Wissenswertes zum Laden von Batterien
Bleibatterien (Bleis�ure, AGM, Gel, usw.)
Bei unserm Mobilit�tsverhalten werden Batterien als Stromspeicher immer wichtiger. Sie sichern uns Unabh�ngigkeit und Komfort.
Dieser Text soll Anhaltspunkte geben, wie und mit welchen Quellen Batterien geladen werden k�nnen. Auch wenn es vorab prim�r um die Bleibatterien geht, werden auch weitere Batterietypen beschrieben.
Bleibatterien werden nach wie vor am H�ufigsten eingesetzt.
!ACHTUNG!
Unsachgem�sser Umgang mit Batterien ist gef�hrlich und kann zu Sach- und Personensch�den f�hren. Verwenden Sie immer Sicherungen m�glichst nahe bei den Batteriepolen und setzen Sie offenen Blei-S�ure-Batterien nur in gut bel�fteten R�umen ein.
Auf jeden Fall sind die Sicherheitsanweisungen vom Hersteller zu beachten.
Einsatzart der Batterie
Grunds�tzlich k�nnen die Batteriesysteme in zwei unterschiedliche Einsatzarten eingeteilt werden. Dementsprechend ist auch die Ladung unterschiedlich. Nat�rlich gibt es auch Mischformen.
Batterie im Standby-Betrieb (Pufferbetrieb, Float-Betrieb)
Typische Anwendungen sind Unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Notleuchten, Batteriegest�tzte Alarmanlagen, Schiebet�ren, usw.
Die Batterie ist die meiste Zeit geladen und h�ngt auch am Ladeger�t. In speziellen Situationen muss die Batterie ihre Energie in relativ kurzer Zeit zur Verf�gung stellen. Danach wird sie wieder geladen.
Da die Batterie nahezu immer geladen wird, sollte die Ladespannung nicht zu hoch gew�hlt werden. Bei einer 12V-Bleibatterie liegt die Ladespannung zwischen 13,6 bis 13,9V.
F�r diese Anwendung werden in der Regel Batterien f�r allgemeine Anwendung (auch Universal-Batterien genannt) oder speziell f�r USV- Anlagen optimierte Batterien verwendet.
Bei diesen Batterie ist nicht die Zyklenzahl sondern die zu erwartende Lebensdauer in Jahre ein wichtiges Kriterium.
Bei den meisten Standby-Anwendungen wird w�rend dem Laden auch gleich ein Strom von den Verbrauchern bezogen. D.h. es fliesst ein Strom vom Ladeger�t direkt zum Verbraucher. Klassische Ladeger�te eignen sich deshalb nur zum Teil f�r diese Anwendung. Bei den meisten Ladeger�ten wird die Batterie beim Volladezyklus zuerst auf ca. 14,4V geladen, bis der Ladestrom unter einen definierten Wert f�llt. Wenn nun der Verbraucherstrom h�her ist als der definierte 'Cut-Off-Strom' bleibt das Ladeger�t in der Vollladung bei 14,4V h�ngen. Dies kann die Lebensdauer der Batterie verk�rzen.
Als Alternative zum Ladeger�t werden sog. Puffernetzger�te eingesetzt. Diese halten die Batterie auf der meistens einstellbaren Ladespannung f�r Float-Betrieb.
Weitere Informationen finden Sie auch unter //www.maurelma.ch/USV.htm oder //www.maurelma.ch/batterien.htm
Batterie im Zyklenbetrieb
Typische Anwendungen sind Elektrofahrzeuge, Solaranlagen, mobile Ger�te, usw.
Die Batterie wird voll geladen und dann wieder entladen und durchl�uft so ein Zyklus. Bei der Solaranlage im Ferienhaus z.B. wird die Batterie unter der Woche durch die Solarmodule geladen und am Wochenende wieder entladen.
Beim Elektrofahrzeug wird die Batterie �ber Nacht geladen und auf der Fahrt wieder entladen.
Die klassischen Ladeger�te sind f�r den Zyklenbetrieb geeignet. Die Ladeendspannung liegt bei der 12V-Bleibatterie zwischen 14,4 und 14,8V.
Wenn das Ladeger�t l�nger an der Batterie angeschlossen bleibt, muss das Ladeger�t unbedingt die Ladespannung reduzieren wenn die Batterie voll geladen ist. Noch besser ist, wenn das Ladeger�t auf Pulsladung umstellen kann wie dies bei den Ladeger�ten von Victron Energy der Fall ist.
Gemischter Betrieb
Die Grenzen zwischen Standby-Betrieb und Zyklenbetrieb der Batterie sind nicht immer so klar. Bei einem Auto ist die Starterbatterie eher als Standby-Batterie zu betrachten. Bei einem LKW, welcher auch etliche Verbrauchter an der Batterie hat, wenn der Motor nicht l�uft, n�hert sich schon dem Zyklenbetrieb.
Bei einer Inselanlage, bei welcher z.B. eine Wasserturbine den Strombedarf meistens deckt, ist die Batterie schon eher im Standby und die Batteriespannung sollte etwas reduziert werden.
Zyklieren von Batterien
Wenn nun von Anfang her die volle Kapazit�t ben�tigt wird, macht es Sinn, vor dem ersten Einsatz die Batterie zu laden und zu entladen, und dies einige Male. Dies nennt man dann Zyklieren.
Angewendet wird das beispielsweise bei Batterien f�r Elektrorollst�hle oder Senioren-Scooter. Dort m�chte man schon bei der ersten Ausfahrt die volle Reichweite haben.
Das Zyklieren der Batterie kann auch vor einer Serieschaltung von Batterien Sinn machen. Da die Kapazit�ten vor den ersten Zyklen noch recht unterschiedlich sein kann, werden die Batterien in Serie geschaltet unterschiedlich geladen was die Lebensdauer massiv verk�rzen kann.
