Batterie-Tutorial

Während es heute viele Batteriechemien gibt und neue Typen im Laufe der Zeit kommerziell rentabel werden, befassen wir uns mit den Blei-Säure-Typen, geflutet, AGM und echtem Gel, da sie in den Anwendungen, auf die wir uns spezialisieren, weit verbreitet sind. Blei-Säure-Batterietechnologie hat wird seit über einem Jahrhundert kommerziell genutzt. Einige archäologische Funde der entsprechenden Materialien in einer von Menschenhand geschaffenen Konfiguration deuten darauf hin, dass das Prinzip schon viel länger bekannt ist und verwendet wird. Ihre Konstruktion besteht aus Bleilegierungsplatten und einem Elektrolyten aus Schwefelsäure und Wasser. Eine Batterie besteht aus einer Reihe von Zellen, und die Blei-Säure-Chemie schreibt eine vollständig geladene Spannung von etwa 2,12 Volt pro Zelle vor. Somit hat eine nominelle 6-Volt-Batterie drei Zellen mit einer Vollladespannung von 6,3 bis 6,4 Volt, und eine 12-Volt-Batterie hat sechs Zellen und eine Vollladespannung von 12,7 Volt. Hochwertige Hochleistungs-Blei-Säure-Batterien können eine höhere Zellspannung aufweisen.

Die Zelle hat zwei Plattentypen, einen aus Blei und einen aus Bleidioxid, die beide in Kontakt mit dem Schwefelsäure-Elektrolyten stehen, entweder als Flüssigkeit, absorbiert in einer Matte, oder als Gel. Die Platte aus Bleidioxid (PbO ₂ ) reagiert mit dem Elektrolyten aus Schwefelsäure (H ₂ SO ₄ ), was zu Wasserstoffionen und Sauerstoffionen (die Wasser bilden) und Bleisulfat (PbSO ₄ ) auf der Platte führt. Die Bleiplatte reagiert mit dem Elektrolyten (Schwefelsäure) und hinterlässt Bleisulfat (PbSO ₄ ) und ein freies Elektron. Das Entladen der Batterie (wodurch Elektronen die Batterie verlassen können) führt zum Aufbau von Bleisulfat auf den Platten und zur Verdünnung der Säure mit Wasser. Mehr zur Sulfatierung und ihren Problemen später. Das spezifische Gewicht des Elektrolyten, gemessen mit einem Hydrometer in gefluteten Batterien, zeigt seine relative Ladung (Stärke) oder seinen Verdünnungsgrad (Entladung) an. Die Reversibilität dieser Reaktion gibt uns die Nützlichkeit einer Blei-Säure-Batterie. Die versiegelten Versionen enthalten Wasser, Wasserstoff usw. bei normalem Gebrauch zur Rekombination und eliminieren die Wartung der Überprüfung des Wasserstands und Korrosion um die Anschlüsse herum.

Das Laden der Batterie kehrt den obigen Prozess um und beinhaltet, dass die Batterie Spannungen ausgesetzt wird, die höher sind als ihre vorhandene Spannung. Je höher die Spannung, desto schneller die Ladegeschwindigkeit, vorbehaltlich einiger Einschränkungen. Es ist ein Gasungspunkt zu berücksichtigen, und echte Gelbatterien haben eine niedrigere Spitzenladespannung, da im Gel Blasen entstehen können, die sich nicht auflösen und zu Batterieschäden führen. Mehr dazu im Lade-Tutorial.

Der Elektrolyt kann in ein mattenartiges Material absorbiert werden, sodass kein freier Elektrolyt vorhanden ist (AGM-Batterie), oder kann in einem Gelformat vorliegen, das ihn auch stabilisiert (echte Gelbatterie). Aktuelle Blei-Säure-Batterien werden grundsätzlich unterschieden als Tiefgang/Lagerung (angegeben in Amperestunden) oder Automotive SLI Typ (Starten/Beleuchtung/Zündung), bewertet in Startampere. Es gibt auch Kombinationstypen, die für beide Aufgaben ausgelegt sind, aber diese haben normalerweise einen niedrigeren Anlassstromwert als eine Starterbatterie der gleichen Gruppengröße.

