6 Laden [Kompatibilitätsmodus] - IEE: Über uns · Laden Anforderungen an das Laden •...

Laden, Ladezustand

Vorlesung am 19. 12. 2011Vorlesung am 19. 12. 2011

Der Ladeprozess ist relativ einfach. Probleme bestehen bei:• Laden von Zellen in Reihe mit und ohne Nebenreaktionen• Bleibatterien wegen des Elektrolyten als aktives Element der Zellreaktion

und damit Konzentrationsunterschiede wegen Stromdichteunterschiede. Sä hi ht i t i b i Bl ib tt i k d P blSäureschichtung ist ein nur bei Bleibatterien vorkommendes Problem.

Der Aspekt Ausgleichsladung am Ende bezieht sich ausschließlich aufBlei- und NiCd-Batterien.Ladeerhaltungsbetrieb ist ebenfalls ein spezifisches Problem von Batterien mit

WS 2011/2012 Dr. Heinz Wenzl – Beratung für Batterien und Energietechnik; Am Bergwäldchen 27, 37520 Osterode; [email protected]

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Ladeerhaltungsbetrieb ist ebenfalls ein spezifisches Problem von Batterien mit wässrigem Elektrolyt.

LadenAnforderungen an das Laden

• Vollständige Umwandlung der aktiven Massen Wenn eine Volladung gewünscht ist

• Vollständige Umwandlung der aktiven Massen. Wenn eine Volladung gewünscht ist, dann darf am Ende der Ladung 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 habenOberfläche 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 seinmüssen so gering wie möglich sein.

Bezeichnung der Ladekennlinien nach DIN

W abfallender Strom bei steigender Spannung I / CC konstanter Strom

U / CV konstante Spannung

0 (Null) Wechsel der Grenzwerte von Strom oder Spannung ohne andere Änderungen


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ohne andere Änderungen a automatische Abschaltung

Laden

Einige Ladekennlinien, die bei einem modernen Ladegerät eingestellt werden können

Wa Einfachste Kennlinie (gleichgerichteter Trafo – Ladestrom verringert sich mit zunehmender Gegenspannung) mit automatischer Abschaltung

W0Wa Zwei getrennte W-Kennlinien, mit denen die Trafocharakteristik besser ausgenutzt werden können – schnellere Ladung im ersten Teil der Kennlinie und geringeres Risiko für Überladung im zweiten Teil

IUIa Weit verbreitete Kennlinie für Gabelstapler. Stellt sicher, dass die Batterie innerhalb einer bestimmten Zeit (8h) wieder vollgeladen ist.

IU (oder PU Begrenzung der Ladung auf kontinuierliche Ladeerhaltung. Wenn U zuIU (oder PU – konstante Leistung)

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 ständig und Lebensdauer verkürzend überladen.

IU0U Übliche Ladekennlinie für Bereitschaftsparallelbetrieb zu relativ pschneller aber trotzdem schonender Ladung

I0IUIa Beispiel für eine der zahlreichen Ladekennlinien aus dem Bereich Traktionsbatterien für Gabelstapler.


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Traktionsbatterien für Gabelstapler.

Schematische Darstellung einiger Ladeverfahren

a) Konstantstrom - Konstantspannung, IU-Ladung b) Konstantstrom - Konstantspannung

b) Konstantstrom Konstantspannung mit 2 Ladeendspannungsniveaus, IU0U-Ladung

c) Konstantstrom - Konstantspannung - Konstantstrom it b t L d d b t L d it IUI L d

a)Strom

c)Strom

b)Strom

mit begrenzter Lademenge oder begrenzter Ladezeit, IUIa-Ladung

annu

ng Spannung

Strom

annu

ng Spannung

Strom

annu

ngSpannung

Strom

Stro

m, S

pa

Stro

m, S

pa

Stro

m, S

pa

Zeit ZeitZeit


4IUI-Ladung ist nur möglich, wenn Nebenreaktionen vorliegen und nur bei Bleibatterien üblich!

LadenStrom und Spannungsverlauf bei einer IUIa-Ladung

I: Anfangsladestrom für Hauptladung

Batterie: 80V / 600 Ah g p g20 A/100AhÜblicher Bereich: Gabelstapler: 16 - 40 A pro 100Ah,

Batterie: 80V / 600 Ah

PkW und USV-Bereich: bis zu 120 A pro 100Ah

U: Umschaltung bei 2 4 V pro ZelleU: Umschaltung bei 2,4 V pro Zelle (Messung an den Polen! meistens ohne Temperaturmessung). SOC beträgt bei Umschaltung ca. 92 %.g

I: Umschaltung bei 4 A/100Ah zur Volladung:Zi l El kt l td h i h dZiel: Elektrolytdurchmischung und kompletter Umwandlung von Bleisulfat

Nach Ladeende erfolgt eine


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gAuffrischungsladung, damit Batterie immer "voll" bleibt.

