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Lade-Entladebetrieb bedeutet, dass die Batterie von einem Ladegerät aufgeladen wird, um anschließend vom Ladegerät getrennt die eingeladene Energie zeitversetzt wieder abzugeben. Danach muss die nächste Wiederaufladung folgen. Dies ist z. B. bei tragbaren Geräten, Elektrofahrzeugen, Rollstühlen, E-Fahrrädern, Reinigungsmaschinen, Gabelstaplern oder Solaranlagen der Fall.

Die Stromversorgung bzw. die Ladeeinrichtung muss so dimensioniert werden, dass diese die angeschlossene Batterie in einer angemessenen, der Anwendung entsprechenden Zeit aufladen kann. Als Faustregel gilt, Stromversorgungsgerätestrom = 20% der Batteriekapazität. Wenn also die Batterie 100 Ah hat, sollte die Stromversorgung 20 A liefern können. Wenn die Batterie z. B. bei einer Solaranlage nur am Wochenende benötigt wird, die Ladung aber permanent erfolgt, können auch 5% der Batteriekapazität ausreichend sein.

Wenn eine Batterie im Zykleneinsatz täglich entladen und geladen wird und zur Wiederaufladung nicht genügend Zeit zur Verfügung steht, muss sichergestellt werden, dass z. B. am Wochenende eine längere Ladezeit zum Durchladen der Batterie zur Verfügung steht. Es sollte also bei einem Rollstuhl im täglichen Einsatz am Wochenende eine möglichst lange Ladung erfolgen. Diese Notwendigkeit ist darin begründet, dass eine Blei-Batterie in 6-10 Stunden auf ca. 90% geladen werden kann, die letzten 10% allerdings mehr als 24 Stunden benötigen. Wird eine Batterie nie ganz voll geladen, verliert diese rasch an Kapazität und fällt relativ früh aus.

Selbst wenn der Verbraucher, z. B. ein Kühlschrank oder eine Beleuchtung, keine besonderen Anforderungen an die Qualität der Stromversorgung stellen sollte, müssen die Vorgaben des Batterieherstellers betreffend Batterieladung eingehalten werden. Dies bedeutet, dass die Stromversorgung eine geregelte und stabilisierte Gleichspannung mit Strombegrenzung und Nachladephase zur Verfügung stellen muss. In diesem Fall spricht man von einer IUIa- oder einer 2-Stufen-Kennlinie. Die Ausgangsspannung muss der vom Batteriehersteller vorgeschriebenen Ladespannung entsprechen. Dies ist bei Classic-Batterien meist 2,25 – 2,35 V/Zelle und bei GEL-Batterien meist 2,30 – 2,40 V/Zelle, bei Solarbatterien sogar bis 2,45 V/Zelle. AGM-Batterien sind für Lade-Entladebetrieb wegen ihrer schlechteren Zykleneigenschaften im Allgemeinen nicht geeignet.

Stromversorgungs- und Ladegeräte ohne elektronische Regelung und Glättung der Ausgangsspannung sind zur Batterieladung absolut nicht geeignet, verringern die Lebensdauer der Batterien und können sogar zur Zerstörung der Batterien führen.

Die Entscheidung über den zur Verfügung zu stellenden Ladestrom sowie die zu verwendende Ladekennlinie muss unbedingt von einem Fachmann nach Prüfung aller Einflüsse getroffen werden.

In der nächsten Kolumne wollen wir uns mit einer weiteren Betriebsart, und zwar dem Pufferbetrieb und der dazu passenden Ladetechnik widmen.

Ein für den Anwender ebenso wichtiges Kriterium einer Batterie wie die Kapazität, ist die Zyklenfestigkeit. Was ist jedoch die Zyklenfestigkeit? Ein Zyklus ist eine Entladung mit darauf folgender Ladung. Unter der Zyklenfestigkeit versteht man die Angabe, wie oft eine Batterie entladen und danach wieder aufgeladen werden kann, bis ihre Kapazität einen gewissen Wert unterschreitet.

Dazu muss man wissen, dass Batterien für zyklische Anwendungen wie z. B. in Solaranlagen oder Geräten die über keine permanente Stromversorgung verfügen, optimiert werden können. Für solche Anwendungen sind Blei-Batterien mit Gel-Elektrolyt besser geeignet, als Batterien in Vlies-Technologie (AGM) da man Gel-Batterien mehrfach so oft laden und entladen kann, bis ihre Kapazität auf unter 60% Nennkapazität abnimmt. Vor allem bei Solarbatterien ist eine Zyklenfestigkeit wichtig, da sie tagsüber aufgeladen und nachts entladen werden. Bei einer Solar-Gel-Batterie gibt es darüber hinaus noch spezielle Zusätze im Elektrolyt, um die Batterien für den Solareinatz zusätzlich zu optimieren.

