Das Aufladen einer Blei-Säure-Batterie - Batteryexperts

Sven Bauer
BMZ GmbH
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Das Aufladen einer Blei-Säure-Batterie
Der Lade-Algorithmus für Blei-Säure-Batterien ist ähnlich wie für Lithium-Ion-Batterien,
er unterscheidet sich aber vom Algorithmus für Batterien auf Nickelbasis, wo eher die
Spannungsbegrenzung als die Strombegrenzung verwendet wird. Die Aufladezeit einer
dichten Blei-Säure-Batterie beträgt 12 bis 16 Stunden. Mit höheren Ladeströmen und
einer mehrstufigen Lademethode kann die Ladezeit auf 10 Stunden oder weniger
reduziert werden. Blei-Säure-Batterien können nicht so schnell vollgeladen werden wie
Batterien auf Nickel oder Lithiumbasis.
Ein mehrstufiges Ladegerät appliziert zuerst eine Ladung mit Konstantstrom; die
Zellenspannung erhöht sich auf einen vorgegebenen Wert (Stufe 1 in Bild 1). Die Stufe 1
dauert etwa 5 Stunden und lädt die Batterie auf 70%. Während der nachfolgenden
Endladephase in Stufe 2 wird der Ladestrom allmählich reduziert, bedingt durch die
zunehmende Sättigung der Zellen. Die Endladephase dauert wiederum ca. 5 Stunden und
ist entscheidend für das Wohlbefinden der Batterie. Wird diese Phase ausgelassen,
verliert die Batterie eventuell die Möglichkeit, voll aufgeladen werden zu können. Die
Vollladung ist erreicht, nachdem die Spannungsschwelle erreicht ist und der Strom um
3% vom eingestellten Wert abgesunken, oder gleich geblieben ist. Die abschliessende
Stufe 3 ist eine Schwebeladung, welche die Selbstentladung kompensieren soll.
Bild 1: Ladestufen einer
Blei-Säure-Batterie. Die
Batterie wird mit einem
Konstantstrom bis zu
einem vorgegebenen
Spannungswert
aufgeladen. (Stufe 1).
Wenn die Batterie
gesättigt ist, sinkt der
Strom ab.(Stufe 2). Die
Schwebeladung
kompensiert die
Selbstentladung (Stufe
3).
Die richtigen Einstellungen für die Spannungslimiten sind kritisch und bewegen sich von
2,30V bis 2,45V. Die Einstellung der Spannungslimite ist ein Kompromiss. Einerseits
verlangt die Batterie, voll geladen zu sein, um eine Sulfatierung der negativen Platten zu
verhindern. Andrerseits kann die Zelle nicht überladen werden, was zu Netzkorrosion auf
der positiven Platte führen würde. Hohe Spannung führt ausserdem zur Gasbildung,
welche zu einem Leck und Elektrolytverlust führt. Die Gasbildung beginnt typischerweise
mit 2,5V/Zelle und darüber.
Dazu kommt, dass die Spannungslimite mit der Temperatur gleitet. Eine höhere
Temperatur verlangt eine leicht tiefere Spannung und umgekehrt. Ladegeräte, die
grossen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, sollten mit einem Temperatursensor
ausgerüstet sein, um eine optimale Ladung zu sichern. Figur 2 vergleicht die Vorteile und
Grenzen bei den verschiedenen Spannungseinstellungen.
Figur 2:
Wirkungen von
Ladespannung
bei einer PlastikBlei-SäureBatterie.
Zylindrische
Zellen können
verschiedene
Bedürfnisse
haben.
Die Zeit, in welcher eine hohe Spannung in Abschnitt 2 angelegt wird, muss begrenzt
werden, kann aber 48 Stunden betragen. Nach Erreichen der Vollladung und im Abschnitt
3 Float Charge wird die Spannung reduziert auf 2,25 bis 2,30V/Zelle.
Die Alterung beeinflusst jede Zelle anders. Da die Zellen in Serie geschaltet sind, ist eine
individuelle Spannungsüberwachung jeder Zelle während der Ladephase praktisch
unmöglich. Selbst wenn eine korrekte Spannung angelegt wird, wird eine schlechte Zelle
ihre eigene Spannungsschwelle bilden und so die verstärkten Bedingungen noch fördern.
