: I NR,pos = I NR,neg Negative Elektrode wird schneller vollgeladen als positive Elektrode: Gründe: 1. Oberflächen der positiven und negativen Masse sind unterschiedlich 2. Austauschstromdichte der Nebenreaktionen sind für die positive und negative Elektrode stark unterschiedlich, für die Hauptreaktion aber ähnlich! 17

18 Die Ladung einer Zelle ist kompliziert genug Bei der Ladung einer Batterie wird die Ladekennlinie durch die Summenspannung aller Zellen und Leitungen gesteuert, die am Ladegerät gemessen wird (bei guten Ladegeräten Kompensation des Spannungsabfalls über die Leitungen und Stecker). Durch alle Zellen fließt der gleiche Strom (es sei denn es gibt einen Erdschluss von einem Zellenpol zu Masse). Konsequenz: 1. Die Spannungslage der einzelnen Zellen kann stark vom Durchschnitt abweichen. 2. Wenn das Ladeendekriterium für den ganzen Strang erreicht wird, dann bedeutet das nicht, dass auch jede Zelle bereits vollgeladen ist. In Abhängigkeit von Batterietyp, Anwendung und Ladeverfahren ist gelegentlich eine Ausgelichsladung erforderlich. 18

19 "Krieg der Spannungen" Gleiche Spannung aller Zellen in Hauptladephase Steiler Spannungsanstieg einer Zelle bis auf über 3 V/Zelle Stromreduzierung durch Ladegerät Spannungsverminderung der anderen Zellen Einige Zellen werden überladen, andere nicht vollgeladen Volladung aller Zellen erst nach sehr langer Zeit Lebensdauerverlängerung durch "ChargeEqualizer" bzw. andere Produkte, die durch Einzelspannungsmessung der Zellen den Ladestrom regeln. 19

20 Austrocknen von VRLA Zellen - Wasserverlust Zelle 1 wird überladen, Gasbildung übersteigt Rekombinationsvermögen Ventil öffnet Wasserverlust - Gel bzw. Vlies trocknet aus Temperaturanstieg wegen höherer Gasung und Rekombination und höherem ohmschen Widerstand des austrocknenden Elektrolyten Zelle 2 Zelle verliert kein Wasser, Rekombinationsquote 99 % Eventuell Unterladung, weil Strom des Ladegeräts bei Ladung mit U konstan t zu früh für Zelle 2 abgeregelt wird 20

21 Ladeende Ladefaktor Annahme: Es wird unter-stellt, daß die Nebenreaktionen der Batterie gering sind. Bei sehr hohen Temperaturen (z.b. Traktionsbatterien mit hohem Energiedurchsatz) und Batterien mit Alterungseffekten der negativen Elektrode (Wasserstoffüberspannung ist wegen Antimonvergiftung oder Alterung von Inhibitoren verringert) gilt diese Voraussetzung nicht mehr. Die Batterie wird nicht mehr vollgeladen. Zeit nach Erreichen einer Grenzspannung Bei Batterien mit hoher Temperatur und durch Alterungseffekte verringerter Wasserstoffüberspannung besteht das Risiko, dass der Grenzwert nicht erreicht wird. Batterien mit niedriger Temperatur werden u.u. nicht mehr vollgeladen, weil die Grenzspannung zu schnell erreicht wird. Spannung über und Strom unter einem vorgegebenem Grenzwert Die Kombination dieser beiden Bedingungen wird selten verwendet, da sie bei hoher Batterietemperatur und Alterungseffekten nicht zu einer Abschaltung der Ladung führt. Feste Zeit nach Erreichen eines stabilen Werts für Spannung und Strom Stabiles Abschaltkriterium! (Kriterium nach DIN-EN ) In der Praxis: Die Batterie ist vollgeladen, wenn das Ladegerät das Abschaltkriterium erkannt hat. 21

