Batterien. expertllpverlag* Grundlagen und Theorie, aktueller technischer Stand und Entwicklungstendenzen. Dipl.-Ing. Heinz-Albert Kiehne

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1 Batterien Grundlagen und Theorie, aktueller technischer Stand und Entwicklungstendenzen Dipl.-Ing. Heinz-Albert Kiehne Dr. D. Berndt Dr. W. Fischer Dipl.-Ing. H. Franke Dipl.-Ing. W. König Dr.-Ing. H. K. Köthe t Dipl.-Ing. R Preuß Dr.-Ing. G. Saßmannshausen Dipl.-Ing. U.-C. Stahl E. Wehrle Dipl.-Ing G. Will Dipl.-Ing. H. Willmes 5. Auflage Mit 209 Bildern und 51 Tabellen Kontakt & Studium Band 57 Herausgeber: Dr.-Ing. Michael Mettner Technische Akademie Esslingen Weiterbildungszentrum Dipl.-Ing. Elmar Wippler, expert verlag Begründet von Prof. Dr.-Ing. Wilfried J. Bartz expertllpverlag*

2 Inhaltsverzeichnis Herausgeber-Vorwort Autoren-Vorwort Grundlagen elektrochemischer Energiespeicher D. Berndt Einleitung Grundlagen Die elektrochemische Zelle Kenngrößen elektrochemischer Energiespeicher Thermodynamische Kenngrößen Abhängigkeit von Konzentrationen Der reversible Wärmeeffekt Heizwertspannung Kinetische Parameter Die Durchtrittsreaktion Die TAFEL-Gerade Einfluss dertemperatur Migration, Diffusion Polarisation Ein Beispiel für die Auswirkung kinetischer Parameter Joule-Wärme Gesamte Wärmeentwicklung Wärmeentwicklung in Batterien an einigen Beispielen Wärmeentwicklung in Bleibatterien Wärmeentwicklung in Nickel/Cadmium-Batterien Wärmeentwicklung in einer Natrium/Schwefel-Batterie Auswahlkriterien für mögliche Batteriesysteme Auswahl nach thermodynamische Kenngrößen Randbedingungen Löslichkeit der Reaktionsprodukte Unerwünschte Nebenreaktionen Etablierte und neue aufladbare Batteriesysteme Bleibatterien Zellenreaktion, Gleichgewichtsspannung Nebenreaktionen Mischpotentiale TAFEL Geraden Verschlossene Bleibatterien '

3 Der interne Sauerstoffkreislauf Thermisches Durchgehen (Thermal Runaway) Wasserverlust als Alterungsfaktor Balance der Nebenreaktionen Wasserstoffentwicklung Korrosion von Blei in der positiven Elektrode Nickel/Cadmium-Batterien Gasdichte Nickel/Cadmium-Batterien Foam-Elektroden Verbesserungen des aktiven Materials Nickel/Wasserstoff-Batterien Wasserstoffhydrid Speicher Nickel/Metallhydrid-Batterien Hochtemperaturbatterien Natrium/Schwefel-Batterien Natrium/Nickelchlorid-Batterien (ZEBRA Batterien) Lithium-Ionen-Batterien Zink/Brom-Batterien Zink/Luft Batterie (mechanische Aufladung) Systemvergleich Schlußbemerkung Literatur Batterien für elektrisch angetriebene Fahrzeuge, insbesondere der Flurförderzeuge 103 H.A. Kiehne 2.1 Einleitung Die Anforderungen des Marktes Normgerechte Ausführungen Energiegewicht-Energievolumen Lebensdauer-Wirtschaftlichkeit Ladetechnik Wartung Zusammenfassung und Ausblick Literatur Energieversorgungskonzepte für fahrerlose Flurförderzeuge 123 P. Preuß 3.1 Einige einleitende Anmerkungen zur Bedeutung 123 fahrerloser Flurförderzeuge Die Beanspruchung der Antriebsbatterien durch FFZ Antriebsbatterien für FFZ 126

4 3.4 Temperaturoptimierung als Basis des Energieversorgungskonzeptes Überlegungen zur Batteriedimensionierung Abschätzung der Batteriebelastbarkeit Anmerkungen zur Batterieauswahl Ladungsangebot der Batteriesysteme Grenztemperaturen der Batteriesysteme Ladetechnische Erfordernisse Die Entwicklung des Energieversorgungskonzeptes Art und Umfang dar Einsatzdaten Aufbereitung und Transformation der Einsatzdaten Systemvergleich Aktueller Stand der Ladetechnik Steuerungsmöglichkeiten/Informationsaostausch Praxisbeispiel Zusammenfassung und Ausblick Literatur Batterien für elektrisch angetriebene Straßenfahrzeuge 143 H.A. Kiehne 4.1 Einleitung Die Energie-und Rohstoffsituation Die Lösung des Reichweitenproblems Die Anforderungen an die Batterie - Beiträge zur Erfüllung der Anforderungen Bleibatterien, oder welches andere System? Batteriesysteme für die nahe Zukunft? Hochtemperaturbatterien, Brennstoffzellen? Wirtschaftlichkeit schon heute? Ausblick, Literaturverzeichnis Der Batteriebetrieb aus Sicht des Anwenders von Antriebsbatterien 167 W. König 5.1 Vorbemerkungen Allgemeines Vorteile des Batterieantriebes Betriebs-, Einsatz-und Umwelteinflüsse Physikalische Vorteile des Elektroantriebes Betriebskostenbetrachtungen Anforderungen an die Batterien 174