Eine wellenförmige Spannung als Ladespannung ergibt ebenfalls Probleme, speziell bei
grösseren, ventilgesteuerten Blei-Säure-Batterietypen (VRLA). Die Spitzen der
Wellenspannung bedeuten eine Überladung und bewirken eine Wasserstoffbildung,
welche die Kontakte korrodieren lässt. Die Senke verursacht eine kurze Entladung,
welche eine Sulfatierung fördert.
Es wurde viel gesprochen über die Impuls-Lademethode bei Blei-Säure-Batterien. Einige
Spezialisten glauben, dass eine Reduktion der Zellenkorrosion ein Nutzen für die Batterie
sei, aber Hersteller und Servicetechniker teilen diese Ansicht kaum. Auch über die so
genannte "Ausgleichsladung/Equalizing Charge" herrschen unterschiedliche Meinungen.
Bei einer solchen Ausgleichsladung steigt die Batteriespannung während einiger Stunden
über die vom Hersteller angegebenen Werte an. Obwohl eine Verminderung der
Sulfatierung eintritt, tritt als Nebenerscheinung eine Erhöhung der Temperatur auf, die zu
Gasentwicklung und Elektrolytverlust führt, wenn diese Wartung nicht absolut korrekt
durchgeführt wird.
Die zylindrischen Cyclone-Batterien von Hawker verlangen eine höhere
Ladespannungsschwelle als die Bleisäure-Batterien in Kunststoffgehäusen, und beträgt
normalerweise 2,60V/Zelle. Bei Nichteinhalten dieser empfohlenen Spannungsschwelle
tritt eine graduelle Einbusse der Kapazität ein, auf Grund der zunehmenden Sulfatierung.
Folgen Sie für die Einstellungen den Vorschriften der Hersteller.
Blei-Säure-Batterien müssen in geladenem Zustand gelagert werden. Alle 6 Monate sollte
die Batterie aufgeladen werden, um zu verhindern, dass die Spannung unter 2,10V/Zelle
absinken kann. Eine länger dauernde Lagerung mit einer Spannung unterhalb dieses
kritischen Wertes bewirkt eine Sulfatierung, die sehr schwer zu korrigieren ist. [Spätere
Artikel werden die Methoden behandeln, wie Blei-Säure-Batterien behandelt werden
können].
Das Aufladen einer Blei-Säure-Batterie kann manuell erfolgen, mit Hilfe eines
kommerziellen Speisegerätes, das eine Spannungsregulierung und eine
Strombegrenzung enthält. Berechnen Sie die Ladespannung auf der Basis der Anzahl
Zellen und die gewünschte Spannungsbegrenzung.
Die Ladung einer 12V-Batterie (6 Zellen) mit einer Zellenspannungsbegrenzung von
2,40V, z.B. verlangt eine Spannungseinstellung von 14.40V.
Der Ladestrom sollte zwischen 10% und 30% der Nennkapazität der Batterie liegen (30%
einer 2Ah-Batterie wäre 600mA). Einige Batterietypen gestatten höhere Einstellungen.
Solche Zellen sind normalerweise gebaut aus einem nicht-antimonhaltigem Bleigitter,
welches einen höheren Wasserstoff-Überdruck ermöglicht. Als Kompromiss wird eine
tiefere Kapazität akzeptiert. Andere Bauformen erlauben einen höheren Innendruck,
welcher die Regeneration der Gase unterstützt. Das Einstellen eines zu hohen Stroms
bewirkt Gasentwicklung und kann zu einem Leck führen.
Überwachen Sie die Batterietemperatur, die Spannung und den Strom während der
Ladung. Laden Sie nur bei Raumtemperatur. Sobald die Batterie vollgeladen ist und der
Strom um 3% vom vorgeschriebenen Wert gesunken ist, ist die Ladung beendet.
Entfernen Sie die Batterie vom Ladegerät. Wenn eine Schwebeladung erforderlich ist, um
die Batterie einsatzbereit zu halten, verkleinern Sie die Spannung auf ca. 13.60V
(2.27V/Zelle). Die Schwebeladung kann für eine unbegrenzte Zeit beibehalten werden.
Die meisten Ladegräte enthalten automatisch diese Funktion.