22 Ladeende DIN EN (Blei-Akkumulatoren Starterbatterien) Geschlossene Batterien IU Ladung mit 5 * I n (I n = I 20 ), Messung mit Messgeräte der Genauigkeitsklasse 1, und 16,0 +/- 0,1 V für 24 Stunden. Batterietemperatur C, falls notwendig, Wasserbad o.ä. zur Begrenzung der Temperatur verwenden. Die Temperaturüberwachung ist erforderlich, weil die hohen Ströme bei 16 V zu einer so starken Temperaturerhöhung führen kann, dass die Spannung zurückgeht, dadurch der Strom erhöht wird, die Temperatur weiter steigt etc. (thermische Selbstzerstörung). Nach einer Kaltstartprüfung Begrenzung der Ladedauer auf 16 h, weil bei der Kaltstartprüfung mindestens 20 % der Nennkapazität entladen werden, aber die Batterie nicht entladen wird. Frühere IEC (&.21 und 6.2.2): Volladung bei 25 C +/- 10 C und alternativ zu IU Ladung bei 16 V (bevorzugt) auch IUIa Ladung mit 2 * I n bis 14,4 V für 20 Stunden, danach mit der gleichen Ladung für weitere 5 Stunden Verschlossene Batterien IUIa-Ladung mit 5 * I n bis 14,4 V für 20 Stunden, danach Ladung mit 0,5 I n für 4 Stunden. Batterietemperatur wie bei geschlossenen Batterien DIN EN (geschlossene ortsfeste Blei-Akkumulatoren) und -21 (verschlossene Blei-Akkumulatoren) 13.2 Geschlossene Batterien Ladung mit konstantem Strom: Innerhalb von 2 Stunden keine Änderung von Spannung und Elektrolytdichte, die bei Berücksichtigung von Temperaturänderungen über die Messtoleranz der Messgeräte hinausgehen oder Ladung mit konstanter Spannung: Innerhalb von 2 Stunden keine Änderung von Strom und Elektrolytdichte, die bei Berücksichtigung von Temperaturänderungen über die Messtoleranz der Messgeräte hinausgehen. Messgeräte: Genauigkeitsklasse 0,5 des gesamte Messaufbaus (bei Strom Leitung und Messwiderstand), Innenwiderstand der Spannungsmessung mindestens 1 kohm/v 22

23 Ladeende bei NiCd-Batterien: - du Kriterium Bei Ladezeiten im Bereich von einer Stunde und weniger ist die Abkühlung auf Grund des reversiblen Wärmeeffekts (TΔS) messbar (Wärmeausgleich langsamer als Wärmeentzug, ohmsche Verluste noch gering) d²u/dt² Wenn der Wendepunkt der Temperaturentwicklung (td) oder Spannungsentwicklung (Ut) erkannt wird dann wird nach einer kurzen Zusatzzeit die Ladung abgebrochen (d²u/dt²). Als Sicherheitskriterium wird auch die totale Ladezeit und die maximal erreichbare Temperatur Tt zusätzlich verwendet. Ut als Grenzspannung ist zu früh, die Batterie ist noch nicht vollgeladen. -du: Am Ende der Ladung überwiegt die Rekombinationswärme der Nebenreaktion Temperatur steigt an Spannung sinkt Das Ladeende erfolgt, wenn die Spannung um einen bestimmten Betrag gesunken ist, wird also erst dann erkannt, wenn bereits eine schädigende Temperaturer-höhung 23 stattgefunden hat.

24 Ladedauer Einflussfaktoren bei IUIa-Ladung Anfangsladestrom. Bei hohen Ladeströmen wird die Spannungsgrenze sehr schnell erreicht (IR-Spannungsabfall und Überspannung steigen stark) Zeitdauer des letzten Kennlinienzweiges nicht verkürzbar. Umwandlung von Bleisulfat zum Schluss dauert lange. Einflussfaktoren bei IU-Ladung Spannungsniveau - Zur Verkürzung der Ladedauer wird IU0U verwendet, da Spannung für die Ladeerhaltung deutlich unter der zulässigen Spannung für die Hauptladung liegt. Bei optimierten Kennlinien sind Ladedauern (inkl. Volladung) von ca. 1-2 Stunden für Bleibatterien und ca. 10 Minuten für NiCd-Batterien ohne negative Auswirkung auf die Lebensdauer möglich. Aber: Bei sehr hohen Ladeströmen ist eine Temperaturüberwachung und Einzelspannungsüberwachung der Zellen notwendig! 24

