EUROBAT RICHTLINIE FÜR VRLA-ANTRIEBS-

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1 EUROBAT E U R O B A T RICHTLINIE FÜR VRLA-ANTRIEBS- B A T T E R I E N

2 EUROBAT, der Verband der europäischen Hersteller von Akkumulatoren, hat 36 reguläre und außerordentliche Mitgliedsunternehmen und vertritt über 85% der Batterieindustrie Europas. Der Verband handelt als Sprecher und Informationsquelle und vertritt die Interessen der Hersteller von Starter- und Industriebatterien gegenüber Verbrauchern, EU-Institutionen und Nationalregierungen. Die Wiedergabe der in diesem Bericht enthaltenen Daten ist nur mit Genehmigung von EUROBAT gestattet. (EUROBAT 2003)

3 Vorwort Vorwort Diese EUROBAT Richtlinie soll das Verständnis und den Einsatz von verschlossenen Bleiantriebsbatterien (VRLA) fördern. EUROBAT gab diese Druckschrift als Nachschlagewerk für Lehranstalten in Auftrag. Sie kann jedoch auch dem Benutzer von Antriebsbatterien Richtlinien zur Erstellung von Konstruktions- und Einkaufsunterlagen übermitteln. Hier findet der Leser Hinweise auf Technologie, Prüfung & Normen sowie Betriebsaspekte. Weitere Verweise sind auf der Internetseite zu finden. Dr. Albrecht Leuschner Vorsitzender EUROBAT 1

4 E U R O B A T R I C H T L I N I E N F Ü R V R L A A N T R I E B S B A T T E R I E N Allgemeines Allgemeines Verschlossene Bleiantriebsbatterien (VRLA) mit Zellen oder Monoblocs erfordern während ihrer ganzen Lebensdauer kein Nachfüllen mit Wasser. Im Gegensatz zu den mit Elektrolyt gefüllten Batterien entsteht beim normalen Betrieb nur sehr wenig Wasserstoff- und Sauerstoffgas. Dieses wird durch ein Rückschlagventil entlüftet, welches zugleich keine Luft eindringen lässt. Diese Anordnung schaltet die Gefahr der Kontamination des Arbeitsbereichs durch saure Elektrolytspuren aus und macht zusätzliche Lüftung zur Vermeidung der Ansammlung von Wasserstoffgas im Ladebereich überflüssig. Dank wirksamer Ladeverfahren liegen die Stromkosten für den Betreiber von VRLA Antriebsbatterien gewöhnlich unter denen für herkömmliche, normal zu wartende, mit Elektrolyt gefüllte Batterien. VRLA Antriebsbatterien erfordern in der Herstellung zusätzliche und kostspielige Bauteile, Werkstoffe und Verarbeitungsverfahren. Eine gute Zykluslebensdauer setzt optimales Laden mit elektronisch geregeltem Ladestrom und Steuerung durch Algorithmen voraus, und das ist wesentlich komplizierter als bei mit Elektrolyt gefüllten Batterien. Verschiedene VRLA Technologien mit diversen optimierten Ladeverfahren kommen zur Anwendung. Wenn Batterien von verschiedenen Herstellern stammen und auf unterschiedlicher Technologie basieren, können Batterien der gleichen Spannung und Kapazität nicht immer mit demselben Gerät geladen werden. Die Herstellungskosten für VRLA Antriebsbatterien und ihre Ladegeräte liegen über denen mit Elektrolyt gefüllten Produkten. In einigen Anwendungsbereichen, besonders bei schwerer Entladungsleistung und niedrigen Temperaturen beim Laden, kann die Zyklenlebensdauer von VRLA Antriebsbatterien verkürzt werden. Im Interesse der guten Zyklenlebensdauer sollte die Anwendung mit dem Batteriehersteller besprochen werden, wobei die Anweisungen zu beachten sind. Technologie Technologie Die Ladungsaufnahme der positiven und negativen Platten der Bleizelle nimmt gegen Ende des Wiederaufladens ab. Zunehmende Spannungspolarisation wird von der Zersetzung des Wassers bei den elektrochemischen Konkurrenzreaktionen begleitet, so dass Sauerstoff an den positiven und Wasserstoff an den negativen Platten entsteht. Gewöhnlich erfolgt die Verminderung der Ladungsaufnahme und der Übergang zur Gasentwicklung früher und stärker bei der positiven Platte als bei der negativen. Die Schwefelsäure des Elektrolyts ist ein Reaktionspartner in der Bleibatterie. Sie wird beim Entladen verbraucht, und die Dichte des Elektrolyts nimmt ab. Beim Wiederaufladen entstehende Schwefelsäure ist relativ dicht und wird unter dem Einfluss der Schwerkraft auf dem Boden der Zelle geschichtet. Wenn der Elektrolyt nicht gemischt wird, ist die Schwefelsäure auf dem Zellenboden zu konzentriert 2