Das Zyklieren kann auf einfache weise mit einem Kapazit�tsmessger�t erfolgen, welches durch Laden und Entladen die Kapazit�t der Batterie misst.
Ladekennlinien
Jedem Ger�t, ob Ladeger�t, Laderegler, Alternator oder Brennstoffzelle, welches das Laden einer Batterie steuert, ist eine Kennlinie hinterlegt. Diese Kennlinie sagt aus, nach welchen Kriterien der Ladestrom fliessen soll. Eine falsch hinterlegte oder eingestellte Kennlinie kann zum Ausfall der Batterie oder sogar der angeschlossenen Ger�te f�hren.
Wird z.B. eine GEL-Batterie mit der Kennlinie einer OPzS-Batterie geladen, leidet die GEL-Batterie sehr stark an �berspannung und ein fr�hzeitiger Ausfall ist vorprogrammiert.
IU-Kennlinie
Ladeger�te, Laderegler oder Alternatoren mit dieser Kennlinie laden die Batterie zuerst mit dem f�r das Ger�t maximalen Strom [I]. Der Strom ist in der Regel konstant ausser beim Alternator, dort ist er auch abh�ngig von der Drehzahl des Alternator selber.
Wenn die Batterie die Ladeendspannung [U] erreicht hat, wird diese immer oder eine gewisse Zeit gehalten und der Ladestrom reduziert.
Ist nur die Bezeichnung IU-Kennlinie angegeben ist nicht klar, was nach erreichen der Ladeendspannung passiert.
Preiswerte Kleinladeger�te, vor allem f�r Li-Ion-Batterien im Antriebsbereich z.B. schalten nach erreichen der Ladeendspannung die Ladung komplett aus. Zus�tzlich zur Ladeendspannung dient als Abschaltkriterium das Unterschreiten des Ladestromes unter einen vordefinierten Wert. Dieser Abschaltstrom wird auch Cut OFF Current genannt. Bei Li-Ion-Ladeger�ten wird dieser Strom oft auf 5% des Nennstromes eingestellt.
Alternatoren (Lichtmaschinen) oder z.T. Parallelladeregler f�r kleine Wasserkraftwerke halten nach dem Erreichen der Ladeendspannung diese Spannung. Der Vorteil ist, dass ein von Verbrauchern konsumierter Strom sofort wieder nachgeliefert wird.
Der Nachteil ist, dass die Batterie entweder immer auf einer relativ hoher Spannung betrieben wird und so an Wasser verliert, oder eher zu tief geladen wird und sich eine Sulfatschicht bilden kann.
IU0U-Kennlinie
Ger�te mit dieser Kennlinie verhalten sich �hnlich wie die Ger�te mit der IU-Kennlinie, nur schalten diese Ger�te nicht ab sondern auf eine tiefere Ladeendspannung. So wird z.B. eine 12V Bleibatterie zuerst bis auf 14,6V und nach gewisser Zeit oder Unterschreitung des Cut OFF Current auf 13,7V reduziert.
Diese Kennlinie ist oft in preisoptimierten Ladeger�ten zu finden, welche zur Batteriebetriebenen Anwendung mitgeliefert werden. Auch kleiner Ladeger�te f�r Li-Ion-Zellen funktionieren oft so.
Weiter ist bei vielen Solarladereglern diese Kennlinie einprogrammiert. Vorteilhaft ist, wenn die Kennlinie in den Werten der Ladespannungen U0 und U auf die eingesetzte Batterie angepasst werden k�nnen.
Mit dieser Kennlinie lassen sich Ladeeinheiten bauen, welche auch parallel zum Verbraucher eingesetzt werden k�nnen. D.h. das Ladeger�t (oder Laderegler, usw.) speist den Verbraucher und l�dt zugleich die Batterie. Dabei sollte die Umschaltung von U0 auf U �ber einen Timer erfolgen und nicht nur �ber den Cut OFF Current. Auch sollte kein Timeout f�r Hauptladephase und Ladungserhaltung bestehen.
Meistens ist bei diesen Ladekennlinien schlecht beschrieben, welche Kriterien erf�llt sein m�ssen, dass wieder eine Hauptladephase auf die h�here Ladespannung erfolgt.
Die IU0U-Kennlinie ist recht gutm�tig. Wenn die Ladespannungen einigermassen stimmen, wird die Batterie ordentlich geladen.
IUI0U-Kennlinie
Typische Kennlinie f�r das Laden von Traktionsbatterien (Antriebsbatterien).
Auch hier wird zuerst mit einem maximalen Ladestrom geladen, bis die Ladeendspannung erreicht ist.
Danach wird aber nicht einfach auf eine tiefere Erhaltungs-Ladespannung abgesenkt sondern es wird weiter �ber eine gewisse Zeit mit einem vorgegebenen konstantem Nachladestrom geladen. Dabei kann die Ladespannung h�her ansteigen als Ladeendspannung.
!ACHTUNG!:
Wenn die Parameter dieser Kennlinie (Ladeendspannung, insbesondere Nachladestrom) nicht auf die Batterie abgestimmt sind, kann die Batterie schon innerhalb kurzer Zeit schaden nehmen. Besondere Beachtung gilt bei GEL-Batterien oder AGM-Batterien. Eine zu hohe Ladeendspannung f�hrt bei diesen Batterien fr�her oder sp�ter zu Ausfall. Offenen Blei-S�ure-Batterien sind da weniger empfindlich. Ein zu grosser Nachladestrom resp. Ladespannung f�hrt zum Gasen der Batterie und damit zu einem Wasserverlust. Dieser Wasserverlust kann mit Destilliertem Wasser wieder ausgeglichen werden.
Ri-Kennlinie
Die Firma Fronius hat f�r die gr�sseren Traktionsladeger�te ein Ladealgorithmus entwickelt, welcher sich am Innenwiderstand der Antriebsbatterie orientiert.