5 Leistungssteigerungen Die Lebensdauer Die Instandhaltung Die Beschaffungskosten Die Betriebssicherheit Typenauswahl Bauarten und Auswahlkriterien für Antriebsbatterien Standardausführung mit Zellen nach alter DIN Wartungsarme Ausführungen mit geschlossenen Zellen Leistungsgesteigerte wartungsarme Ausführung Hochbelastbare Sonderausführungen Wartungsfreie Bauarten mit verschlossenen Zellen Ladung der Antriebsbatterien Vorschriften und Arbeitsblätter Geräte mit ungeregelten n Geräte mit geregelten n lu--konstantspannungsladen lula- zur optimalen Volladung n und Geräte für Sonderladungen Organisation des Ladebetriebes Batterieladeraum Batterieladestation Einzelladeplatz (Ladestelle) Bewegliche Ladestellen Gefahrenschutz Batterieperipherie und Zubehör Zellenverschlußstopfen Elektrolytstandsanzeiger Überdruckventile Zellenverbinder Nachfülleinrichtungen Rekombinatoren Steckvorrichtungen Kapazitätsanzeigegeräte Elektronische Überwachungssysteme Qualitätssicherung von Batterien und Ladegeräten Kapazitätsprüfungen Instandhaltung Antriebsbatterien Ladegeräte Batterienutzung ohne Investition Entsorgung von Altbatterien Zukunftserwartungen Schlußbemerkunaen

6 Sicherheitsnormen für ortsfeste Batterien und Batterieanlagen H.Willmes Einleitung Inhalt der Sicherheitsbestimmung DIN VDE 0510, Akkumulatoren und Batterieanlagen" DINVDE0510Teil 1 Allgemeines" DIN VDE 0510 Teil 2 Ortsfeste Batterieanlagen" Gefahren durch Elektrizität Gefahren durch Elektrolyt Explosible Ladegase / Belüftung von Batterieräumen DIN VDE 0510Teil 3, Antriebsbatterien für Elektrofahrzeuge DINVDE0510Teil5, Batterien an Bord von Fahrzeugen DIN VDE 0510 Teil 6, Gerätebatterien DIN VDE 0510 Teil 4, KFZ-Starterbatterien Internationale Standardisierung Batterien für ortsfeste Stromversorgungen H. Franke Zusammenfassung Einleitung Zellenbauarten und Kenndaten Projektierung von Batterieanlagen Service Poldurchführungen Auslieferungsformen Zukunftsperspektiven Literatur Der Batteriebetrieb aus der Sicht des Anwenders - Betriebserfahrungen und Anregungen 258 U.-C. Stahl 8.1 Vorbemerkungen Entwicklung der Fernmeldestromversorgung und Betriebsarten Produktentwicklung/Eingesetzte Erzeugnisse Energiereservekonzept Einsatzbedingungen Batterieaufstellung Beschaffung/Qualitätsstandards/Qualitätssicherung Wartungstätigkeiten an den Batterien Betriebserfahrungen Geschlossenen Batterien Verschlossene Batterien 272

7 8.9.3 Unfälle Literatur Kraftfahrzeug-Starterbatterien 274 G. Saßmannshausen 9.1 Der Markt in Europa Aufgaben einer Kraftfahrzeug-Starterbatterie Der Aufbau einer Kraftfahrzeug-Starterbatterie Die aktiven Massen der Elektroden Der Fertigungsprozess Abmessungen und Ausführungsdetails Die Unterbringung im Fahrzeug, besondere Eigenschaften Elektrische Eigenschaften Die Normung von Batterieeigenschaften Entwicklungsausblick Literatur Hochenergie-Batterien 286 W. Fischer 10.1 Einleitung Hochenergie-Batteriesysteme Lithium/Metalloxid(sulfid)-Batterien Das Zink/Brom-System Das Natrium/Schwefel-System DasNatrium/Nickelchlorid-Sysstem Das Lithium/Eisensulfid-System Brennstoffzellen Niedertemperatur-Brennstoffzellen Mitteltemperatur-Brennstoffzellen Hochtemperatur-Brennstoffzellen s-gesichtspunkte Photovoltaische Stromversorgung mit Batterien 308 H. K. Köthe 11.1 Einleitung Auslegung photovoltaischer Systeme Auslegungsbedingungen Ermittlung des mittleren Verbrauchs Ermittlung des mittleren Angebots Ermittlung der Speicherkapazität Bewertung von verschiedenen Systemauslegungen Auf bau photovoltaischer Systeme Die Stromquelle: der Solargenerator 313