SLI-Batterien

SLI Batterien sind so ausgelegt, dass sie für kurze Zeit einen hohen Stromstoß abgeben (eine Startsequenz) und dann relativ schnell über das Ladesystem des Geräts (Lichtmaschine) wieder aufgeladen werden. Typischerweise entlädt eine Startsequenz weniger als 3 % der Batteriekapazität. SLI-Akkus sind nicht für eine wiederholte Tiefentladung ausgelegt und ihre Lebensdauer wird dadurch erheblich verkürzt. In dieser Klasse gibt es nasse (geflutete) und vollständig versiegelte, wartungsfreie Batterien (AGM - absorbierte Glasmatten). Diese haben im Allgemeinen eine hohe Plattenanzahl und die Platten sind relativ dünn. Sie sind in CA, Startstrom (bei 32 Grad F) und CCA, Kaltstartstrom (bei 0 Grad F) bewertet.

Deep-Cycle-Batterien

Deep-Cycle-Batterien sind mit dickeren Platten ausgelegt, um eine konstante Entladerate zu haben und tiefentladen zu werden und anschließend wieder aufgeladen zu werden. Sie werden als RV-, Marine-, Deep-Cycle-, Speicher- und manchmal Golfwagenbatterien bezeichnet, da dies die typischen Märkte sind, für die sie gelten, sowie für andere. Das Tiefentladen von zyklenfesten Batterien als Wartungsverfahren bringt keinen Vorteil, und sie haben keinen Memory-Effekt. Sie werden normalerweise in Amperestunden (ah) bewertet, können aber eine CA- und CCA-Bewertung haben, wenn sie einen doppelten Zweck haben oder gelegentlich für Startzwecke verwendet werden.

Deep-Cycle-Blei-Säure-Batterien sind in zwei Konfigurationen erhältlich – nass und versiegelt. Eine Nassbatterie hat eine höhere Toleranz gegenüber Überladung, setzt jedoch beim Laden Wasserstoffgas frei, das ordnungsgemäß entlüftet werden muss, und der Wasserstand muss häufig überprüft werden. Versiegelte Bleisäurebatterien können AGM- (Absorbed Glass Mat) oder Gel-Batterien sein, und beide werden manchmal als VRLA-Batterien (Valve Regulated Lead Acid) bezeichnet. Häufig wird der Begriff "Gel" verwendet, um sich auf wirklich versiegelte, wartungsfreie Batterien zu beziehen, und diese Praxis führt bei Batterieverbrauchern zu Verwirrung, da AGM und echtes Gel einige unterschiedliche Eigenschaften haben, insbesondere in den Ladeanforderungen des echten Gels. Beide Typen sind wartungsfrei, es kann keine Flüssigkeit verschüttet werden und die Gasentwicklung ist minimal. Andere Namen für die versiegelten Typen sind ausgehungerter Elektrolyt, wartungsfrei, Trockenzelle und auslaufsicher. Die meisten davon sind vom Verkehrsministerium (DOT) für den Lufttransport zugelassen und als ungefährlich eingestuft.

Die Gel-Batterie ist am wenigsten von Temperaturextremen und Lagerung bei niedrigem Ladezustand betroffen und hat eine niedrigere interne Entladungsrate, hat aber Spitzenladespannungsanforderungen, die messbar niedriger sind als bei einer gefluteten oder AGM-Batterie. Eine AGM-Batterie verträgt Überladung etwas besser als die Gel-Zelle. Zur AGM-Kategorie gehören die Optima™ und die Odyssey™ sowie mehrere andere versiegelte Hochleistungsbatterien. Die kleineren Batterien, die Sie in Hausalarmsystemen, Computer-USV-Boxen (unterbrechungsfreie Stromversorgung) usw. finden und auf denen „versiegelte Bleisäure“, „auslaufsicher“ oder „wartungsfrei“ steht, sind fast immer AGM-Batterien. Wenn nicht „Gel“ darauf steht oder ein „G“ in der Teilenummer steht, ist es kein Gel.