Die Zyklenfestigkeit einer Batterie ist aber nicht nur von der Konstruktion und der Technologie (Classic, AGM oder Gel), sondern auch von der Tiefe der jeweiligen Entladung abhängig. Wenn eine Batterie zu 100% entladen wird, kann dies mit z.B. einer Sonnenschein A600 Solar 1700 mal gemacht werden. Die Zyklenfestigkeit ist somit bei 100%-iger Entladung 1700 Zyklen. Wenn die gleiche Batterie aber immer nur zu 50% entladen wird, kann dies 3400 mal gemacht werden. Die Zyklenfestigkeit ist somit bei 50%-iger Entladung 3400 Zyklen. Wenn die gleiche Batterie sogar immer nur zu 25% entladen wird, kann dies 6800 mal gemacht werden. Die Zyklenfestigkeit ist somit bei 25%-iger Entladung 6800 Zyklen.

Wir erkennen daraus, dass die Zyklenfestigkeit stark von der Entladetiefe (dod = depth of discharge) abhängig ist. Daraus folgend muss bei Herstellerangaben der Zyklenzahl immer die dazugehörige Entladetiefe (dod) angegeben bzw. hinterfragt werden.
Stationärbatterien, also Batterien die z.B. in USV-Ablagen eingesetzt werden, sind im Normalfall kaum einer zyklischen Belastung ausgesetzt. Wenn eine Notstromversorgung jedoch exponiert betrieben wird, wo Netzausfälle durch Witterungseinflüsse vermehrt vorkommen oder in Ländern mit häufigen oder länger andauernden Stromausfällen durch schwache Netze, ist es auf jedem Fall ratsam, auch in stationären Anwendungen zyklenfeste Gel-Batterien zu verwenden.

In der nächsten Ausgabe wollen wir uns mit den unterschiedlichen Betriebsarten und der dazu passenden Ladetechnik von Batterien widmen.

Das für den Anwender wichtigste Kriterium einer Batterie ist die Kapazität. Diese gibt an, wie viel Strom in einer Batterie gespeichert ist. Die Batteriekapazität wird in Ah (Ampere-Stunden) angegeben und bedeutet, dass zum Beispiel aus einer 100-Ah-Batterie 10 Stunden lang ein Strom von 10 Ampere entnommen werden kann (10 A x 10 h = 100 Ah). Die Formel Strom x Zeit ist aber nicht für jede Entladezeit anwendbar, sondern stimmt nur für die definierte Zeit lt. Norm bzw. lt. Angabe. Dies soll bedeuten, dass einer 100-Ah-Batterie nicht 50 A über 2 Stunden oder gar 200 A über 0,5 Stunden entnommen werden kann, obwohl 50 A x 2 h und 200 A x 0,5 h rein rechnerisch auch 100 Ah sind. Da Batterien chemische Systeme sind, spielen die chemischen Vorgänge in einer Batterie eine wichtige Rolle. Diese haben Einfluss auf Entladezeit: Jedes chemische System ist zeitabhängig. Bei der Entladung einer Batterie wird Blei in Bleisulfat (PbSO4) umgewandelt, wobei die Menge des umgewandelten Bleis proportional zum entnehmbaren Strom ist. Diese Reaktion benötigt Zeit. Wenn man der Batterie weniger als 10 Stunden Zeit für die Umwandlung = Entladung gibt, kann auch nur weniger Kapazität entnommen werden. Ein typisches Verhalten sehen Sie in folgender Grafik.

