Testen und Wartung von Batterien

Transkript

1 Testen und Wartung von Batterien Testen und Wartung von Batterien Wartung: Sicherstellen, dass die Funktions- und Leistungsfähigkeit der Batterie so lange wie möglich erhalten bleibt. Testen: Feststellung des aktuellen Leistungszustands und Identifizierung von Reparatur- /Austauschmaßnahmen Testen und Wartung habe viele gemeinsame Aspekte! 1

2 Bestimmen der aktuellen Leistungsfähigkeit der Batterie (Kapazität, Startleistung, etc.) UND Wartungsbedarf bzw. Fehler NICHT: Testen von neuen Batterien für die Freigabe Günstige Voraussetzungen sind: Batterie ist vollgeladen und alle Inhomogenitäten (Elektrolytdichte, lokaler Ladezustand) sind beseitigt. Testverfahren müssen aber auch in der Lage sein, Batterien im "Normalzustand" zu beurteilen bzgl. 1) Momentane Kapazität 2) Risiko eines plötzlichen, unerwarteten Ausfalls 3) Restlebensdauer zum Zeitpunkt der Untersuchung 4) Aktueller Betriebszustand Einhaltung aller Vorschriften der Batteriehersteller bzgl. Wartung ist im Normalfall mit sehr hohem Aufwand verbunden (und nicht immer sinnvoll). Wichtigste Vorschrift: DIN EN Sicherheitsanforderungen an Batterien und Batterieanlagen. 2

3 Wartungsbedarf (EN /14) Sauberkeit (Reinigung) Fester Sitz der Verbinder (Schraubverbindungen, Stecker) Dichtigkeit (Gefäße intakt) und Trog ohne Flüssigkeit Elektrolytstand (Wasser nachfüllen - nicht bei VRLA-Batterien) Auswirkungen, Probleme Eine Elektronen leitende Verschmutzung führt zu Kriechströmen zwischen den Polen und Leckströmen zu Erde: Entladung, Sicherheitsrisiko, wenn die Ströme zu hoch werden. Eine Ionen leitende, Schwefelsäure enthaltende Schmutzschicht führt zu Polkorrosion. Isolationswiderstand zwischen Batteriekreis und anderen örtlich leitfähigen Teilen muss mindestens 100 Ohm/V Nennspannung betragen (EN 50272) entspricht 10 ma/v. Reinigung darf nicht zu elektrostatischer Aufladung führen. Niedrigohmiger Übergang kann durch Materialermüdung (Kriechen, Federkraft lässt nach) höherohmig werden. Temperatureffekt bei hohem Übergangswiderstand beschleunigen die Materialermüdung. Anzugsdrehmoment bei Polschrauben beachten. Zusätzlicher Spannungsabfall über die Verbinder, Zellenspannung ist deshalb niedriger als gewünscht (Problem bei Konstantspannungsladung). Säureaustritt durch Risse? Säureaustritt wegen Überfüllung der Zelle Sobald der Elektrolytspiegel unter die Oberkante der Elektroden sinkt, verringert sich die Kapazität, weil der "trockene" Teil der Elektrode nur noch sehr schlecht bei der Entladung umgewandelt wird. Außerdem kann unter ungünstigen Umständen das Blei der negativen Elektrode an der sie 3 umgebenden Luft zu Bleidioxid ("überentladenes" Material") oxydieren.