Hochleistungsbatterien

Wir haben die Hochleistungsbatterien Optima™ und Odyssey™ erwähnt. Es gibt auch andere wie das Rock Racing™. Diese Batterien verwenden hochwertige Materialien und Konstruktionstechniken und erzielen hervorragende Ergebnisse, was sich tendenziell im Preis widerspiegelt. Die Odyssey-Einheiten weisen in den ersten 5 Sekunden extrem hohe Burst-Ampere auf, ein kritisches Merkmal beim Starten von Motoren mit großem Hubraum oder hoher Verdichtung. Sie können auch viele Male vollständig entladen und wieder aufgeladen werden (bewertet für 400 Zyklen bei 80 % Entladungstiefe). Für den doppelten Zweck, Start und Deep Cycle, sind diese schwer zu schlagen. Wir halten einen Odyssey PC1500 aufgeladen und bereit in der Werkstatt für Notsprünge oder andere Situationen und Tests. Genug gesagt.

Batteriekapazität

Die Batteriekapazität ist ein Maß für die Energie, die die Batterie speichern und an eine Last abgeben kann. Sie wird dadurch bestimmt, wie viel Strom eine Batterie über einen branchenüblichen Zeitraum liefern kann. Die Maßeinheit heißt „Amperestunde“ (ah). Der Batterieindustriestandard ist eine 20-Stunden-Rate, dh wie viele Ampere Strom kann die Batterie über 20 Stunden bei 80 Grad F liefern, bis die Spannung auf 10,5 Volt für eine 12-V-Batterie und 21 Volt für eine 24-V-Batterie abfällt. Beispielsweise liefert eine 100-Ah-Batterie 20 Stunden lang 5 Ampere. Gelegentlich verwendet ein Unternehmen oder Vermarkter einen 10-Stunden-Tarif oder einen anderen Tarif, also achten Sie darauf, welchen Tarif Sie erhalten, wenn Sie Marken und Gruppengrößen vergleichen.

Die Batteriekapazität wird auch als Reservekapazität (RC) in Minuten ausgedrückt. Die Reservekapazität ist die Zeit in Minuten, in der eine Batterie 25 Ampere bei 80 Grad F liefern kann, bis die Spannung auf 10,5 Volt bei einer 12-V-Batterie und 21 Volt bei einer 24-V-Batterie abfällt. Eine Beziehung zwischen Amperestunden (ah) und Reservekapazität (RC) kann mit dieser Formel angenähert werden: ah = RC mal 0,6

Hohe Batterieentladungsraten

Wenn die Entladungsrate über die branchenübliche 20-Stunden-Rate erhöht wird, nimmt die nutzbare Kapazität aufgrund des "Peukert-Effekts" ab. Der Rückgang ist nicht linear und wird in der folgenden Grafik dargestellt.

Dies muss bei der Dimensionierung einer Batterie für eine bestimmte Anwendung berücksichtigt werden. Wenn es sich um eine hohe Stromaufnahme handelt, muss die Batteriekapazität über den einfach berechneten Amperestundenbedarf hinaus erhöht werden.

Batterielebensdauer und Entladetiefe (DOD)

Die Batterielebensdauer verkürzt sich, je tiefer sie in jedem Zyklus entladen wird. Das Erhöhen einer Batteriebankkapazität über die Mindestanforderungen erhöht die Lebensdauer der Bank. Echte Gel-Batterien haben tendenziell eine höhere Anzahl von Zyklen als AGMs, wenn sie tiefentladen werden, daher ihre häufige Verwendung in Golfwagen und Rollstühlen/Rollern, wenn versiegelte Batterien verwendet und täglich tief entladen werden.

Temperatureinflüsse auf Batterien

Bleibatterien verlieren bei niedrigen Temperaturen an Kapazität. Bei 32 Grad F liefert eine Batterie etwa 75 % ihrer Nennkapazität bei 80 Grad F. Dies muss bei der Dimensionierung einer Batteriebank mit der erforderlichen Kapazität für kältere Umgebungen berücksichtigt werden. Bei sehr kaltem Klima ist ein beheiztes oder isoliertes Fach ratsam. Hohe Temperaturen halten die Batteriechemie aktiver und verringern die Batterielebensdauer messbar. Eine Batterie, die in einer Umgebung mit 60 F bis 80 F 5 Jahre halten kann, hält in einer Wüstenumgebung möglicherweise nur 2 Jahre.