Auf der X-Achse ist das Vielfache des Entlade-Nennstromes (bei C10-Angabe 1/10 der Kapazität, bei C20-Angabe 1/20 der Kapazität, bei C100-Angabe 1/100 der Kapazität …) ersichtlich. Auf der Y-Achse ist die entnehmbare Kapazität angegeben. Beispiel: 50 A Entladestrom aus einer 100-Ah-Batterie, die mit C10 definiert ist, ist das 5-fache des Nennstromes, daher können aus der Batterie nur 80% entnommen werden. Dieser Effekt ist bei der Dimensionierung Ihrer Batterieanlage unbedingt zu berücksichtigen. Wenn Sie bei Ihrer geplanten Anwendung eine Batterie für eine Autonomiezeit = Überbrückungszeit von 1 Stunde für 100 A benötigen, müssen Sie eine Batterie mit einer Kapazität von ca. 170 Ah einsetzen. Da sich bei den unterschiedlichen industriellen Batterie-Anwendungen ähnliche Anforderungen an die Autonomiezeit gezeigt haben, hat man in den verschiedenen Normen darauf Rücksicht genommen und Standardautonomiezeiten, je nach Verwendung, eingeführt:

• Traktionsbatterien sind Batterien, die zum Beispiel in Gabelstaplern, Elektrofahrzeugen oder Reinigungsmaschinen zum Einsatz kommen und werden mit einer Entladezeit von 5 Stunden (C5) angegeben. Wenn also auf einer Traktionsbatterie 600 Ah C5 steht, bedeutet dies, dass Sie aus dieser Batterie 120 A über 5 Stunden entnehmen können. Bei größeren Entladeströmen deduziert sich die Autonomiezeit überproportional.

• Stationärbatterien sind Batterien, die in der Energieversorgung in Kraft- oder Umspannwerken, in der Telekommunikation, bei Sendemasten, in Spitälern, in USV-Anlagen oder bei Notbeleuchtungen in Hotels und Einkaufszentren zum Einsatz kommen und werden mit einer Entladezeit von 10 Stunden (C10) angegeben. Wenn also auf einer Stationärbatterie 490 Ah C10 steht, bedeutet dies, dass Sie aus dieser Batterie 49 A über 10 Stunden entnehmen können.

• Gerätebatterien sind Batterien, die in kleineren Stromversorgungen wie Alarmanlagen, Brandmeldeanlagen oder kleinen USV-Anlagen zum Einsatz kommen und werden mit einer Entladezeit von 20 Stunden (C20) angegeben. Wenn also auf einer Gerätebatterie 60 Ah C20 steht, bedeutet dies, dass Sie aus dieser Batterie 3 A über 20 Stunden entnehmen können.

• Solarbatterien sind Batterien, die in Solaranlagen oder bei Anwendungen bei denen keine permanente Energieversorgung – z. B. bei Baustellenbeleuchtungen und Verkehrsschildern – zur Verfügung steht zum Einsatz kommen und werden mit einer Entladezeit von 100 Stunden (C100) angegeben. Wenn also auf einer Solarbatterie 1.200 Ah C100 steht, bedeutet dies, dass Sie aus dieser Batterie 12 A über 100 Stunden entnehmen können.

Fazit: Wenn man einer Batterie in einer kürzeren Zeit als der auf der Batterie angegebenen Bezugszeit (C5, C10, C20, C100) die Kapazität entnimmt, ist die zu entnehmende Kapazität geringer als angegeben. Umgekehrt gilt, dass bei geringerer Stromentnahme, also längere Zeit, die zu entnehmende Kapazität höher als angegeben ist. Dieser Effekt ist unbedingt bei der Beurteilung einer Kapazität einer Batterie zu berücksichtigen, denn 50 Ah bei C10 sind mehr als 50 Ah bei C20-Angabe. Mit diesem Effekt versuchen auch manche Hersteller die Anwender zu täuschen und machen ihre Kapazitätsangeben im Prospekt oder am Etikett der Batterie bei z. B. C30, also bei 30-stündiger Entladung. So kann eine ca. 10% höhere entnehmbare Kapazität als bei C10 (10-stündige Entladung) angegeben werden, und wird die C-Angabe nicht beachtet, glaubt man eine stärkere Batterie vor sich zu haben.

In der nächsten Ausgabe wollen wir uns dem Einfluss der Temperatur auf Batterien widmen!

Diese VRLA-Batterien werden weiter in zwei Gruppen aufgeteilt. Die älteste und von der deutschen Fa. Sonnenschein 1957 erfundene wartungsfreie Blei-Säure-Batterie ist die Gel-Batterie, die zweite Gruppe wird als AGM-Batterie bezeichnet. Um diese geht es im Folgenden.

AGM ist die Abkürzung für Absorbed Glass Mat, was übersetzt so viel wie absorbierendes Glas­vlies bedeutet. Dieses Glasvlies kann man sich wie Mineralwolle (kennt man aus der Baubranche zum Isolieren) vorstellen. In diesem Glasvlies ist der Elektrolyt aufgesaugt.