Je nach Alter, Temperatur und Ladezustand der Batterie wird die Ladekennlinie angepasst.In jeder Ladephase wird der optimale Strom der Batterie zugef�hrt.
Jeder einzelne Ladezyklus ist somit ein Unikat mit individueller Kennlinie.
Durch die Anpassung des Stroms an die Batterie k�nnen Ladeverluste zu Beginn der Ladung sowie in der Nachladephase vermieden werden. Die Batterie bekommt nur den Strom, den sie auch wirklich ben�tigt.
Der neue Ri-Ladeprozess garantiert somit die k�hlste und schonendste Ladung. Eine maximale Batterielebensdauer wird so gew�hrleistet.
Serieladeregler
Moderne Solarladeregler unterbrechen nicht einfach die Stromzufuhr sondern regeln die Stromzufuhr mittels Pulsweitenmodulation, wenn sich die Batteriespannung der Ladeendspannung n�hert. So k�nnen f�r die Batterie optimalere Ladezyklen gefahren werden.
Solarladeregler sind, dank den grossen St�ckzahlen, heute recht g�nstig und in verschiedenen Ausbaustufen verf�gbar:
Der einfache Laderegler hat nur einen Solareingang und einen Batterieausgang und ist nur f�r die entsprechende Batteriespannung anwendbar.
Wenn die Entladestr�me nicht zu gross sind, z.B. f�r ein Beleuchtungssystem ohne Wechselrichter, lohnt es sich, einen Solarladeregler einzusetzen, welcher die Verbraucher abschalten kann, sobald die Batterie leer ist. Dies kann die Lebensdauer der Batterie erheblich verl�ngern. Je nach Intelligenz des Solarladereglers kann die Abschaltung der Verbraucher �ber die Batteriespannung oder �ber die Restladung geschehen.
Wenn bei der Projektierung die Batteriespannung noch nicht bekannt ist, oder das System sp�ter umgebaut werden sollte, kann auch ein Serieladeregler eingesetzt werden, welcher die Batteriespannung selbst�ndig erkennt.
Beim einfachen Solarladeregler ist darauf zu achten, dass die Solarmodulspannung zur Batteriespannung passt. D.h. die optimale Arbeitsspannung vom Solarmodul (Spannung bei max. Leistung) sollte nur leicht h�her liegen als die Ladeendspannung der Batterie. Da das Solarmodul beim Laden direkt mit der Batterie verbunden wird, wird die Modulspannung auf die Batteriespannung 'heruntergerissen'. Die Modulspannung oberhalb der Batteriespannung wird nicht ausgenutzt und der Wirkungsgrad der Anlage verkleinert. Ist die Modulspannung viel h�her als die Batteriespannung, lohnt sich der Einsatz eines MPPT-Ladereglers.
Parallelladereger (Lastregler)
Da die Wicklung des Generators induktiv ist, f�hrt das �ffnen der Zuleitung zu unzul�ssig hohen Spannungsspitzen am Generator und somit auch am Laderegler. Das Schaltelement des Reglers hat so nur eine sehr begrenzte Lebensdauer.
In vielen Anwendungen wie Peltonturbine, Wasserrad, usw., ist es zu vermeiden, dass das System unbelastet betrieben wird, weil sonst die Drehzahl eine unzul�ssige Gr�sse erreicht.
Die einzig sinnvolle Alternative ist, die �bersch�ssige Leistung in einem Lastwiderstand zu verheizen, wenn die Batterie voll ist.
Ob die Batterie mit Solarzellen, mit einem Windgenerator, einer Wasserturbine oder �hnlicher Energiequelle geladen wird, das Prinzip des Lastreglers kann immer verwendet werden. Der Serieladeregler sollte jedoch nur bei Solarzellen eingesetzt werden.
Der Nachteil des Lastreglers ist, dass er noch eine Ersatzlast (Widerstand) ben�tigt. Dieser muss zum Teil auch auf die Bed�rfnisse angepasst werden, was mit zus�tzlichen Kosten verbunden ist. Weiter muss die allf�llige W�rme des Lastwiderstandes abgef�hrt werden.
Der Lastwiederstand wird oft auch gleich als Heizung eingesetzt. So beispielsweise in Bergh�tten, wo dann der Lastwiderstand mithilft, die H�tte zu heizen.
1) Laden mit dem von der Quelle abgegebenen Ladestrom.
2) Ladeendspannung halten.
Eine Ausnahme bietet der Energiemanager von Energiemanager von Phocos. Hier kann die Spannung der Erhaltungsladung batterieschonend eingestellt werden.
Auch einige Tristar von Morningstar bieten Ladekennlinien und k�nnen als Parallelladeregler eingesetzt werden.
Bis anhin ist kein MPPT-Laderegler als Parallelladeregler bekannt.
Laderegler mit MPPT
Mit solchen Ladereglern kann der Wirkungsgrad der Anlage erheblich gesteigert werden und es k�nnen auch Solarmodule eingesetzt werden, welche eigentlich f�r Netzverbundanlagen vorgesehen sind. Solche Module sind dank der gr�sseren St�ckzahlen in der Produktion oft g�nstiger.
Die MPPT-Laderegler sind einiges teurer als die einfachen Serie-Laderegler. Weil jedoch Solarmodule f�r Netzparallelbetrieb nur halb so teuer sind, kommt eine Anlage mit MPPT-Laderegler meistens g�nstiger und hat erst noch den besseren Wirkungsgrad.
MPPT-Laderegler sind auch f�r Windturbinen und Wasserturbinen erh�ltlich.
Batterie-Ladeger�t
Weitere Infos zu Batterieladeger�te finden Sie unter //www.maurelma.ch/batterieladegeraet.htm
Laden mit einem Ladeger�t ab Diesel- oder Benzingenerator
Da Verbrennungsmotoren meistens eine unangenehme Ger�uschkulisse erzeugen, sollten diese so wenig wie m�glich laufen. Das bedeutet, das die Batterie mit einem hohen Strom geladen werden soll.