Laden Strom und Spannungsverlauf bei einer IUIa-Ladung

Gealterte Zelle mit AntimonvergiftungBei gleicher Spannung ist der Anteil des St d El kt l füh tStroms, der nur zur Elektrolyse führt, größer.

Batterie wird beim Laden wärmer Laden dauert längerLaden dauert länger Höherer EnergiebedarfGrößerer WasserbedarfL d d i d U i ht h k ktLadeende wird u.U. nicht mehr korrekt

erkannt. einige Zellen im Batterieverbund werden

ggf nicht vollgeladen und sulfatierenggf. nicht vollgeladen und sulfatieren.

Batterien mit höherer Gasungsrate haben nicht unbedingt eine geringere K ität b i i d h i i ll l d d di d d h


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Kapazität, aber sie sind schwieriger vollzuladen und die dadurch entstehende Mangelladung führt zu einem Kapazitätsverlust!

Laden

Ladezustandsunterschied zwischen der positiven und negativen Elektrode

IB tt = IB tt *IBatt,pos IBatt,neg IHR,pos + INR,pos = IHR,neg + INR,neg *

*: Vernachlässigung von Korrosionsströmen, etc.

Aber: Während der Ladung: IHR,pos = IHR,neg (NUR solange Nebenreaktionen vernachlässigt werden können)

N b i ll ä di l d El k d I INur bei vollständig geladenen Elektroden: INR,pos = INR,neg

Negative Elektrode (Pb) wird schneller ll l d l iti El kt d

Gründe: 1. Oberflächen der positiven und

vollgeladen als positive Elektrode:

pnegativen Masse sind unterschiedlich

2. Austauschstromdichte der Nebenreaktionen sind für die positive und negative Elektrode stark


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und negative Elektrode stark unterschiedlich, für die Hauptreaktion aber ähnlich!

Laden

Di L d i Z ll ( i El kt d ) i t k li i tDie Ladung einer Zelle (zwei Elektroden) ist kompliziert genug

Bei der Ladung einer mehrzelligen Batterie wird die Ladekennlinie durch die Summenspannung aller Zellen und Leitungen gesteuert die amdie 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

abweichenabweichen.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


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g g yp, ggelegentlich eine Ausgleichsladung erforderlich.

Laden"Krieg der Spannungen"

● Gleiche Spannung aller Zellen

• in HauptladephaseSteiler Spannungsanstieg einer Zelle bis auf über 3 V/Z ll3 V/Zelle Stromreduzierung durch LadegerätSpannungsverminderungSpannungsverminderungder anderen Zellen Einige Zellen werdenüberladen andere nichtüberladen, andere nicht vollgeladenVolladung aller Zellen erst nach sehr langer Zeitnach sehr langer Zeit

Lebensdauerverlängerung durch "ChargeEqualizer" bzw. andere Produkte,


9die durch Einzelspannungsmessung der Zellen den Ladestrom regeln.

LadenAustrocknen von VRLA Zellen - Wasserverlust

Zelle 1 wird überladen,

• Gasbildung übersteigt Rekombinationsvermögen

• Ventil öffnet• Wasserverlust - Gel bzw VliesWasserverlust Gel bzw. Vlies

trocknet aus• Temperaturanstieg wegen

höherer Gasung und Rekombination und höheremRekombination und höherem ohmschen Widerstand des austrocknenden Elektrolyten

Zelle 2 • Zelle verliert kein Wasser,

Rekombinationsquote >99 %• Eventuell Unterladung, weil

Strom des Ladegeräts beiStrom des Ladegeräts bei Ladung mit Ukonstant zu früh für Zelle 2 abgeregelt wird


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Laden

Zellen mit Nebenreaktionen haben in einer Reihenschaltung Vorteile –Zellen mit Nebenreaktionen haben in einer Reihenschaltung Vorteile wenn die Nebenreaktion so "schonend" ist, dass ein etwas längerer Betrieb mit überwiegend bzw. ausschließlich Nebenreaktionen keine besondere Schädigung auslöst.besondere Schädigung auslöst.

Durch eine lange Phase mit geringem Ladestrom können alle Elektroden vollgeladen werden.g

Bei Zellen ohne Nebenreaktionen, z.B. Doppelschichtkondensatoren:Elektroden- oder Zellunterschiede können nicht beseitigt werden, es sei denn es erfolgt eine Einzelzellenüberwachung und individuelle Ladung der Zellen.Beispiel Doppelschichtkondensatoren mit unterschiedlicher Selbstentladung. Im Verbund kann eine Nutzung aller Zellen nur nach individueller Entladung und dann Aufladung geschehen.