•Der Elektrolyt: Das Verhältnis Säurefüllmenge zur Aufnahmekapazität dieses Glasvlieses bzw. dieser speziellen Glasfasermatten ist so abgestimmt, dass die Säure komplett im Vlies gebunden wird, jedoch der Sättigungsgrad des Vlieses nicht vollständig erreicht wird. Dadurch ist gewährleistet, dass die Batterie innen dauerhaft nahezu trocken und auslaufsicher ist. AGM-Batterien können daher im Allgemeinen auch um 90° umgelegt betrieben werden. Als Elektrolyt wird wiederum verdünnte Schwefelsäure (H2SO4) verwendet, allerdings in einer höheren Konzentration als bei Classic-Batterien.

•Positive Platte: Diese besteht aus einem Gitter aus Hartblei, in dem die aktive Masse als Paste aus Bleioxiden eingedrückt bzw. pastiert wird. Das Gitter dient als Träger der aktiven Masse und als Stromleiter während der Ladung und Entladung. Die aktive Masse besteht wie bei der Classic-Batterie aus Bleidioxid (PbO2). Diese wird auf elektrochemischem Wege in der Produktion während der Formation (anodische Reaktion) aus Blei, Bleiglätte (PbO) und Mennige (Pb3O4) hergestellt.

Wegen der dünnen Platten, beträgt die Lebensdauer von AGM-Batterien im Allgemeinen nur 5–7 Jahre. Spezielle Ausführungen können jedoch eine Lebendsauer von 10–12 Jahren unter idealen Bedingungen erreichen.

Da bei der AGM-Batterie eine gute Anbindung zwischen der in Vlies aufgesaugten Säure und den Bleiplatten sichergestellt sein muss, können nur Platten mit einer glatten Oberfläche, also Gitterplatten, verwendet werden. Ebenfalls ist für die bessere Verbindung zwischen Platten und Vlies auch ein gewisser Druck notwendig, so werden die Plattensätze vom Batteriegehäuse zusammengepresst. Durch den daraus folgenden geringeren Abstand zwischen den Platten kann nur weniger Elektrolyt eingefüllt werden. Um das elektrochemische Gleichgewicht zwischen Blei- und Säuremenge trotzdem her­zustellen, muss ein Elektrolyt mit einer höheren Konzentration (Säuredichte) verwendet werden. Wegen der höheren Säuredichte haben AGM-Batterien bei vergleichbarem Volumen eine höhere Kapazität, allerdings auch eine geringere Lebensdauer.

•Negative Platte: Die wirksame Masse ist fein verteiltes schwammiges Blei, einpastiert in ein Gitter aus Hartblei. Der Aufbau entspricht damit der positiven Gitterplatte.

•Separation: Beim AGM-Akkumulator nehmen spezielle Glasfasermatten zwischen den Bleiplatten die Batteriesäure auf. Um Kurzschlüsse zwischen den positiven und negativen Platten zu vermeiden, ist die Qualität des Vlieses von entscheidender Bedeutung. Einerseits soll es möglichst viel Säure aufnehmen können und daher möglichst makroporös sein, andererseits soll es Kurzschlüsse verhindern und daher mikroporös sein. Der gute Kompromiss ist meist das Geheimnis des Herstellers.

•Gasung: Im Betrieb, also beim Laden und Entladen, entstehen während der Ladung und Ladeerhaltung Wasserstoff- und Sauerstoffgas. Dieses, auch Knallgas genannt, kann wegen der Struktur des Vlieses nicht ungehindert aufsteigen. Der Sauerstoff O2 der an der positiven Platte entsteht, wird von der negativen Platte elektrostatisch angezogen und rekombiniert mit dem dort entstehenden Wasserstoff H wieder zu Wasser.

Dieser Rekombination ist es zu verdanken, dass kein Wasser nachgefüllt werden muss und auch darf, wodurch die Wartungsfreiheit der Batterie entsteht. Daher beschränkt sich die regelmäßige Wartung auch auf eine einfache Überprüfung. Dazu jedoch später noch mehr.

Qualitativ gute wartungsfreie AGM-Batterien sind aufgrund ihrer guten Kapazitätsdichte bei USV- (Unterbrechungsfreie Stromversorgungen) und Notbeleuchtungs-Anlagen sehr beliebt. Die güns­tigeren AGM-Batterien mit geringerer Lebensdauer werden in kleinen PC-USV-Anlagen, Alarmanlagen und Spielzeugen verwendet.