4 Wartungsbedarf (EN /14) Spannung des Ladegeräts überprüfen Funktionsfähigkeit des Lüfters üverprüfen Stopfen oder Ventile (bei VRLA-Zellen) überprüfen Elektrolytdichte überprüfen Spannungen der Zellen bzw. Blöcke Kapazitätsprüfung Auswirkungen, Probleme Zu geringe Spannung führt zu einer Mangelladung und zu hohe Spannung zu Überladung. Beides verkürzt die Lebensdauer. Zu hohe Spannung erhöht auch die Gasungsrate und kann zu Sicherheitsrisiken führen (Ladestromüberwachung erforderlich). Wenn die Einhaltung der Belüftungsvorschriften nicht durch natürliche Konvektion (bevorzugte Lösung) sondern durch Zwangsbelüftung sichergestellt wird, dann ist die Funktion des Lüfters wichtig, damit sich keine explosive Gasatmosphäre bilden kann, und muss überwacht werden. Nur die Verwendung unbeschädigter, festsitzender Originalstopfen verhindert das Durchschlagen von äußeren Zündfunken in das Innere der Batterie. Nur bei geschlossenen Batterien: Aussage über Ladezustand allerdings nur bei homogener Säuredichte Aussage über Gleichmäßigkeit des Zustands aller Zellen und ggf. auch Ladezustand Integrale Messung über alle Effekte und letztlich einziger Test über die Funktion der Batterie bei langsamer Entladung. Ein Kapazitätstest kann nur bedingt eine Aussage über die Hochstrombelastbarkeit der Batterie ermöglichen. Temperatur Aussage über Gleichmäßigkeit des Zustands aller Zellen und ggf. auch hochohmiger Widerstände. 4

5 Ersatzschaltbild von Batterien Änderungen der Komponenten des Ersatzschaltbildes in Abhängigkeit vom Laden, Entladen und der Altern müssen verstanden werden! Entladen Gitter und Pole Last Gitter und Pole Aktive Masse Übergangswiderstand Polarisationsüberspannung Spannungsquelle (negativ) Elektrolyt Spannungsquelle (positiv) Aktive Masse Polarisationsüberspannung Übergangswiderstand Zusätzliche Übergangswiderstände bei verschlossenen Batterien 5

6 Vorschlag gemäß DIN IEC 21/455/CD Durch Beschreibung elektrisch messbarer und für eine Fernabfrage taugliche Kennwerte soll es möglich gemacht werden, Aussagen über 1) die momentan vorhandene Kapazität 2) das Risiko eines unerwarteten, plötzlichen Ausfalls 3) die aktuelle Restlebensdauer und 4) den aktuellen Betriebszustand der Batterie zu erhalten. Vorgeschlagene Messwerte: 1. Zeit 2. Temperatur 3. Spannung 4. Strom 5. Impedanz/Konduktanz 6. Wechselstrom/Wechselspannungsanteil Auswertung der Daten in ausgewählten Zeitintervallen und Datenspeicherung Lebensdauerprognosen werden a. a. durch Vergleiche von Zeitreihen gemacht. 6

7 Temperatur: Vorschlag gemäß DIN IEC 21/455/CD Temperatur bestimmt aktuelle Kapazität (niedrige Temperaturen) Pro 10 C Temperaturerhöhung über die Nenntemperatur: Halbierung der Lebensdauer Einfluss auf Selbstentladung: Ohne temperaturkompensierte Ladeerhaltung kann der Selbstentladestrom den Ladeerhaltungsstrom übersteigen und die Batterie wird entladen. Bei hoher Temperatur erhöht sich bei konstanter Ladespannung der Erhaltungsladestrom Temperatur steigt weiter an -> thermische Instabilität Stromwelligkeit erzeugt erhöhte Temperatur und eine selektive Entladung der Elektrode Höhere Ladeströme erhöhen den Wasserverbrauch (Wartungsintervalle) bzw. die Rekombinationsverluste (bei festgelegtem Elektrolyt) Warnmeldungen 1. Temperaturdifferenz zwischen Zellen > 3 K 2. Temperaturdifferenz zwischen Durchschnittstemperatur der Zellen und Umgebungstemperatur > 5K 3. Durchschnittstemperatur der Zellen > 55K Wo und an wie vielen Zellen wird gemessen? -> Bei manueller jährlicher Überprüfung: Vollerfassung!! Nutzung von IR-Kameras (um auch Probleme bei Verbindern zu erfassen) 7

8 Entladung einer 6,5 Ah NiMH-Batterie mit 100 A (Hybridfahrzeuganwendung) Schematische Darstellung von Zellen, Interzellverbindern und Polen Maximum: ca. 20 C Temperaturerhöhung von 2 3 C am Batteriekasten können detektiert werden. Welcher Temperaturerhöhung an den Komponenten entspricht das bei 8 welchen Bedingungen?