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EntladenSäureschichtung Säureschichtung wird verursacht, weil

sich das spezifische Gewicht des Elektrolyten bei der Entladung und L d ä d t Si

LastLadung verändert. Sie

wird beeinflusst durch die vertikale Beweglichkeit des Elektrolyten (Wirkung der Schwerkraft auf

Gitter und Pole

(Wirkung der Schwerkraft auf Bereiche unterschiedlicher Dichte), durch das Elektrolytvolumen über den Elektroden und den Spannungsabfall

Oben

im Gitterbewirkt steigende Inhomogenität der

Stromdichtefüh t Üb l d d

Mitte

führt zu Überladung und Unterladung unterschiedlicher Bereiche der Elektrode

führt zu verstärkter KorrosionUnten führt zu verstärkter Korrosion entsteht auch bei "wartungsfreien"

Batterien (Vlies mehr als Gel), weil auch bei Ihnen eine vertikale Säure-


12bewegung vorhanden ist und führt langfristig zu Lebensdauerproblemen.

Säureschichtung

Der Spannungsabfall auf allen Strompfaden (oben

S tr o m v e r te ilu n g

2 0

allen Strompfaden (oben, unten) muss gleich sein!

Bestimmender Faktor für

12

14

16

18 Bestimmender Faktor für die Stormhomogenität (zu Beginn der Entladung) ist der Widerstand der

6

8

10

der Widerstand der Elektroden.

I b * R b = V

0

2

4

- 10 - 5 0 5 10 15

A

Ioben Roben V

Iunten * Runten = V

Weil der Gesamtwider-0 IØ A Weil der Gesamtwiderstand oben geringer ist als unten (Länge des Stormkollektors), ist der

geringe hoheStromdichte


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),Strom oben größer als unten!

Säureschichtung

Die Stromverteilung ändert sich während der Entladung! Faktoren:

Höhe des Elektrolytstands über den Platten ist treibende Kraft!

Elektrolytwiderstand ist abhängig von der Säuredichte und bestimmt den Unterschied zwischen Roben und Runten

S tr o m v e r te ilu n g

2 0

Lokale Ruhespannung nimmt ab, weil die Säuredichte abnimmt

Widerstand der aktiven Masse 12

14

16

18

steigt am Ende der Entladung stark an. Wegen der höheren Entlademenge oben als unten nimmt der Ladezustant oben schneller ab und der Widerstand

6

8

10

oben schneller ab und der Widerstand schneller zu.

Komplexer, nicht linearer Zusammenhang! Jeder Ladeprozess

0

2

4

- 10 - 5 0 5 10 15

A0 IØ Zusammenhang! Jeder Ladeprozess

ohne Volladung verstärkt die Säureschichtung!

Ageringe hoheStromdichte


14Ladezustand und Säuredichte

entkoppeln sich!!

Entwicklung der Säureschichtung beim Entladen

1,26

1,28

time

1,22

1,24

m³]

1

2

3

1 16

1,18

1,2

ific

grav

ity [g

/cm

6

5

4

t

"Ruhespannung" = 0,85+1,18 V = 2,03 V

1,12

1,14

1,16

spec

i

9

8

7

ntla

deze

it

Gemessene Säuredichte: 1,09 kg/lErwartete "Ruhespannung" = 0 85+1 09 V 1 94 V

1,08

1,1

0 00% 20 00% 40 00% 60 00% 80 00% 100 00% 120 00%

1011

12E

n 0,85+1,09 V = 1,94 V

0,00% 20,00% 40,00% 60,00% 80,00% 100,00% 120,00%

measurement height [%]

0 %: Unterkante Elektrode 100 %: Oberkante Elektrode 120 %: Im freien Elektrolytraum


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Im freien Elektrolytraum

Für diesen Versuch wurde die Batterie massiv tiefentladen! Eine Säuredichte von 1,1 kg/l schädigt die Zelle!

Entwicklung der Säureschichtung beim Laden

1 3

1,35

Time

1,25

1,3

m³]

8

9

101112

1,2

peci

fic g

ravi

ty [g

/cm

4

5

6

7

Lade

zeit

1,1

1,15

sp

1

2

3

L1,05

0,00% 20,00% 40,00% 60,00% 80,00% 100,00% 120,00%

measurement height [%]measurement height [%]

Der größte Dichteunterschied ist in etwa erreicht, wenn die Ladespannung ca. 2,4 V erreicht, eher später als früher!


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Laden

W i t di Bl ib tt iWas passiert, wenn die Bleibatterie1. während des Ladeprozesses gelegentlich auch entladen wird?