25 Auswahl des Ladeverfahrens Investitionskosten - steigen überproportional mit Nennstrom und Anschlussleistung Zeit innerhalb der ca.95% der Kapazität wieder eingeladen sind (Gesamtsystem ist dann wieder einsatzbereit) Beseitigung der Säureschichtung Zeit bis zur Volladung Erkennen des Ladeendes - keine oder wenigstens geringe Überladung Minimierung des Wasserverlusts (bei Rekombination: "Vermeidung") Wirkung der Ladung auf die zukünftige Leistungsfähigkeit Geringe Erwärmung (Kennlinie, Stromripple während der Dauerladung) Einsatzflexibilität Energieverbrauch immer noch keine wirkliche wirtschaftliche Relevanz, weil die Energiekosten noch so niedrig sind Hochwertige Ladegeräte machen sich bezahlt! 25

26 Wirkungsgrad Ladefaktor: Coulombscher Wirkungsgrad: "Voltaischer Wirkungsgrad": Energetischer Wirkungsgrad: Eingeladene Ah-Menge / entnommene Ah- Menge Entnommene Ah-Menge / eingeladene Ah- Menge Mittlere Entladespannung / mittlere Ladespannung Entnommene Energie / eingeladene Energie Einflussfaktoren: Stromdichte Ladekennlinie und Ladegerätetechnik Typische Daten für den energetischen Wirkungsgrad sind: PV: 90 % und darüber (nur Batterie) USV: Wegen Dauerladung keine Aussage sinnvoll Traktion: ca % (nur Batterie ca % inkl. Ladegerät 26

27 Einfluß von Ladeverfahren auf Batteriekapazität Entladenkennlinien während Kapazitätstests-Prüfzyklus nach 1. IU-Ladung entsprechend solarer Volladung und 2. IUI a -Ladung (112% C Nenn ), entsprechend guter Vollladung 27

28 "Regenerierungs"-Ladung Kapazitätsrückgewinnung durch geeignete Ladeverfahren Batterie 5 Jahre bei Raumtemperatur ohne Erhaltungsladung gelagert I-Phase: I 10 U-Phase: 2,4 V/Zelle, 10 h Ia-Phase: 0,2 x I 10 Capacity [Ah] Discharged and charged capacity overview of all 22 cycles VRLA-Battery VARTA 4OPzV 200 Ia-Phase U-Phase I-Phase Discharge Capacity [%] Phases Ladung Entladung 0 28

29 Ausgleichsladen Ausgleichsladung Erforderlich, damit alle Zellen und die positiven und negativen Elektroden jeder einzelnen Zelle einer Batterie vollgeladen werden und in den optimalen Zustand (homogene Elektrolytdichte, gleicher Ladezustand in allen Bereichen der Elektrode, gleiche/optimale Mikrostruktur) kommt. a) Keine der Zellen der Batterie sind vollgeladen Problem der "Volladung", Problematik wird manchmal mit Thema Ausgleichsladung fälschlicherweise in Verbindung gebracht. b) Nur wenige Zellen (höhere Temperatur, Produktionsunterschiede wie z.b. Kapazität oder katalytisch bedingte Steigerung des Gasungsstroms) sind nicht vollgeladen und/oder Ladezustand der positiven und negativen Elektroden unterscheiden sich. Ausgleichsladung erforderlich c) Sicherstellung des optimalen Ladezustands ist bei wechselnden Ladebedingungen nicht möglich. Ausgleichsladung erforderlich 29