9 Schematische Darstellung von Zellen, Interzellverbindern und Polen Zusätzlicher Interzellverbinder Figure 10: Thermal image of the 2004 NiMH module 3 minutes after the start of 100 A discharge. Maximum: ca. 13 C 9

10 Erhaltungsladestrom: Vorschlag gemäß DIN IEC 21/455/CD Wegen des großen Strombereichs beim Laden und Entladen und der geringen Erhaltungsladeströme sind Messprobleme erheblich. Kriterium, dass nur noch Ladeerhaltung und keine Ladung mehr vorliegt ist, dass der bei konstanter Ladespannung in Abstand von 24 Stunden gemessene Wert sich maximal um 0,3 A/100Ah verändert hat. Korrektur des Messwertes auf Nenntemperatur von 20 C erforderlich Verdoppelung des Strom pro 10 C wird angenommen Warnmeldungen 1. Ladungserhaltungsstrom liegt je nach verwendeten Legierungen und Art über einem Grenzwert (150mA/100Ah bis 500 ma/100 Ah = Faktor von ca. 15 über dem Wert einer neuen Batterie und ca. Faktor von ca. 3 über dem am Ende der Lebensdauer erwarteten Wert. 2. Höchste Welligkeit des effektiven Batteriestroms: 5A/100Ah Wo und wie wird gemessen? Ladegerät, da gleicher Strom durch alle Zellen fließt. Zu kleiner Ladeerhaltungsstrom deutet auf zusätzliche Widerstände hin. Bei Messung beider Ladekabel: Leckströme werden integral miterfasst. 10

11 Erhaltungsladespannung: Vorschlag gemäß DIN IEC 21/455/CD Überwachung von Zellen und Blockspannung und nicht nur Gesamtspannung, oder zu mindestens Zellenketten mit gleicher Nennspannung. Je Messkabel Sicherung oder strombegrenzender Widerstand und flammenhemmende Isolierung der Kabel Letzte Entladung mindestens 7 / 14 Tage her Zeit seit der Inbetriebnahme mindestens 1 Monat / 6 Monate bei Batterien mit interner Rekombination Warnmeldungen 1. Spannungsdifferenz zwischen verschiedenen Batteriesträngen > 1 % 2. Spannungsdifferenz vom Durchschnittswert größer oder kleiner als 100 mv x n (n: Zahl der Zellen, die gemeinsam gemessen werden) bzw. weichen mehr als 150 mv x n von entweder einem oberen oder unteren Grenzwert ab. Wo und an wie vielen Zellen wird gemessen? -> Bei manueller jährlicher Überprüfung: Vollerfassung!! Hoher Mess- und Verkabelungsaufwand und Sicherheitsprobleme bei voller automatischer Datenerfassung 11

12 Impedanz oder Konduktanz: Vorschlag gemäß DIN IEC 21/455/CD Korrelation mit Kapazität nicht besser als +/- 15 % Nutzung zur Detektierung von fehlerhaften Zellen oder, durch Auswertung des zeitlichen Verlaus der Messwerte, Zellen mit besonderem Alterungsverhalten. Vorschlag: Nutzung nur bei vollgeladener Batterie, weil Werte eine starke Abhängigkeit vom Ladezustand haben. Bei Nutzung der Messung für eine Vorhersage der Kapazität muss der Zusammenhang zwischen Impedanz und Kapazität experimentell für jede Batterietype hergestellt werden! Ist dafür die Nutzung von Batterien mit beschleunigter Alterung zulässig?? Gleiche Messbedingungen (Gleiche Geräte, Kontakte, Batterie ist mit Last verbunden oder nicht, etc. Warnmeldungen Es werden keine festen Grenzen vorgeschlagen! Wo und an wie vielen Zellen wird gemessen? -> Bei manueller jährlicher Überprüfung: Vollerfassung!! Hoher Mess- und Verkabelungsaufwand und Auswertung problematisch 12