- Zunahme der Unterschiede von Säuredichte und lokalem Ladezustand2 während des Ladeprozesses ohne Ah Durchsatz (als Integration über2. während des Ladeprozesses ohne Ah-Durchsatz (als Integration über

mehrere Perioden) an den Polen mit Wechselstrom belastet wird?- Elektroden in einigen Teilbereichen werden geladen, an anderen entladen

3 die Batterie eine starke Säureschichtung aufweist?3. die Batterie eine starke Säureschichtung aufweist?- Ladeprozesse dauert länger, weil der Bereich mit hoher Säuredichte eine hohe Spannung vortäuscht und frühzeitig uir Reduzierung des Ladestroms führt Batteriestrom verringert sich bei Erreichen der Ladeschlussspannungführt. Batteriestrom verringert sich bei Erreichen der Ladeschlussspannung nicht so schnell.

Bei Batterien, bei denen • der Elektrolyt nicht verbraucht wird bzw. • das geladene und entladen aktive Material keine besondere Mobilität aufweisen,sind diese Probleme unbekannt.


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Laden

Versuchsanordnung zur Messung von Strominhomogenitäten

LastLadegerät Strommessung

Oben

Die Leitungen zu den einzelnen Elektroden entsprechen dem Längswiderstand.

Mitte

g

Freie Bewegung des ElektrolytenMitte

Unten Elektrodenstapel3 positive und 5 negative

El kt l t


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Elektrolyt

Laden

Einfluss der Säureschichtung auf den Ladeprozess in verschiedenen Elektrodenbereichen

Quelle: Dissertation D.U. Sauer


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O f S SLaden

Ortsaufgelöste Simulation der Stromverteilung in einer Bleibatterie mit einem 3x3-Ersatzschaltbild

• Berechnung der Verteilung ohne Berücksichtigung von RC-Gliedern und

Berechnung der Verteilung ohne Berücksichtigung von RC Gliedern und Induktivitäten, Gravitation und Diffusion für eine 60Ah Bleibatterie

• Ergebnis für +- 5A-Rechteckimpulse, 5Hz (Simulationsdauer 60s)

dQ I t= ∫∫dQ I t= ∫∫


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Laden

Warum überhaupt Volladung?

1. Nur dann steht die maximale Energie zur Verfügung g g g(Elektrofahrzeug, Laptop, "RAPS" (remote area power supply)

2. Messtechnisch gut definierter Zustand3. Bei Bleibatterien: Regelmäßige Volladung verhindern die Ausbildung großer

Bleisulfatkristalle (Ostwald-Reifung des entladenen Materials, die im normalen Betrieb nicht mehr rückgängig gemacht werden kann) und in Folge irreversibler Kapazitätsverlust und beschleunigte Alterung

Am Ende der Ladung Zunahme von Nebenreaktionen oder hohe Spannungen:1. Batterien mit wässrigem Elektrolyt:g y

Bildung von atomarem Wasserstoff und Sauerstoff, der stark oxydierend wirkt und chemisch sehr aggressiv ist für viele unterschiedlichen Bestandteile einer ZelleGasbildung in der porösen Elektrodenstruktur

2. Temperaturerhöhung beschleunigt chemische Alterungsprozesse 3. Bei Batterien ohne Nebenreaktionen:

S höh i d i t ü ht N b kti B


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Spannungserhöhung induziert unerwünschte Nebenreaktionen, z.B. Zersetzung des Elektrolyten, andere Korrosionsprozesse)

LadenLadeende

• Fester LadefaktorAnnahme: Es wird unterstellt, dass die Nebenreaktionen der Batterie bekannt sind. B i h h h T t ( B T kti b tt i it h h E i d h t )

Bei sehr hohen Temperaturen (z.B. Traktionsbatterien mit hohem Energiedurchsatz) und Batterien mit Alterungseffekten (z.B. Wasserstoffüberspannung ist bei Bleibatterien wegen Antimonvergiftung oder Alterung von Inhibitoren verringert) gilt diese Voraussetzung nicht mehr. Die Batterie wird nicht mehr vollgeladen.

• Zeit nach Erreichen einer GrenzspannungBei Batterien mit hoher Temperatur und durch Alterungseffekte erhöhten Nebenreaktionen besteht das Risiko, dass der Grenzwert nicht erreicht wird. Batterien mit niedriger Temperatur werden u.U. nicht mehr vollgeladen, weil dieBatterien mit niedriger Temperatur werden u.U. nicht mehr vollgeladen, weil die Grenzspannung zu schnell erreicht wird.

• Spannung über und Strom unter einem vorgegebenem GrenzwertDie Kombination dieser beiden Bedingungen wird selten verwendet, da sie bei hoher Batterietemperatur und Alterungseffekten nicht zu einer Abschaltung der LadungBatterietemperatur und Alterungseffekten nicht zu einer Abschaltung der Ladung führt.

• Feste Zeit nach Erreichen eines stabilen Werts für Spannung und StromStabiles Abschaltkriterium! (Für Bleibatterien Kriterium nach DIN-EN 60896-11)

In der Praxis: Die Batterie ist vollgeladen, wenn das Ladegerät das Abschaltkriterium erkannt hat.