5 E U R O B A T R I C H T L I N I E N F Ü R V R L A A N T R I E B S B A T T E R I E N VRLA Antriebsbatterien Automatisches Auffüllen + Mischung des Elektrolyts + Geregelte Überladung + Elektrochemische Ausführung Calcium Design Automatische Auffüllsysteme Traditionell gefüllte Batterien flüssig gefüllte Batterien für effektives Laden und die Gesundheit der Zelle. Die Schwefelsäure oben in der Zelle reicht nicht zur Unterstützung der Entladung der oberen wirksamen Substanzen aus. Dieser Vorgang wird als Elektrolyt- Schichtung bezeichnet. Bei mit Elektrolyt gefüllten Bleibatterien muss die Überladung zum Einen zur Wiederaufladung der positiven und negativen Platten und zum Anderen zum Mischen des Elektrolyts mit Wasserstoff- und Sauerstoffblasen ausreichen. Der Elektrolytstand muss durch regelmäßige Beigabe von Wasser aufrecht erhalten werden. Der mit dem regelmäßigen Auffüllen verbundener Aufwand kann durch automatisches zentrales Auffüllen reduziert werden. Wasserverbrauch und Auffüllhäufigkeit für mit Elektrolyt gefüllte Bleiantriebsbatterien werden in wartungsarmen Batterien mit Zellen von verbesserter elektrochemischer Ausführung zwar reduziert, aber nicht ganz ausgeschaltet. Die Schichtung des Elektrolyts wird durch das Mischen innerhalb der Zelle entweder durch Überladung oder durch den Einsatz einer Mischpumpe geregelt. Wenn der Elektrolyt gemischt wird, kann die Kapazität der Batterie mit einer geringeren Überladung je Zyklus aufrecht erhalten werden. Dadurch werden Elektrizitätskosten und Wasserverbrauch reduziert. Bei VRLA Batterien wird die zur Schichtung führende Verteilung des Elektrolyts durch Festlegung des Elektrolyts als Gel oder in Separatoren aus absorbierenden Glasmikrofasern AGM/Gel Batterien (AGM) geregelt. Das Mischen des Elektrolyts erübrigt sich. Gel - und AGM -Ausführungen der VRLA Antriebsbatterien haben unterschiedliche Eigenschaften, insbesondere bezüglich des Ladeverfahrens. Da VRLA Batterien nicht ganz mit Elektrolyt gesättigt sind, kann der bei den positiven Platten entstehende Sauerstoff gegen Ende des VRLA Batterien Wiederaufladens sich zur negativen Platte verbreiten und damit reagieren, wodurch das Wiederaufladen der leistungsfähigeren Elektrode verzögert wird. Mit Hilfe einer geeigneten Ladecharakteristik kann das Wiederaufladen der positiven und negativen Platten mit relativ geringer Überladung erreicht werden. Im Sauerstoffzyklus reagiert der überschüssige Sauerstoff mit der negativen Platte und verhindert eine entsprechende Wasserstoffproduktion. Gasentwicklung und Wasserverlust aus VRLA Batterien liegen im typischen Fall unter 1% des Überladungs-Gegenwerts. Da keine Schichtung von flüssigem Elektrolyt existiert, benötigen VRLA Antriebsbatterien weniger Überladung je Zyklus, und dank dem Sauerstoffzyklus werden Wasserverlust und Gasentwicklung weitgehend ausgeschaltet. Hochreine Werkstoffe und antimonfreie Legierungen leisten einen Beitrag zur langen Lebensdauer der VRLA Antriebsbatterien. 3