Deshalb ist es ideal, wenn die Batterie einen sehr kleinen Innenwiderstand aufweist.
Li-ion-Batterien haben da sicher einen Vorteil.
Weiter eignen sich auch die Lifeline AGM-Batterien f�r eine solche Anwendung. Diese Batterien haben, verglichen mit anderen Bleibatterien, einen sehr tiefen Innenwiderstand und k�nnen deshalb auch mit einem vergleichbar hohem Ladestrom geladen werden.
Laden mit Lichtmaschine
Der Alternator wurde f�r das Laden von Starterbatterien entwickelt und hat relativ einfache Ladeeigenschaften. Zuerst wird mit einem von der Drehzahl der Lichtmaschine abh�ngigen Ladestrom geladen, bis die in der Lichtmaschine vorgegebene Ladeendspannung erreicht ist. Danach wird einfach diese Ladeendspannung gehalten.
Wird f�r die Verbraucherbatterie ein Batterietrennrelais oder ein Batteriesplitter eingesetzt, so wird diese zweite Batterie mit den gleichen Ladeeigenschaften geladen.
Gerade f�r Gel oder AGM-Batterien welche f�r den Zyklenbetrieb gebaut wurden, ist dies nicht optimal. Diese Batterien werden dann z.T. nicht voll geladen, was zu Sulfatisierung f�hren kann, oder weil sie dauernd an einer hohen Ladeendspannung h�ngen, ist die interne Oxydation gr�sser und damit die Lebensdauer kleiner.
Um die Ladung der Zweitbatterie zu verbessern kann anstelle von Trennrelais oder Batteriesplitter ein Ladewandler eingesetzt werden (Siehe auch unten bei Ladebooster).
Als alternative kann der Alternator auch mit einem intelligenten Lichtmaschinenregler ausgestattet werden. Dieser Lichmaschinenregler steuert den Alternator dann so, dass die Batterie wie mit einem 4-Stufen Ladeger�t geladen wird.
Der Einbau eines Lichtmaschinenreglers bedingt den Eingriff in die Fahrzeug-Elektrik. Deshalb sollte dies vom einem Fahrzeugelektriker ausgef�hrt werden
Bei modernen Fahrzeugen wird die Lichtmaschine bereits so gesteuert, dass von der Volladung (14,4V) auf Erhaltungsladung (13,6V) umgeschaltet wird.
Dies hat den Nachteil, dass f�r einen Ladewandler nur eine relativ geringe Eingangsspannung zur Verf�gung steht.
Laden von mehreren Batterien
Gerade in Spezialfahrzeugen werden oft zwei Batteriesysteme eingesetzt. Ein System wird zu Starten des Motors verwendet, das andere z.B. als Fahrgastinformationssystem im Linienbus, als Versorgungssystem im Boot oder Camper, usw.
Beide Batterien werden vom gleichen Alternator, den selben Solarzellen oder auch vom selben Windgenerator gespiesen.
Die Starterbatterie sollte nun immer geladen sein, sodass der Motor auch bei entladener Versorgungsbatterie gestartet und die Versorgungsbatterie �ber den Alternator wieder geladen werden kann.
Um nun beide Batterien laden zu k�nnen, ohne diese parallel zu schliessen, gibt es verschiedene L�sungen:
Batteriesplitter
Da aber die klassischen Dioden einen Spannungsabfall von 0.7V haben, was z.B. bei 100A eine Verlustleistung von 70W ausmachen w�rde, werden heute z.T. Mosfets eingesetzt
Der Nachteil dieser L�sung ist, dass beide Batterien gleich geladen werden. Der Starterbatterie kann man so nicht die erste Priorit�t geben.
Batterietrennrelais
Der Vorteil ist, dass bei tiefer Entladung und geringen Ladestr�men (z.B. durch Ladeger�te, Solarmodule oder Windgeneratoren) immer zuerst die Starterbatterie geladen wird.
Der Nachteil ist, dass beim Zuschalten doch erhebliche Stromspitzen auftreten k�nnen, wenn die Batterien noch unterschiedlich geladen sind.
Beim Batterietrennrelais werden Starterbatterie und Verbraucherbatterie mit der gleiche Spannung geladen. Oftmals sind jedoch Starter- und Verbraucherbatterie nicht vom gleichen Typ. Die Straterbatterie ist meistens eine Nasszellen-Batterie. Bei der Verbraucherbatterie werden oft wartungsfreue und verschlossene Gel-Batterien oder auch AGM-Batterien eingesetzt. Starterbatterien und Versorgerbatterien sollten deshalb auch unterschiedlich geladen werden. Damit die Verbraucherbatterie nun optimal geladen werden kann, sollte anstelle des Batterietrennrelais ein Ladewandler (auch Lade-Booster genannt) eingesetzt werden.
Wenn es sich bei der Versorgerbatterie um eine Li-Ion-Batterie handelt, sollte anstelle vom Trennrelais ein Ladewandler eingesetzt werden. Weil die Ruhespannung der Li-Ion-Batterie h�her ist, kann es vorkommen, dass das Trennrelais erst wieder trennt, wenn die Versorgerbatterie einiges an Ladung verloren hat.
Lade-Booster
Nun kann es sein, dass die Versorgungsbatterie weit vom Alternator und der Starterbatterie entfernt ist oder sogar auf einem Anh�nger platziert wurde.
Der Spannungsabfall �ber den Leitungen kann nun dazu f�hren, dass die Versorgungsbatterie gar nie richtig geladen wird und so vorzeitig ausf�llt.
Mittlerweile werden Ger�te Booster-Ladeger�te angeboten, welche einen internen DC/DC-Converter haben. Mit diesem Converter wird die zu tiefe Spannung auf der Zuleitung auf die Batterieladespannung hochgesetzt. F�llt die Spannung an der Zuleitung zu tief, dass bef�rchtet werden m�sste, dass sich die andere Batterie entladen k�nnte, stellt das Booster-Ladeger�t ab. Somit wird auch kein Trennrelais ben�tigt.