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LadenLadeende

DIN EN 50342 (Blei-Akkumulatoren Starterbatterien)

4.2.1 Geschlossene Batterien

IU Ladung mit 5 * In (In = I20), Messung mit Messgeräte der Genauigkeitsklasse 1, und 16,0 +/- 0,1 V für 24 Stunden. Batterietemperatur 25 – 35 °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 S lb t tö )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 60095-1 (&.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 bis 14 4 V fürVolladung bei 25 C +/- 10 C und alternativ zu IU Ladung bei 16 V (bevorzugt) auch IUIa Ladung mit 2 * In bis 14,4 V für 20 Stunden, danach mit der gleichen Ladung für weitere 5 Stunden

4.2.2 Verschlossene Batterien

IUIa-Ladung mit 5 * In bis 14,4 V für 20 Stunden, danach Ladung mit 0,5 In für 4 Stunden.Batterietemperatur wie bei geschlossenen Batterien

DIN EN 60896-11 (geschlossene ortsfeste Blei-Akkumulatoren) und -21 (verschlossene Blei-Akkumulatoren)

13 2 G hl B tt i13.2 Geschlossene BatterienLadung 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


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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

LadenLadeende bei NiCd-Batterien: - dU und d²U/dt² Kriterium

Bei Ladezeiten im Bereich von einer

Bei Ladezeiten im Bereich von einer Stunde und weniger ist die Abkühlung auf Grund des reversiblen Wärmeeffekts (TΔS) messbar (Wä l i h l l(Wärmeausgleich langsamer als Wärmeentzug, ohmsche Verluste noch gering)

Ut als Grenzspannung ist zu früh, die Batterie ist noch nicht vollgeladen.-dU: Am Ende der Ladung überwiegt

d²U/dt² Wenn der Wendepunkt der Temperaturentwicklung (td) oder

die Rekombinationswärme der Nebenreaktion−Temperatur steigt an−Spannung sinktSpannungsentwicklung (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

−Spannung sinktDas Ladeende erfolgt, wenn die Spannung um einen bestimmten Betrag gesunken ist, wird also erst


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maximal erreichbare Temperatur Tt zusätzlich verwendet. dann erkannt, wenn bereits eine schädigende Temperaturerhöhung stattgefunden hat.

LadenLadedauer

Einflussfaktoren bei IUIa Ladung

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 vonZeitdauer 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-Batterienca. 10 Minuten für NiCd Batterienohne negative Auswirkung auf die Lebensdauer möglich. Aber:

Bei sehr hohen Ladeströmen ist eine Temperaturüberwachung und


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p gEinzelspannungsüberwachung der Zellen notwendig!

LadenAuswahl des Ladeverfahrens

• Investitionskosten steigen überproportional mit Nennstrom und

• Investitionskosten - steigen überproportional mit Nennstrom und Anschlussleistung

• Zeit innerhalb der ca.95% der Kapazität wieder eingeladen sind (Gesamtsystem ist dann wieder einsatzbereit)( y )

• Beseitigung der Säureschichtung• Zeit bis zur Volladung• Erkennen des Ladeendes - keine oder wenigstens geringe Überladung• Bei Bleibatterien; Minimierung des Wasserverlusts (bei Rekombination:

"Vermeidung")• Wirkung der Ladung auf die zukünftige Leistungsfähigkeit• Geringe Erwärmung (Kennlinie Stromripple während der Dauerladung)• Geringe Erwärmung (Kennlinie, Stromripple während der Dauerladung)• Einsatzflexibilität• Energieverbrauch – immer noch keine wirkliche wirtschaftliche Relevanz,

weil die Energiekosten noch so niedrig sindweil die Energiekosten noch so niedrig sind

Hochwertige Ladegeräte machen sich bezahlt!


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LadenWirkungsgrad

Ladefaktor: Eingeladene Ah-Menge / entnommene Ah-Menge

Menge Coulombscher Wirkungsgrad: Entnommene Ah-Menge / eingeladene Ah-

Menge"Voltaischer Wirkungsgrad": Mittlere Entladespannung / mittlere

LadespannungLadespannungEnergetischer Wirkungsgrad: Entnommene Energie / eingeladene

Energie

Einflussfaktoren:• Stromdichte• Ladekennlinie und Ladegerätetechnik • Volladung erforderlich oder nichtVolladung erforderlich, oder nicht

Typische Daten für den energetischen Wirkungsgrad sind (abhängig vom Batterietyp:• PV: 90 % und darüber (nur Batterie)• USV: Wegen Dauerladung keine Aussage sinnvoll• Flurförder- ca. 60 - 70 % (nur Batterie

zeuge ca. 40 - 60 % inkl. Ladegerät• HybridPKW ca. 94 % (auch bei Bleibatterien, weil keine Volladung durchgeführt