13 Impedanzmessung von VRLA Batterien (220 Hz) Austrocknen von Vlies durch Fehlerhaftes Ventil Messdauer ca. 6 Monate Korrosion am Pol Messdauer ca. 1,5 Monate Automatisch arbeitende Systeme, die Batterie ständig überwachen und Fehler identifizieren können. 13

14 Entladung: Vorschlag gemäß DIN IEC 21/455/CD Entladung im Betrieb führt zu einer mangelnden Verfügbarkeit Bei parallelen Batteriesträngen muss die Lastverteilung bestimmt werden, weil keine Spannungsunterschiede vorhanden sein können (Strom pro Strang einzeln messen). Messung von Einzelspannung ist erforderlich und die Abweichung der Einzelspannung vom Durchschnittswert lässt es zu, schwache Zellen/Module zu erkennen. Entladung mit variablen Lasten lässt keine Aussage über Alterungen zu, es sei denn, das verwendete Belastungsprofil wird immer wieder wiederholt. Warnmeldungen 1. Ab einer Überbrückungszeit von weniger als 80 % de Neuwerts wird eine schnelle Kapazitätsabnahme unterstellt (Datenbasis für diese Annahme? Qualibat-Projekt). 2. Keine festen Grenzen für Spannungsdifferenzen vorgeschlagen! Stattdessen soll jede Zelle innerhalb der zulässigen Grenzen bleiben bedingt Abschaltkriterium auf Basis von Einzelspannungsmessung Wo und an wie vielen Zellen wird gemessen? -> Bei manueller jährlicher Überprüfung: Vollerfassung der Spannung aller Zellen zu verschiedenen Zeiten bei der Entladung!! Hoher Verkabelungsaufwand bei automatischer Einzelspannungsmessung Üblich: Vergleich der Spannungen der beiden Batteriehälften Absenken der Gleichrichterspannung im Betrieb, um Teilentladung der Batterie zu simulieren. 14

15 Entladung: Abnahme der Kapazität bei Tests mit PV-Typischer Belastung Capacity/% C Aus Standardtests unterstellter normaler Verlauf der Kapazität Cycle number Ergebnisse des Qualibat-Projekts: Zyklisierung von verschiedenen Typen von VRLA Batterien 15

16 Ladegerät Lasten Interzellverbinder Pobrücke und Pol Spannungsmessung Spannungsmessung Elektrolyt Zelle 1 Zelle 2 Zelle 3 Zelle 4 1. Vergleich der Spannung beim Entladen, Am Anfang der Ladung und während der Ladeerhaltung ergibt Aufschluss darüber, ob eine schwache Zelle vorhanden ist, und in welchem Teil der Batterie sie sich befindet 2. Absenken der Spannung des Ladegeräts entlädt Batterie ohne besondere Risiken bei der Zuverlässigkeit 16 Datum:

17 Das Minimum an Überwachung Automatische Testverfahren (Bereitschaftsparallelbetrieb) "On-line" Kapazitätstest durch Vergleich der Spannung während der Entladung mit den Werten des Abnahmetests Problem: Entladung um mindestens ca. 20 % der Nennkapazität. Verbraucher müssen "identisch" sein (Blind- und Wirkleistung, Oberwellen) Realisierung z.b. durch Absenken der Spannung im Zwischenkreis und Messung der Batteriespannung und des Batteriestroms. Vorteil: keine Schaltvorgänge Aussage: Batterie ist belastbar (nur wenn Aussagen über den Batteriestrom gemacht werden können) Problem: Entladung um mindestens ca. 20 % der Nennkapazität Vergleich von Batteriespannungen Identifizierung einer schwachen Zelle durch zusätzliche Messung der Spannung in der Mitte der Batterie - sehr einfach und preiswert, immer zu empfehlen. (Auch Bestandteil der Überwachung von Gabelstaplerbatterien mit IBAT/BiCaT) 17