8 Systemaufbau Die Sperrdiode Die Batterie Das Betriebsystem Gesichtspunkte zur Akkumulatorauswahl Leistungsbereiche Einsetzbare Akkumulatorbauarten stechnische Überlegungen Ausführungsarten von Betriebssystemen Systeme mit Strombegrenzung Systeme mit Spannungsbegrenzung Systeme mit Zweipunkt-Reglern Die Kosten von photovoltaischen Energieversorgungen Preisbasis-heute und morgen-und deren Auswirkung Preisprognosen für die Systemkosten pro Watt Ausgangsleistung Zusammenfassung Literatur Ladeverfahren und Ladetechnik - Grundsätzliche Anforderungen und Hinweise für die Geräteauswahl 327 E.Wehrle 12.1 Anforderungen der Batterien an die Ladegeräte Technische Daten und Begriffe Batterie, Kapazität, Entladestrom, Ladestrom Ladefaktor Ladezeit Gasungsspannung Formen der n Fallende n (W-) Steigende n (S-) Eingegrenzte n Konstant-n Zusammengesetzte n der Ladeverfahren bei reinem Ladebetrieb Aufstellen und Betrieb von Batterien und Ladegeräten Anforderungen der Bleibatterien offener Bauart Anforderungen der wartungsfreien verschlossenen Bleibatterie Anforderungen der Nickel-Cadmium-Batterien offener Bauart Laden von Bleibatterien nach W-(Wa, WOW, WOWa) Grundforderung Laden von Bleibatterien nach I (la, IOI, IOIa)- 338

9 Grundforderung Laden von Bleibatterien nach lula- Grundforderung Laden von Bleibatterien nach lu- Grundforderung Laden von Nickel-Cadmium-Batterien Grundforderungen Laden von Nickel-Cadmium-Batterien nach I-, (la)- Laden von Nickel-Cadmium-Batterien nach W-, (Wa)- Laden von Nickel-Cadmium-Batterien nach lu-kannlinie Laden von wartungsfreien verschlossenen Bleibatterien Lademethoden Ladeströme, Ladezeiten Laden von gasdichten Nickel-Cadmium-Batterien Lademethoden Ladeströme, Ladezeiten Vergleich einiger Ladeverfahren für Bleibatterien Anschaffungskosten von Ladegeräten Hinweise für die Geräteauswahl Ladeverfahren und Ladetechnik- Spezielle Anforderungen und Hinweise für die Geräteauswahl Anforderungen der Bleibatterien verschlossener (wartungsfreier) Bauart Laden von Blei-Antriebsbatterien verschlossener Bauart Anforderungen der Blei-Antriebsbatterien modifizierter Bauart

10 Laden von Blei-Antriebsbatterien modifizierter Art Literatur Die Technik der Ladegeräte und Stromwandler, Überwachungsmethoden 353 G.Will 13.1 Einsatz von Ladegeräten Charakteristische Spannungen für Pb-und NiCd-Batterien Aufbau und Wirkungsweise von Ladegeräten Geregelte Ladegeräte Ungeregelte Ladegeräte Ladegeräte zum Laden von Antriebsbatterien und stationären Batterien im Umschaltbetrieb Ladegeräte zum Laden stationärer Batterien im Parallelbetrieb Überwachungs-und Zusatzeinrichtungen Oberschwingungen und Blindleistung Wechselrichter zur gesicherten Stromversorgung von Drehstromverbrauchern Normen und Bestimmungen für Batterien und Batterieanlagen 374 H.A. Kiehne 14.1 Die allgemeine Bedeutung der Norm Die nationalen Normen und Bestimmungen (VDE und DIN) Der Weg zur Norm Die internationalen Normen (IEC, EN) IEC EN(CENELEC) Produktnormen - Prüf normen - Sicherheitsnormen Normen fürtrockenbatterien (Auswahl) Normen für Starterbatterien (Auswahl) Normen für Antriebsbatterien (Auswahl) " Normen für ortsfeste Bleibatterien (Auswahl) Normen für wartungsfreie, verschlossene Bleiakkumulatoren Normen für alkalische Akkumulatoren (Auswahl) VDE-Bestimmungen (Auswahl) Sonstige deutsche Normen und Richtlinien Sonstige internationale Normen und Gremien (Auswahl) Die Bedeutung von Normen und Bestimmungen 385 hinsichtlich der Produzentenhaftung Literatur Sachregister 387