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y ( , g gwird)

A l i h l d b i B tt i it N b kti !Ausgleichsladen

Ausgleichsladung bei Batterien mit Nebenreaktionen!Erhöhung des Ladestroms bzw. der Ladespannung ohne die am besten geladene

Zelle/Elektrode dadurch zu schädigen

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) kommen.Mikrostruktur) kommen.

a) Keine der Zellen der Batterie sind vollgeladenProblem der "Volladung", Problematik wird manchmal fälschlicherweise mit ThemaAusgleichsladung in Verbindung gebrachtAusgleichsladung in Verbindung gebracht.Erster Schritt: Ladekennlinie und Schaltpunkte der Kennlinien verändern

b) Nur wenige Zellen (höhere Temperatur, Produktionsunterschiede wie z.B. Kapazitätd k t l ti h b di t St i d G t ) i d i ht ll l doder 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


28Unterscheidung zwischen Ausgleich innerhalb einer Zelle und zwischen Zellen!

Säuredichte, Ladezustand und Mikrostruktur müssen vergleichmäßigt werden!

Ausgleichsladen

Der inhomogenste Zustand am Ende der Ladung (qualitativ)

NegativeElektrode

PositiveElektrode

0 100 % SOC 0 100 % SOC

Unterschiedliche Säuredichten und Ladezustände führen zu unterschiedlichen Mikrostrukturen!


29Ladezustand ändert sich nicht, wenn nur der Elektrolyt durchmischt wird!

LadeerhaltungLadeerhaltungsstrom

Max. 5A eff. pro 100 Ahoderoder3 °C Temperaturzunahme(IEEE)Darüber hinausgehenderDarüber hinausgehender Wechselstromanteil verkürzt die Lebensdauer

"Laden"

Gleichgewicht:"Entladen" Gleichgewicht:∫IHR,Entl.dt = η(SOC) ∫IHR,LadendtDieser Zusammenhang gilt aber nur, wenn der Entladestrom tatsächlich aus derder Entladestrom tatsächlich aus der Hauptreaktion gespeist wird, und nicht über den Doppelschicht- oder Plattenkondensator.


30

Bei USV-Anwendungen mit Wechselstromlasten und bei ungleichmäßig belasteten Drehstromnetzen ist die dominierende Frequenz des Batteriestroms immer 100 Hz.

AusgleichsladenEntsteht Bedarf für eine Ausgleichsladung

auch während der Ladeerhaltung?

Inhomogenitäten des Ladezustands können während der Ladeerhaltung nur bei massivemInhomogenitäten des Ladezustands können während der Ladeerhaltung nur bei massivem Stromripple (Spannung fällt unter die Ruhespannung ab und aktive Masse wird entladen) entstehen. Das passiert im Normalfall (Ieff < 5 Aeff/100 Ah) nicht und es fließt überall ein Ladestrom. Somit werden im Normalfall Inhomogenitäten während der Ladeerhaltung verringert.

IBatt = IHR + INR + IKond

IKond ist der Verschiebungsstrom, der im Plattenkondensator Batterie fließt. Größe gemäß KondAbschätzung: Ca. 20 mF für 12 V, 100 Ah-BatterieINR wird nicht negativ, weil die zugrundeliegende Ruhespannung 1,23 V ist.

Wenn IBatt negativ wird, dann kann der Strom auch von IKond geliefert werden und muss nichtWenn IBatt negativ wird, dann kann der Strom auch von IKond geliefert werden und muss nicht unbedingt zu einer Entladung der aktiven Masse führen.

Wenn IHR negativ wird (Entladung und lokaler Säureverbrauch), dann dauert es lange, bis der entladene Bereich wieder geladen ist (Ladewirkungsgrad ist niedrig Ladestromdichte undentladene Bereich wieder geladen ist (Ladewirkungsgrad ist niedrig, Ladestromdichte und Entladestromdichte müssen nicht an jedem Ort der Elektrode gleich groß sein). Die Elektroden werden bei negativem Hauptreaktionsstrom entladen und bleiben in einem Ladezustand knapp unter 100 %, bei dem der Ladewirkungsgrad für die eingeladenen Ah-Menge i Gl i h i ht it d tl d Ah M i t W d L d t d i Gl i h i ht 90


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im Gleichgewicht mit der entladenen Ah-Menge ist. Wenn der Ladezustand im Gleichgewicht 90 % ist, dann beträgt der Dichteunterschied des Elektrolyten zum Nennwert maximal 0,015 g/cm³.