Lebensdauer der Batterie
Einsatzart
Wie lange ein Akku brauchbar ist, h�ngt stark vom Einsatz und der Wartung ab. Deshalb sind Garantieversprechen bei Batterien immer eine heikle Sache
Vorab ist es wichtig dass die Batterie nicht zweckentfremdet wird. Das heisst, die Batterie soll f�r das eingesetzt werden, wof�r sie entwickelt wurde. Eine Auto-Starterbatterie eignet sich weniger f�r eine Solaranlage. Oder f�r einen elektrischen Rollstuhl, Golfcaddy oder ein Elektroroller sollen zyklenfeste Akkus und nicht Batterien f�r allgemeine Anwendung eingesetzt werden. Umgekehrt ist eher m�glich. Batterien f�r allgemeine Anwendungen eignen sich eher als St�tzbatterie f�r Notstromversorgungen, wo die Batterie nicht so oft entladen und wieder geladen wird.
Zyklenbetrieb
Wichtig ist beim Zyklenbetrieb, dass die Batterie nicht zu tief entladen wird. Vor allem bei Golf Trolleys, Elektrofahrr�der elektrischen Rollst�hlen usw. ist darauf zu achten, dass das Ger�t bei der unteren Entladespannung abstellt. Gerade bei Golf Trolleys wurde beobachtet, dass viele Batterien nach einem Jahr schon �berm�ssig stark an Kapazit�t verloren haben.
Weiter gilt es zu beachten, dass die Batterien vor dem Einsatz auch korrekt geladen werden. Es lohnt sich nicht, beim Ladeger�t zu sparen. F�r solche Anwendungen empfehlen wir ein Ladeger�t von Victron Energy NOCO oder Powerfirst.
Je nach dem, ob nur am Wochenende ein/zwei Ladezyklen ausgef�hrt werden oder ob die Batterie t�glich ein Ladezyklus macht, sollte auch die entsprechende Batterie eingesetzt werden.
Beim t�glichen Einsatz empfehlen wie OPzS-Batterien, OPzV-Batterien oder die neu entwickelten Blei-Carbon-Batterien.
Im Kleinstkraftwerk (Solaranlage/Windturbine/Wasserturbine)
Meistens wird die Batterie in einem Picokraftwerk station�r eingesetzt. Wenn es sich nun um eine Batterie handelt, deren S�ure nicht in einer Glasmatte (AGM) oder Gel gebunden ist, kann sich mit der Zeit die S�ure vom Wasser scheiden. Dies, weil das spezifische Gewicht (Dichte) der S�ure gr�sser ist als die des Wassers. Deshalb sollten solche Batterien von Zeit zu Zeit kontrolliert �berladen werden. Die Wasserstoff-Sauerstoff- Blasen, welche beim �berladen entstehen durchmischen das Elektrolyt wieder. Bei mobilen Anwendungen ist dies weniger problematisch.
ACHTUNG: Komplet verschlossene Batterien (GEL, AGM, VRLA) d�rfen auf keinen Fall so stark �berladen werden. Das entstehende Sauerstoff-Wasserstoffgemisch k�nnte nicht mehr in gen�gender Weise abgebaut werden. Es entsteht daraus ein starker �berdruck in der Zelle, welcher sich �ber die Ventile entl�dt. Dies f�hrt zum Ausfall der Batterie.
Das �berladen der Batterie darf nur in gut bel�fteten R�umen ausgef�hrt werden, da das Sauerstoff-Wasserstoffgemisch (Knallgas) hoch explosiv ist.
�berladen sollte die Ausnahme und nicht die Regel sein. Ein �berladen der Batterie wird im Betriebsfall durch einen Laderegler verhindert. Es gibt auch intelligente Laderegler, wie der PL20 Energiemanager, welche eine parametrierbare �berladung steuern k�nnen.
Bei Batterien, welche von Zeit zu Zeit �berladen werden, sollte der S�urestand �fters kontrolliert werden.
Eine grosse Gefahr beim Einsatz in Wind-, Wasser- oder Solarkraftwerken besteht auch, dass die Batterie nie richtig voll geladen wird. Man bezieht schon wieder Energie, obwohl die Ladeendspannung nicht erreicht wurde. Der Ladezustand ist immer in der Schwebe und man spricht von einem Verhungern der Batterie. Es bildet sich eine Sulfatschicht auf den Platten was sich negativ auf die Kapazit�t und den Innenwiderstand auswirkt. Versuche haben gezeigt, dass diese Sulfatschicht durch pulsartige Entladung verringert und so die Lebensdauer erh�ht werden kann. Mittlerweile sind deshalb Ger�te wie der Megapuls auf dem Markt erh�ltlich, welche diese pulsartige Entladung autonom ausf�hren.
Auch im Kleinstkraftwerk sollte ein Tiefentladen der Batterie unbedingt verhindert werden. Werden ausser einem intelligenter Wechselrichter keine weiteren Verbraucher angeschlossen, wird das Abschalten bei Unterspannung vom Wechselrichter selber �bernommen. Ansonsten muss darauf geachtet werden, dass die Entladespannung nicht unterschritten wird.
Allgemeines
Egal, ob mit einem Picokraftwerk oder mit einem Ladeger�t geladen wird, wichtig ist, das die Bleibatterie auch wirklich voll geladen wird.
Wird eine Batterie nie richtig voll geladen, verk�rzt sich die Lebensdauer enorm.
Im Gegensatz zu den Ni-Cd Akkus sollte eine komplette Entladung bei der Bleibatterie vermieden werden. Eine sog. Tiefentladung wirkt sich negativ auf die Lebensdauer aus.