30 Ausgleichsladen Ausgleichsladung Probleme innerhalb einer Zelle Säureschichtung Entstehung während der Ladeerhaltung? Säureschichtung kann während der Ladeerhaltung nur bei massivem Stromrippel (Spannung fällt unter die Ruhespannung ab) entstehen und wird sonst immer während der Ladeerhaltung verringert. I Batt = I HR + I NR + I Kond I Kond ist der Verschiebungsstrom, der im Plattenkondensator Batterie fließt. Größe gemäß Abschätzung: Ca. 20 mf für 12 V, 100 Ah-Batterie I NR wird nicht negativ, weil die zugrundeliegende Ruhespannung 1,23 V ist. Wenn I Batt negativ wird, dann kann der Strom auch von I Kond geliefert werden und muss nicht unbedingt zu einer Entladung der aktiven Masse führen. Wenn I HR negativ wird (Entladung und lokaler Säureverbrauch), dann dauert es lange, bis der entladene Bereich wieder geladen ist (Ladewirkungsgrad ist niedrig, Ladestromdichte und Entladestromdichte müssen nicht an jedem Ort der Elektrode gleich groß sein). Elektrode wird dann entladen und bleibt in einem Ladezustand knapp unter 100 % hängen, bis der Ladewirkungsgrad für die entladene Masse und die eingeladenen Ah im Gleichgewicht sind. Bei 90 % Ladezustand am Ende wird der Dichteunterschied des Elektrolyten maximal 0,015 g/cm³ sein. 30

31 Ausgleichsladen Ausgleichsladung Probleme innerhalb einer Zelle Säureschichtung Beseitigung durch Ausgleichsladung? Restliche Elektrolytschichtung am Ende der normalen Volladung kann u.u. so groß sein, dass lange Ladeerhaltungsphasen benötigt würden, um die Säureschichtung so weit zu verringern, dass die Ladestromdichte größer als die Ausgleichsladungsphase ist - Problem der Volladung! Bei manchen Ladeverfahren und Batterien mit geringer vertikaler Beweglichkeit des Elektrolyten kann die Säureschichtung so gut wie gar nicht mehr durch Laden beseitigt werden. 31

32 Ausgleichsladen Ausgleichsladung Probleme innerhalb einer Zelle Inhomogenität des Ladezustands Entstehung während der Ladeerhaltung Inhomogener oder nicht ausreichender Ladezustand der Elektroden (Temperatur der Zellen ist wegen des geringen Wärmeeintrags und der hohen Wärmekapazität des Elektrolyten in dieser Phase in einer Zelle immer fast völlig homogen!) Inhomogener Ladezustand kann während der Ladeerhaltung nur entstehen, wenn lokal unterschiedliche katalytische Eigenschaften vorhanden sind, die zu einer größeren Selbstentladung führen als lokal als Ladestrom vorhanden ist. Nebenreaktion: Tafel-Approximation der BV-Gleichung I Batterie = I NR = i o,nr x A x exp(αnf/rt)(e-e o,nr ) Wenn der Batteriestrom (lokaler Nebenreaktionsstrom) kleiner als der lokale Selbstentladestrom ist, dann wird die Batterie dort entladen. Bei einer normalen Ladung ist das Verhältnis von I zu I Selbstentladung größer 10. Nach Alterung kann das aber anders sein. Nicht ausreichender, ggf. leicht inhomogener Ladezustand kann entstehen, wenn ein sehr hoher Stromripple zu hohen Spannungsschwankungen und damit ständigen Mikroentladungen (ca Millisekunden Dauer) führen würde. Der Lade- und Antladewirkungsgrad und die lokale Stromdichte können unterschiedlich sein. 32

33 Ausgleichsladen Ausgleichsladung Probleme innerhalb einer Zelle Inhomogenität des Ladezustands Beseitigung während der Ladeerhaltung Hauptreaktion: Lineare Approximation der BV-Gleichung I HR = i o,hr x A x (nf/rt)(e-e o,hr ) Nebenreaktion: Tafel-Approximation der BV-Gleichung I NR = i o,nr x A x exp(αnf/rt)(e-e o,nr ) I unten;1,3 = (E-E o;1,3 ) / (E-E o;1,15 ) x I oben;1,15 Verhältnis der Hauptreaktionsströme bei Säuredichte 1,3 und 1,15 bei 2,40 V: I unten = 0,625 I oben 2,23 V: I unten = 0,348 I oben Bei eingeprägtem Gesamtstrom wird der Unterschied immer größer je kleiner die Ladespannung ist. Erhöhung der Ladespannung und oder des Erhaltungsladestroms beseitigen Inhomogenitäten! 33