AusgleichsladenAusgleichsladung – Probleme innerhalb einer Zelle

Säureschichtung – Beseitigung durch Ausgleichsladung?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 zu beseitigen. Einziger Mechanismus: Zersetzung von Wasser und Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff der imMechanismus: Zersetzung von Wasser und Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff, der im Elektrolyten hochperlt. Problem der Volladung, das mit Mitteln der Ausgleichsladung beseitigt werden muss!

Ausgleichsladungsprozedur:Ausgleichsladungsprozedur: Ladestrom erhöhen, so dass die Gasung steigt und die Säure besser durchmischt wird. - Dauer: mehrere Stunden (Abschätzung über das entstehende Gasvolumen in Relation zum Elektrolytvolumen wahrscheinlich möglich.)- Maximale Spannungs- / Stromerhöhung: Schädigung durch zu hohe Gasentwicklung (Wärme- Maximale Spannungs- / Stromerhöhung: Schädigung durch zu hohe Gasentwicklung (Wärme, mechanische Belastung, oxidativer und reduktiver Angriff von O2 und H2) muss minimiert bleiben.- Stromvorgabe ist sicherer, weil die Auswirkungen des Stroms sowohl die gewünschte als auch schädliche Wirkung verursachen. Die sich ergebende Spannung an den Klemmen ist unerheblich (hohe Spannung heißt gute Unterdrückung der Gasentwicklung oder hoher Übergangswiderstand an(hohe Spannung heißt gute Unterdrückung der Gasentwicklung oder hoher Übergangswiderstand an Verbindern, etc. – beides ist für die Beseitigung der Säureschichtung ohne Bedeutung)

Bereich unterhalb der Elektroden wird durch Gasung so gut wie nicht beeinflusst, wenn er groß ist.


32Bei manchen Batterien mit geringer vertikaler Beweglichkeit des Elektrolyten kann die Säureschichtung so gut wie gar nicht mehr durch Laden beseitigt werden.


Inhomogenität der Säurekonzentration – Beseitigung während der Ladeerhaltung

Hauptreaktion:

Lineare Approximation der BV Gleichung

Nebenreaktion:

Tafel Approximation der BV GleichungLineare Approximation der BV-Gleichung

IHR = io,HR x A x (nF/RT)(E-Eo,HR)

Tafel-Approximation der BV-Gleichung

INR = io,NR x A x exp(αnF/RT)(E-Eo,NR)

INR ist überall gleich!!I = (E-E ) / (E-E ) x IIunten;1,3 = (E-Eo;1,3) / (E-Eo;1,15) x Ioben;1,15

Verhältnis der Hauptreaktionsströme bei Säuredichte 1,3 und 1,15 bei 2,40 V: Iunten = 0,625 Ioben2 23 V: I = 0 348 I2,23 V: Iunten = 0,348 Ioben

Bei eingeprägtem Gesamtstrom wird der Unterschied immer größer je kleiner die Ladespannung ist.

Erhöhung der Ladespannung und oder des Erhaltungsladestroms beseitigen Inhomogenitäten!


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Inhomogenität des LadezustandsInhomogener oder nicht ausreichender Ladezustand der Elektroden oder einer Elektrode ist geine Konsequenz nicht ausreichender Volladung. Während der Ladeerhaltung oder Ausgleichsladung ist die Temperatur innerhalb einer Zelle wegen des geringen Wärmeeintrags und der hohen Wärmekapazität des Elektrolyten in dieser Phase immer fast ölli h !völlig homogen!

Inhomogener Ladezustand kann während der Ladeerhaltung nur entstehen, wenn lokal stark unterschiedliche katalytische Eigenschaften vorhanden sind, die zu einer größeren Selbstentladung führen und durch den lokalen Ladestrom nicht mehr kompensiert werden können.

Nebenreaktion: Tafel-Approximation der BV-Gleichung

IBatterie = INR = io,NR x A x exp(αnF/RT)(E-Eo,NR)

Wenn der Batteriestrom (lokaler Nebenreaktionsstrom) kleiner als der lokale Selbstentladestrom (hohe lokale Austauschstromdichte) ist, dann wird die Batterie dort entladen. Bei Ladung mit ( ) , gkonstanter Spannung sind die anderen Elektrodenbereiche nicht betroffen. Bei einer normalen Ladung ist das Verhältnis von IGasung zu ISelbstentladung größer als 10. Nach Alterung kann das aber anders sein, und die Ladeerhaltung reicht nicht aus, um derartige lokale Ladezustandsunterschiede zu beseitigen


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Ladezustandsunterschiede zu beseitigen.

Beispiel dafür: Kupferstreckmetallbatterie mit Beschichtungsfehler – Kupfer ist nicht durch Bleischicht abgedeckt.