Auch soll eine Batterie nicht �berladen werden, d.h. h�her geladen werden als die Ladeendspannug. Wird ein Bleiakku �berladen, entsteht W�rme und das Wasser in der Batterie wird zersetzt in Wasserstoff und Sauerstoff. In Wartungsfreien (verschlossenen) Zellen kann ein �berdruck entstehen und die Gase str�men �ber Sicherheitsventile aus der Batterie.
Serie geschaltete Batterien
Batterien werden in Serie geschaltet, um die nutzbare Spannung zu erh�hen. D.h. der Pluspol der einen Batterie wird mit dem Minuspol der anderen Batterie verbunden.
Wurden die Batterien schon in der Serieschaltung entladen, k�nnen diese auch wieder in Serie geladen werden. �bliche Nennspannungen sind 24V, 36V und 48V. H�her geht man eher selten. 36V-System findet man bei der Eisenbahn und zum Teil bei Elektro-Scooter. 36V-Ladeger�te sind eher selten zu finden auf dem Markt.
Bei einem 48V-System ist darauf zu achten, dass die Ladespannung schon mal �ber die 50V-Grenze steigt, was bei Ber�hrung schon zu Stromschl�gen f�hren kann. Die Pole sollten deshalb nicht mehr offen zug�nglich sein.
Es d�rfen nur Batterien mit gleicher Kapazit�t in mit gleichem Alter in Serie geschaltet werden. Es sollten auch nie Batterien in Serie geschaltet werden, welche nicht gleich stark geladen sind. Die Batterien sind vor der Serieschaltung immer einzeln (oder parallel) zu laden.
Bei neue AGM (Vlies) Batterien oder GEL-Batterien empfiehlt es sich, die Batterien vor der Serieschaltung zu zyklieren. Die Batterien werden einzeln mehrere Male geladen, entladen und wieder geladen. Die Zyklenzahl der Zyklierung sollte bei allen Batterien gleich sein.
Bei der Serieschaltung verdoppelt sich nur die Spannung. Die Kapazit�t bleibt die gleiche. Wenn Sie z.B. zwei 12V Batterien mit je 20Ah in Serie schalten, so haben Sie ein Batteriesystem mit 24V, jedoch immer noch mit 20Ah.
Da f�r 12Volt g�nstigere Ladeger�te in einer gr�sseren Vielfalt erh�ltlich sind, kommt man in die Versuchung, die Batterien f�r die Ladung parallel zu schalten. Die Erfahrung hat gezeigt, dass dies moderne Ladeger�te aus dem Konzept bringen und sich mit der Zeit unterschiedlichen Ladezust�nde einstellen k�nnen. Es ist deshalb zu empfehlen, bei Entladung in Serie geschaltete Batterien auch in Serie oder einzeln zu laden.
Auch wenn man darauf achtet, dass die Seriebatterien vom gleichen Typ und gleichem Alter sind, k�nnen sich Unsymmetrien ergeben und die eine Batterie wird schon �berladen, wenn die andere noch gar nicht voll ist.
Da macht es Sinn, einen Ladungsausgleicher oder auch Equalizer genannt, einzusetzen.
Der Equalizer misst die Gesamtspannung des 24V-Systemse und rechnet den Mittelwert aus. Wenn die Spannung der einzelnen Batterie vom Mittelwert abweicht, fliesst ein Ausgleichsstrom, bis die Batteriespannungen ausgeglichen sind. Dies wird nur ausgef�hrt, wenn die Gesamtspannung �ber 26V liegt, d.h. die Batterie geladen wird.
Dies erh�ht die Lebensdauer der Batterien und dank bessere Ladung auch die Gesamtkapazit�t.
Parallel geschaltete Batterien
Um die Speicherkapazit�t zu erh�hen, werden Batterien auch parallel geschaltet. D.h. der Pluspol der einen Batterie wird mit dem Pluspol der anderen Batterie verbunden. Dasselbe mit dem Minuspol. Dabei ist es sehr wichtig, dass es Batterien vom gleichen Typ sind so dass die Spannungen identisch sind. Auch sollten die Batterien beim Zusammenschalten einigermassen gleich geladen sein, da erhebliche Ausgleichsstr�me entstehen k�nnen. Beim Parallelschalten wird die Kapazit�t verdoppelt.
Es sollte auch drauf geachtet werden, dass f�r alle Batterien die gleichen Kabell�ngen und �bergangswiderst�de gelten. Die Batterien sollten deshalb '�bers Kreuz' angeschlossen werden. Der Anschluss vom Pluspol der einen Batterie und der Anschluss vom Minuspol auf die andere Batterie legen. Die Verbindungskable sollten auch gleich lang gew�hlt werden.
Wenn immer m�glich empfiehlt es sich jedoch, auf eine Parallelschaltung zu verzichten und statt dessen einzelne 2V-Zellen gr�sserer Kapazit�t in Serie zu schalten.
Gasbildung
Bleibatterien sollten immer in gut bel�fteten R�umen platziert werden.
Batterien welche nicht verschlossen sind (wartungsfrei) d�rfen nicht in verschlossenen R�umen geladen werden. Wenn die Batteriespannung beim Laden sich im Bereich der Ladeendspannung befindet beginnt der Ladestrom das Wasser der Batterie in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuteilen. Die Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff nennt man Knallgas. Dieses Gas f�hrt bei entsprechender Konzentration und Z�ndquelle zu einer Explosion.
Verschlossene, wartungsfreie Batterien sind so konstruiert, dass das Knallgas innerhalb der Batterie wieder zu Wasser wird. Bei zu grossen Ladestr�men reicht jedoch der Katalysator nicht mehr aus. Das erzeugte Knallgas f�hrt zu einem �berdruck in der Batterie und zum �ffnen der �berdruckventile.
Bei den klassischen Bleibatterien, welch station�r montiert sind, ist die Bildung von Knallgas resp. das �berladen der Batterie von Zeit zu Zeit gewollt. Durch l�ngeres Stehen kann sich in den Nasszellen die S�ure vom Wasser trennen, da die S�ure eine h�here Dichte aufweist. Durch das �berladen bilden sich Gasblasen, welche das Elektrolyt wieder durchmischen.