6 E U R O B A T R I C H T L I N I E N F Ü R V R L A A N T R I E B S B A T T E R I E N Prüfung Prüfung und Norm und Norm Die IEC (1997), Bleiantriebsbatterien gilt für VRLA Antriebsbatterien. Die Entladungskapazität wird für eine Entladungsdauer von fünf Stunden angegeben, basierend auf einer Zellen- oder Batterietemperatur von 30 C. Der Entladeprüfstrom von 200 A je 100 Ah Nennkapazität bleibt erhalten, bis die durchschnittliche Zellenspannung auf 1,70 V absinkt. Die Zykluslebensdauer wird in Zyklen von 70%-Entladung mit 20 A /100 Ah für 3,5 Stunden und Wiederaufladen gemäß den Anweisungen des Herstellers bestimmt. In diesen Zyklen ist die Zellentemperatur auf 33 C - 43 C zu halten. Der Dauerversuch ist abgeschlossen, wenn die verfügbare Kapazität bei regelmäßig gemessener Entladung unter 80% des Nennwerts absinkt. Dabei muss eine Zykluszahl erreicht werden, die mindestens der vom Hersteller angegebenen gleicht. Bei herkömmlichen mit Elektrolyt gefüllten Bleiantriebsbatterien laufen die Zyklen mit 75%-Entladung mit 25 A je 100 Ah, bis die gemessene Kapazität unter 80% des Nennwerts absinkt. Betrieb Betrieb Wartung Bei VRLA Antriebsbatterien erübrigen sich Vorkehrungen zum Auffüllen des Elektrolyts mit Wasser. Die Gefahr von Spillagen wird somit ausgeschaltet, so dass Kriechspurbildung oder die Korrosion der Batterie, des Batteriehalters, des Fahrzeugs oder der Ladestelle vermieden wird. Laden Ladegeräte für AGM- oder Gel-Batterien sind je nach der Implementierung der betreffenden Technologie verschieden. Die Gasrekombination, die Wasserverlust in der Form von Wasserstoff und Sauerstoff praktisch ausschaltet, beeinflusst das Spannungsverhalten im Verhältnis zur Ladung. Dieses beeinflusst seinerseits den Ladealgorithmus und die zur Anwendung zu bringenden Sicherheitsmaßnahmen. Bei VRLA Antriebsbatterien kommen elektronisch gesteuerte Ladegeräte zur Anwendung, so dass die angegebenen Algorithmen für Ladeprofil und Ladeschluss unabhängig von Netzschwankungen zur Wirkung kommen. Das Ladeverfahren muss den Angaben oder Anweisungen des Batterieherstellers entsprechen. Die Temperatur beeinflusst das Laden: je höher sie ist, desto weniger reagiert die Spannung auf den Strom. Kompensation auf der Basis der Batterietemperatur kann zur Lösung dieses Problems beitragen. Bezüglich des Betriebs bei niedrigen Temperaturen (Kühlräume) ist der Batteriehersteller zu Rate zu ziehen. Obwohl es zur höheren Betriebstemperatur der Batterie beitragen kann, ist 4

7 E U R O B A T R I C H T L I N I E N F Ü R V R L A A N T R I E B S B A T T E R I E N Zwischenladen ggf. in gewissen Anwendungsbereichen angebracht. Die optimale Lebensdauer wird allerdings nur mit besonderen Profilen für Zwischenladen und volles Wiederaufladen erreichbar. Diesbezüglich ist der Batteriehersteller zu Rate zu ziehen. Betriebstemperatur % depth Entladetiefe of discharge % of der C5 C5-Kapazität capacity Die Nennkapazität bezieht sich auf eine Betriebstemperatur von 30 C. Wie die Kurve zeigt, wird die verfügbare Kapazität von der Temperatur beeinflusst und bei niedrigen Temperaturen erheblich Verfügbare Capacity Kapazität available bei at different verschiedenen Temperaturen temperatures für for VRLA batteries Batterien Ideale operating Betriebstemperatur temperature Annehmbare Acceptable operating Betriebstemperatur temperature Vor Refer Arbeit to manufacturer bei diesen before Temperaturen using in these Hersteller temperatures befragen 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% -20 C -10 C 0 C 10 C 20 C C 45 C Temperature verringert. Die Lebensdauer wird durch Heißbetrieb verkürzt, während der Ladungswirkungsgrad bei niedrigen Temperaturen abnimmt. Die Batterietemperatur hängt von der Entladungsleistung und Batteriegröße sowie von der Umgebungstemperatur ab. Wenn die Umgebungstemperatur außerhalb des angegebenen annehmbaren Bereichs liegt, ist der Batteriehersteller zu Rate zu ziehen. Lebensdauer und Regelung der Entladungstiefe Das Verhältnis zwischen Lebensdauer und Entladungstiefe wird im Bild veranschaulicht. Im Gegensatz zu Bleiantriebsbatterien, wo eine gute Zykluslebensdauer durch Begrenzung der Entladungstiefe auf 80% des Nennwerts erreicht werden kann, ist bei VRLA Antriebsbatterien im Auswirkungen Effect of depth der Entladetiefe of discharge auf die Lebensdauer on battery cycle einer life Batterie 80% 70% 60% 50% 40% 30% 100% 120% 140% 160% 180% 200% Lebensdauer service life Allgemeinen eine Begrenzung der Entladungs-tiefe auf 70% anzuraten. Zur Optimierung der Lebensdauer kann eine hydraulische Sperre oder ein Entladungsmesser erforderlich sein. Ratschläge zum Einrichten dieses Geräts und allgemeine Richtlinien zur Verbesserung der Lebensdauer sind in der Bedienungsanleitung des jeweiligen Batterieherstellers zu finden. Wir verweisen außerdem auf das ZVEI Merkblatt "Lebensdauer-Betrachtungen bei Antriebsbatterien". 5

8 EUROBAT Verband der europäischen Hersteller von Akkumulatoren Avenue Marcel Thiry Brüssel Belgien Tel: Fax: eurobat@eyam.be