AusgleichsladenAusgleichsladung – Probleme zwischen Zellen

Säuredichte-, Ladezustands- und Mikrostrukturunterschiede

Gründe sind:Gründe sind: • Unterschiedliche Temperaturen (externe Wirkung oder Fehler)

führt zu unterschiedlichem Verhältnis von Gasungs- und Hauptreaktionsstrom, sowie zu anderen Korrosions- und SelbstentladeströmenUnterschiedliche Kapazität (produktionsbedingt oder nutzungsbedingt)• Unterschiedliche Kapazität (produktionsbedingt oder nutzungsbedingt)Wegen der geringeren Stromdichte beim Laden der "großen" Zelle ist die Spannung der "kleinen" Zelle höher, ihr Gasungsstrom hat deshalb einen höheren Anteil am Batteriestrom als der Hauptreaktionsstrom. Als Konsequenz wird der Ladestrom für die große Zelle zu früh abgeregelt. Die größere Zelle wird langsamer vollgeladen als sonst, die kleinere Batterie etwas schneller. (Wenn in Folge der schnelleren Ladung die Temperatur etwas steigt, dann reduziert sich der Unterschied wieder, weil die Spannung der kleinen Zelle anfangt zu sinken.)

• Unterschiedliche katalytische Bedingungen, die den Gasungsstrom verändern. y g g , g• Die Mikrostruktur ist das Ergebnis der Geschichte der bisherigen Nutzung.

Wirkung von Ausgleichsladung• Erhöhung der Ladespannung und/oder des Erhaltungsladestroms beseitigt keine

Inhomogenitäten, die auf Temperaturunterschiede zurückzuführen sind, sondern erhöht diese vielleicht sogar!

• Die Mikrostruktur wird nur dann vergleichmäßigt, wenn die Ausgleichsladung eine Restrukturierung der Aktivmassen beitragen würde. ??? (hohe Ladeerhaltungsspannung


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g g ( g p gverschlechtert Aktivmasse gemäß Kugelhaufenmodell)

• Säuredichteunterschiede werden nur dann beseitigt, wenn sie auf Mangelladung / Sulfatierung zurückzuführen sind.

AusgleichsladenAusgleichsladung – Probleme von allen Zellen

Wenn es im Ladeerhaltungsbetrieb nicht gelingt alle Zellen im optimalen Zustand zu halten: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)Ladeleistung reichen nicht aus) Lösung: Ladekennlinie verbessern und/oder Betriebsbedingungen und/oder regelmäßige "Sondermaßnahme (= "Ausgleichsladung" bzw. echte Volladung)

2 Unterschiede der Mikrostruktur oder Passivierungsschichten2. Unterschiede der Mikrostruktur oder PassivierungsschichtenFertigungsprobleme und Temperaturungleichmäßigkeiten, die zu lokal unterschiedlichen Alterungseffekten führen.Wirkung von Ausglichsladung bzgl. Beider Effekte unklar.

3. Abwägung Korrosion gegen Selbstentladung gegen MikrostrukturUnterschiedliche Optima Mikrostruktur: vermutlich keine Ladung, Korrosion: am geringsten bei ca. 2,23 V,Selbstentladung: abhängig von Alter und Temperatur


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AusgleichsladenAusgleichsladung - Zusammenfassung

Erforderlich, damit auch die Zelle mit der höchsten Temperatur und den ungünstigsten katalytischen Eigenschaften im Zellverbund vollgeladen wird

ungünstigsten katalytischen Eigenschaften im Zellverbund vollgeladen wird.

Notwendigkeit einer Ausgleichsladung hängt ab• vom Batterietyp: Strom in der Ladeerhaltungsphase ist gering und/oder verändertvom Batterietyp: Strom in der Ladeerhaltungsphase ist gering und/oder verändert

sich stark bei Änderungen von Betriebsbedingungen/Alterungsprozessen • Von der Anwendung: "Normale" Ladung reicht nicht immer zur vollständigen

Umwandlung der entladenen Massen aus. • vom Ladeverfahren: Volladung mit "angepasster Ladung" ausprobieren (höhere

Ladeströme und IR-freie Ladung).

Bei Gelbatterien sind die Ladeströme in der Ladeerhaltungsphase systembedingt großBei 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.


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AusgleichsladenAusgleichsladung - 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 (16 V für 12 V B i ) fü 8 S dBatterie) für 8 Stunden

Bei verschlossenen Batterien Ladung mit 2,4 – 2,45 V/Zelle oder 1A/100 Ah für 8 St dStunden.

Wiederholung alle 6 Monate, bei Batterien mit unzureichenden Betriebsbedingungen ggf jede Woche (Traktionsbatterie) oder jeden MonatBetriebsbedingungen ggf. jede Woche (Traktionsbatterie) oder jeden Monat (erneuerbare Energiesysteme).


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6 Laden [Kompatibilitätsmodus] - IEE: Über uns · Laden Anforderungen an das Laden •...

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