Werden f�r die Solaranlagen oder die Windanlage Nasszellen eingebaut, sollte der Laderegler f�hig sein, z.B. einmal pro Monat die Batterie zu �berladen, oder wie man so sch�n sagt, zum Kochen zu bringen. F�r solche F�lle empfiehlt Maurer Elektromaschinen z.B. ein Regler aus der Familie der Energiemanager PLX.
Lithium-Ionen Batterien (Li-Ion)
Lithium-Ionen-Batterien gibt es in unz�hligen Varianten. Die Zellen haben auch je nach Chemie eine unterschiedliche Ladeendspannung. Deshalb k�nnen die Ladeger�te auch nicht einfach untereinander getauscht werden. F�r jede Batterie muss das richtige Ladeger�t eingesetzt werden.
Die Batterien sind auch nicht so gutm�tig wie die Bleibatterien. So k�nnen bei einigen Typen Br�nde oder Detonationen entstehen wenn sie �berladen oder zu rasch entladen werden. In Serie geschaltete Zellen der Li-Ion Batterien haben auch nicht die F�higkeit die Ladespannung anzugleichen, indem sie die Energie bei voller Zelle in W�rme umsetzen, wie dies bei der Bleibatterie der Fall ist.
Wenn eine Bleibatterien �berladen wird, str�mt Wasserstoff und Sauerstoff aus, was im schlimmsten Fall zu Explosionen f�hren kann. Wird eine Li-Ion-Batterie �berladen, str�mt �tzendes und giftiges Gas und krebserregender Staub aus. Die Gase k�nnen Flusss�ure enthalten, welche zu irreparablen Lungensch�den f�hren k�nnen.
Um dies zu verhindern sollte unbedingt ein Batteriemanagementsystem (auch BMS genannt) eingesetzt werden.
Ein BMS �berwacht die Spannung und den Strom jeder einzelnen Zelle. Wenn ein Wert ausserhalb vom zul�ssigen Bereich liegt, wird mindestens eine Warnung herausgegeben. Bessere sind f�hig, das Batterieladeger�t auf die Batterie abgestimmt zu steuern.
Die einzelnen Zellen k�nnen von der Fertigung her leicht unterschiedliche Kapazit�ten aufweisen. Es ist vorteilhaft, wenn das BMS f�hig ist, die Ladung der Zellen auszugleichen (balancing), dass bei der Ladung keine Zelle eine �berspannung erh�lt, obwohl die Ladeendspannung der Batterie noch nicht erreicht wurde.
Je nach Batteriemanagement werden einzelne Werte w�hrend er Ladung und Entladung gespeichert und k�nnen sp�ter ausgelesen werden.
Der optimale Temperaturbereich f�r Li-Ion-Batterien liegt zwischen 20�C und 40�C
Li-Ion Batterien sollten bei tiefen Temperaturen (unter 0�C) nicht oder nur mit geringem Ladestrom geladen werden. Spezielle Alterungsmechanismen k�nnen zu irreparablen Sch�den f�hren.
Der Wichtigste dieser Art ist das sogenannte Lithium-Plating. Beim Ladevorgang bei tiefen Temperaturen kommt es zur Ablagerung von reinem Lithium an der Anode. Das f�hrt zu einer Reduktion der Zellkapazit�t und im schlimmsten Fall zum Kurzschluss, wenn sich das Lithium als Dendrite ablagert.
Batteriemanagementsystem
Mittlerweile werden unter dem Namen Batteriemanagementsystem (BMS) eine Vielzahl von unterschiedlichen Schaltungen angeboten.
Doch BMS ist nicht gleich BMS:
�ber- und Unterspannungsschutz
Die einfachste Form w�re, die Batterie gegen �berladen und Tiefentladung zu sch�tzen, �hnlich einem Batteriew�chter im Bleibereich.
Da aber die Einzelnen Zellen immer noch unterschiedliche Ladezust�nde aufweisen k�nnen (weil die Zellen herstellungsbedingt leicht andere Kapazit�ten haben oder unterschiedlich altern) bietet diese Art von BMS keinen grossen Schutz.
Batteriemonitor
Einige Hersteller bieten unter dem Namen BMS ein System an, welches nur �ber den Zustand der Batterie informiert. Es zeigt z.B. die Restladung der Batterie an und informiert �ber allf�llige St�rungen wie �berladung oder Tiefentladung einzelner Zellen. Die Ger�te sind nicht mit Leistungselektronik best�ckt und k�nnen das Laden oder Entladen der Batterie nicht unterbrechen. Diese Batteriemonitore bieten h�chstens einen digitalen Ausgang, mit welchem allenfalls ein Hochleistungsrelais oder Leistungselektronik beeinflusst werden k�nnte.
Batteriemonitoren bieten zwar kein Schutz, sind aber zus�tzlich zu einem BMS eine grosse Hilfe, wenn es darum geht, den Ladezustand der Batterie anzuzeigen.
Protecting Board
Viele Chinesische Batteriehersteller bieten diese Schutzschaltung bereits als Batteriemanagementsystem an. Das System �berwacht die einzelnen Zellen und unterbricht den Ladevorgang oder schaltet den Verbraucher ab, wenn eine Zelle ausserhalb der zul�ssigen Spannung ist.
Solche Systeme sch�tzen die Batterie wirkungsvoll.
Im Gegensatz zur Bleibatterie merkt man bei diesem System aber nicht, wann nur noch eine geringe Restladung vorhanden ist. Sobald eine Zelle leer ist, schalte das Board abrupt aus und man hat keine Reserve mehr.