34 Ausgleichsladen Ausgleichsladung Probleme zwischen Zellen Säuredichte-, Ladezustands- und Mikrostrukturunterschiede Gründe sind unterschiedliche Temperaturen (externe Wirkung oder Fehler) führt zu unterschiedlichem Verhältnis von Gasungs-, Hauptreaktions- und Selbstentladestrom unterschiedliche Kapazität Wegen der geringeren Stromdichte beim Laden der "großen" Zelle ist die Spannung der "kleinen" Zelle höher, der Gasungsstrom ist höher (und in Folge steigt die Temperatur etwas) und der Ladestrom wird früher abgeregelt. Die größere Zelle wird langsamer vollgeladen. unterschiedliche katalytische Bedingungen, die den Gasungsstrom und die Mikrostruktur verändern. Erhöhung der Ladespannung und / oder des Erhaltungsladestroms beseitigen Inhomogenitäten! Säuredichteunterschiede werden nur dann beseitigt, wenn sie auf Mangelladung / Sulfatierung zruückzuführen sind. 34

35 Ausgleichsladen Ausgleichsladung Probleme von allen Zellen Wenn es im Ladeerhaltungsbetrieb nicht gelingt, alle Zellen im optimalen Zustand zu halten: 1. Unzureichender Ladezustand (damit gekoppelt Säureschichtung) ist ein Problem der Volladung (Ladekennliniensteuerung) oder der Betriebsbedingungen (Ladezeit oder Ladeleistung reichen nicht aus) Lösung: Ladekennlinie verbessern und/oder Betriebsbedingungen und/oder regelmäßige "Sondermaßnahme (= "Ausgleichsladung" bzw. echte Volladung) 2. Unterschiede der Mikrostruktur oder Passivierungsschichten Fertigungsprobleme und Temperaturungleichmäßigkeiten, die zu lokal unterschiedlichen Alterungseffekten führen. 3. Abwägung Korrosion gegen Selbstentladung gegen Mikrostruktur Unterschiedliche Optima Mikrostruktur: vermutlich keine Ladung, Korrosion: am geringsten bei ca. 2,23 V, Selbstentladung: abhängig von Alter und Temperatur 35

36 Ausgleichsladen Ausgleichsladung - Zusammenfassung Erforderlich, damit auch die Zelle mit der höchsten Temperatur und den ungünstigsten katalytischen Eigenschaften im Zellverbund vollgeladen wird. Notwendigkeit einer Ausgleichsladung hängt ab vom Batterietyp: Strom in der Ladeerhaltungsphase ist gering und/oder verändert sich stark bei Änderungen von Betriebsbedingungen/Alterungsprozessen der Anwendung: "Normale" Ladung reicht nicht immer zur vollständigen Umwandlung der entladenen Massen aus. dem Ladeverfahren: Volladung mit "angepasster Ladung" ausprobieren (höhere Ladeströme und IR-freie Ladung). Bei Gelbatterien sind die Ladeströme in der Ladeerhaltungsphase systembedingt groß. Hersteller empfehlen im Normalfall keine Ausgleichsladung. Die Ausgleichsladung ist eine Überladung die vollgeladene Zellen noch nicht schädigt, bei den schwachen Zellen aber eine Volladung ermöglicht. 36

37 Ausgleichsladen Ausgleichsladung - Zusammenfassung Empfehlung vom "vollgeladenem" Zustand aus : Bei geschlossenen Batterien Ladung mit 2,5 V/Zelle für 8 Stunden. Bei Verdacht auf akkumulierte Säureschichtung 8 Stunden bei 2,66 V/Zelle für 8 Stunden Bei verschlossenen Batterien Ladung mit 2,4 V/Zelle oder 1A/100 Ah für 8 Stunden. Wiederholung alle 6 Monate, bei Batterien mit unzureichenden Betriebsbedingungen ggf. jede Woche (Traktionsbatterie) oder jeden Monat (erneuerbare Energiesysteme). 37