18 Vorschlag gemäß DIN IEC 21/455/CD Durch Beschreibung elektrisch messbarer und für eine Fernabfrage taugliche Kennwerte soll es möglich gemacht werden, Aussagen über 1) die momentan vorhandene Kapazität 2) das Risiko eines unerwarteten, plötzlichen Ausfalls 3) die aktuelle Restlebensdauer und 4) den aktuellen Betriebszustand der Batterie zu erhalten. Was wird tatsächlich erfüllt, wenn man alle Messungen durchführt und die Batterie in einem beliebigen Zustand ist: 1. Temperatur- und Spannungsunterschiede deuten auf problematische Zellen/Blöcke hin. 2. Impedanzmessungen deuten ebenfalls auf problematische Zellen hin, Auswertung nur bei vollgeladener Batterie unproblematisch 3. Durch Konstantstromentladung für einige Zeit (abhängig von der durch die Entladung erzielten Spannungsminderung) kann der Ladezustand und die aktuelle Kapazität bestimmt werden. 4. Bestimmung Restlebensdauer bedingt Kenntnis des Verlaufs der Messwerte über die Lebensdauer nur bei anwendungsspezifischer Erfahrung vorhanden 18

19 Testen mit nicht-elektrischen Parametern Parameter Säuredichte Nur bei vollgeladener Batterie nach langer Ladeerhaltung (Durchmischung des Elektrolyten muss gewährleistet sein) Visuelle Inspektion Temperatur Erkennbare Fehler und Grenzen der Methode Nenndichte nur bei vollgeladener und intakter Batterie möglich. Unterladung und Sulfatierungen großen Ausmaßes durch Mangelladung oder Abschlammen der Masse werden erkannt. Grenzen der Messung: Geringfügige Sulfatierungen als passivierende Schichten, die zu einer geringen Kapazität führen; Korrosion der Pole; Mangelnder elektrischer Kontakt geladener aktiver Masse zum Gitter bzw. dem Rest der aktiven Masse; Korrosionserscheinungen an Polen und Polbrücken (soweit klarsichtige Gefäße verwendet werden), Wachstum der Pole, Ausbeulung, Abschlammung, etc.: Keine dieser Effekte bedeutet einen unmittelbaren Kapazitätsverlust. Allerdings sind diese Effekte Vorläufer von irreversiblen Schädigungen und teilweise auch unerwartetem Versagen. Die Temperatur der Zellen ist ein Ergebnis der Betriebsbe-ingungen. Hohe, relativ gleichmäßige Temperaturen sind kein Hinweis auf Batterieprobleme, sondern auf Anwendungsprobleme. Ungewöhnlich hohe oder ungleichmäßige Temperaturen deuten auf Probleme bei einzelnen Zellen hin. Temperaturerhöhung eines Pols ist ein Gefahrenzeichen! 19

20 Batteriemanagementsysteme Es gibt mehrere Systeme zur Online-Überwachung ortsfester Batterieanlagen, mit denen Fehler mit hoher Sicherheit erkannt werden können. Sie basieren auf unterschiedlichen Meßmethoden, haben aber folgende Gemeinsamkeiten: 1. Es werden Messungen von einzelnen Zellen bzw. Blöcken einer Batterie und nicht der gesamten Batterie durchgeführt. 2. Die Messungen erfolgen i. A. sequentiell. 3. Der absolute Meßwert ist weniger aussagekräftig als die Auswertung von Veränderungen. 4. Es können automatische Warnmeldungen erzeugt und an den Betreiber gesendet werden. 5. Datenfernübertragung und Ferndiagnose ermöglichen die zentrale Betreuung vieler Batteriemeßsysteme von einem Ort aus. Kosten-Nutzenanalysen sind schwierig. 20