Diese Protcting Board sind in der Regel nicht f�hig, unterschiedliche Ladezust�nde der Zellen durch sog. 'Balancing' auszugleichen. Wenn nun die Ladezust�nde der Zellen durch Alterung und Ladvorg�ngen auseinander driften, nimmt die Kapazit�t der gesamten Batterie ab, obwohl die einzelnen Zellen immer noch die volle Kapazit�t h�tten. Dies kommt daher dass die Zelle, welche bei der Entladeabschaltung noch nicht entladen war, beim Laden vorzeitig die Ladeendspannung erreicht.
Zellen-Print
Gute Zellenprints sind f�hig, die Ladezust�nde auszugleichen (balancing) und bieten auch die M�glichkeit, �ber einen Kontakt die Ladung und Entladung zu unterbrechen.
Es ist darauf zu achten, dass das Ladeger�t auf die Zellenprints abgestimmt ist. Wenn der Ausgleichsstrom vom Balancing gr�sser ist, als der Abschaltstrom (Cut Off Current) vom Ladeger�t, schaltet das Ladeger�t nie in den Modus 'Batterie geladen'.
High-End BMS
Beim Laden werden die einzelnen Ladezust�nde durch Balancing angeglichen, um eine maximale Ladung zu erhalten.
Das BMS sollte die M�glichkeit bieten, den Anwender �ber den Ladungszustand der Batterie zu informieren, damit der Anwender bei tiefem Ladezustand entsprechend reagieren kann.
Weiter kann ein gutes BMS auch die Temperatur der Batterie �berwachen.
Um das BMS auf die Anwendung und Batterie anzupassen, sollte es parametrierbar sein.
Vorallem bei Anwendugnen in Elektrofahrzeugen sollte das BMS �ber einen CAN-Bus mit dem Ladeger�t und dem Motorkontroller Daten wie z.B. den Ladezustand austauschen k�nnen.
Aktives BMS <-> Passives BMS
Herk�mmliche Batteriemanagementsysteme leiten beim Balancing einen Teil des Ladestromes an der Zelle vorbei, welche bereits gut geladen ist. Die Energie wird so verheizt. Diese Batteriemanagementsysteme werden Passive BMS genannt.
Das Ziel des aktiven BMS liegt darin, die �bersch�ssige Energie einer vollen Zelle einer noch zu ladenden Zelle zu �bergeben. Dies geschieht entweder durch das zwischenladen von Kondensatoren oder Spulen. Ein neuer Ansatz ist der Einsatz von kleinen DC/DC-Convertern.
Der Schaltungsaufwand f�r ein aktives BMS ist einiges h�her. Wegen den geringen Spannungsunterschiede sind auch die Umladeverluste recht hoch.
Bei Li-Ion-Zellen kann die gesamte Ladung, welche mal eingeladen wurde, auch wieder entnommen werden.
Wenn nach dem ersten Laden die Zellen einmal ausgeglichen sind, ist deshalb die Ladung, welche f�r den Ladungsausgleich beim passiven BMS verloren geht, sehr gering. Es muss nur noch der Unterschied bei der Selbstentladung der Zellen ausgeglichen werden.
Es stellt sich deshalb die Frage, ob sich eine aufwendigere und teurere Schaltung loht, handelt man sich doch bei einer gr��eren Anzahl Bauteile auch eine geringere Verf�gbarkeit und Zuverl�ssigkeit ein.
Weitere Infos zum Batteriemanagementsystem finden Sie unter //www.maurelma.ch/BMS_Info.htm
Li-Ion-Batterien laden mit Solarmodulen
M�glich w�re z.B. der Energiemanager von Phocos oder die preiswerten MPPT-Laderegler maurelma der BN-Serie.
Trotz des Ladereglers empfehlen wir sehr stark, zus�tzlich ein Batteriemanagementsystem einzusetzen, welches die einzelnen Zellen �berwacht und ausbalanciert.
Tiefentladen Li-Ion Batterien
Li-Ion-Zellen haben eine �usserst kleine Selbstentladung. Da aber f�r den sicheren Betrieb von Li-Ion-Batterien ein Batteriemanagementsystem ben�tigt wird, welches auch bei ausgeschaltetem Verbrauchter immer einen kleinen Strom zieht, besteht bei Lagerung der Batterie die Gefahr der Tiefentladung. Dies ist die am h�ufigsten beobachtete Ursache f�r den Defekt der Li-Ion-Batterie.
Dies ist �brigens auch bei der Bleibatterie so.
In vielen F�llen kann die Li-Ion-Batterie dann nicht mehr geladen werden, weil das Batteriemanagementsystem auf Grund der tiefen Spannung gar nicht mehr funktioniert.
In etlichen F�llen kann die Batterie trotzdem noch gerettet werden wenn man mit einer regelbaren Stromquelle unter Umgehung des BMS die Batterie mit einem kleinen Strom speist.
Sobald die Spannung ausreicht und das BMS wieder aktiv ist, sollte der Ladestrom auch wieder �ber die Schutzschaltung vom BMS fliessen.
Der Ladestrom kann erst wieder erh�ht werden, wenn alle Zellen wieder ihre Nennspannung erreicht haben.
Auch wenn wir bei dieser Aktion noch nie einen kritischen Zustand hatten, empfehlen wir, dies nur im Freien zu machen. Laut Theorie besteht die Gefahr dass sich sog. Dentrieden bilden, welche die Sperrschicht durchbrechen und einen inneren Kurzschluss ausl�sen k�nnten.
Deshalb ist es auch wichtig, dass nach einer Tiefentladung die Batterie nur mit einem kleinen Strom geladen werden.
Intelligente Batteriemanagementsysteme tragen dem Rechnung. Zum Teil kann dieser Strom (bis zum Erreichen einer parametrierbaren Zellspannung) im BMS vorgegeben werden.
Anwendungen solcher Batteriemanagementsystemen finden Sie unter //www.maurelma.ch/BMS_applikat.htm
Weitere Infos �ber Batterien finden Sie unter: //www.maurelma.ch/batterien.htm
Mehr Infos auch bei den einzelnen Produkten im Shop
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