Innere Entladung

Batterien unterliegen einer inneren Entladung, auch Selbstentladung genannt. Diese Rate wird durch den Batterietyp und die Metallurgie des bei seiner Konstruktion verwendeten Bleis bestimmt. Nasszellen mit den darin befindlichen Hohlräumen für den Elektrolyten verwenden eine Blei-Antimon-Legierung, um die mechanische Festigkeit zu erhöhen. Das Antimon erhöht auch die interne Entladungsrate auf zwischen 8 % und 40 % pro Monat. Aus diesem Grund sollten Nasszellen nicht über längere Zeit ungewartet oder ungeladen bleiben. Das im Gel- und AGM-Batteriebau verwendete Blei erfordert keine hohe mechanische Festigkeit, da es durch das Gel- oder Mattenmaterial stabilisiert wird. Üblicherweise wird dem Blei Kalzium beigemischt, um die Gasung und die innere Entladungsrate zu reduzieren, die bei AGM- und Gel-Batterien nur 2 % bis 10 % pro Monat beträgt.

Jede Batterieentladung, einschließlich interner Entladung, erzeugt als Teil des chemischen Kreislaufs eine Sulfatierung auf den Batterieplatten, und mit genügend Zeit verhärtet sich diese Sulfatierung, was bestenfalls zu einer verringerten Batteriekapazität oder einem vollständigen Funktionsverlust führt. Regelmäßiges Aufladen nach dem Gebrauch oder die Verwendung eines „schwimmenden“ Ladegeräts für lange Lagerzeiten (Bootsbatterien, ATVs usw.) verhindert diese verringerte Kapazität und maximiert die Batterielebensdauer. Ein großer Teil (annähernd 50 %) der Blei-Säure-Batterien hat aufgrund von Sulfatierung eine verringerte Kapazität oder wird unbrauchbar und erreicht nie ihre Nennlebensdauer. Es gibt elektronische Geräte (Ladegeräte und eigenständige Geräte) für den Umgang mit Sulfatierung, aber die beste Vorgehensweise besteht darin, die Situation von vornherein durch richtiges Batteriemanagement zu vermeiden, einschließlich der Verwendung hochwertiger „intelligenter“ Ladegeräte.

Summierung zum Erreichen der maximalen Akkulaufzeit

Aus der obigen Diskussion ist ersichtlich, dass es mehrere Probleme in Bezug auf die Batterielebensdauer gibt. Rechtzeitiges Aufladen nach dem Gebrauch, Vermeidung einer vollständigen Entladung, wenn möglich, routinemäßiges Wartungsladen oder die Verwendung eines Float-Ladegeräts bei gelagerten oder außerhalb der Saison befindlichen Batterien (Jetski, Schneemobil, ATV usw.) sind alles Dinge, die zum Guten beitragen Batterielebensdauer. Vermeiden Sie nach Möglichkeit extreme Temperaturen, insbesondere Hitze, und überprüfen Sie den Wasserstand in überfluteten Batterien. Es gibt einige Anwendungen, die eher das Ende der Lebensdauer einer Batterie erreichen und als Folge davon eine abnehmende Kapazität haben. In diese Kategorie fallen Rollstühle und Roller, die täglich und stark genutzt werden.

Reihen- und Parallelschaltung von Batterien

Wenn zwei oder mehr Batterien in Reihe geschaltet werden (positiv zu negativ in einem Strang), addieren sich ihre Spannungen, aber ihre AH-Kapazität bleibt gleich. Zwei in Reihe geschaltete 12 V, 100 Ah Batterien ergeben also einen 24 V, 100 Ah Akku. Der Minuspol einer Batterie wird mit dem Pluspol einer zweiten Batterie verbunden, und die verbleibenden Anschlüsse sind die Systemanschlüsse.

Wenn zwei oder mehr Batterien parallel geschaltet werden (positiv an positiv, negativ an negativ), summiert sich ihre AH-Kapazität (Amperezahl), aber ihre Spannung bleibt gleich. Zwei parallel geschaltete 12 V, 100 Ah Batterien ergeben also einen 12 V, 200 Ah Akku.

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