Laden und Entladen

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Laden und Entladen
Laden und Entladen1. Entladen der Batterie,
Verlauf der Spannung 2. Wiederaufladen der
Batterie und Entwicklung der Säureschichtung
3. Ausgleichsladung - Beseitigung aller
Auswirkungen des Ladens und Entladens in
einem Zellverbund 4. Batterie im vollgeladenem
Zustand halten
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Anforderungen an das Laden
Laden

• 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 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 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
a automatische Abschaltung
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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 und geringeres Risiko für Überladung
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 zu klein ist, dann dauert die Ladung zu lange, wenn U zu groß ist, dann wird die Batterie ständigk und Lebensdauer verkürzend überladen.
IU0U Übliche Ladekennlinie für Bereitschaftsparallelbetrieb zu relativ schneller aber trotzdem schonender Ladung
I0IUIa Beispiel für eine der zahlreichen Ladekennlinien aus dem Bereich Traktionsbatterien für Gabelstapler.
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Schematische Darstellung einiger Ladeverfahren
a) Konstantstrom - Konstantspannung, IU-Ladung
b) Konstantstrom - Konstantspannung mit 2
Ladeendspannungsniveaus, IU0U-Ladung
c) Konstantstrom - Konstantspannung -
Konstantstrom mit begrenzter Lademenge oder
begrenzter Ladezeit, IUIa-Ladung
IUI-Ladung ist nur möglich, wenn Nebenreaktionen
vorliegen und nur bei Bleibatterien üblich!
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Vorschläge für Laden bei zyklischen Belastungen
Laden
(Für zyklische Belastung von Bleibatterien)
Gutladung Schlechtladung
? Langsame Entladung ohne Stromspitzen ? Hohe Ladeströme, solange sich die Batterie in einem niedrigem Ladezustand befindet ? Niedrige Ladeströme am Ende der Ladung ? Geringe Überladung (geringer Ladefaktor) ? Schnelle Entladung und hohe Stromspitzen während der Entladung ? Niedrige Ladeströme ? Hohe Überladung (Spannung und/oder Ladungsmenge) ? U statt I - Ladung in der Nachladephase
Gutladung und Schlechtladung Begriffe von Winsel
und Bashtikalova
Die Kapazität von Batterien in Flurförderzeugen -
zyklische Belastung mit relativ geringen
Entladeströmen und relativ hohen Ladeströmen,
regelmäßige Volladung - nimmt im allgemeinen am
Anfang der Nutzung zu. Grund könnte "Gutladung"
sein. Bei anderen Anwendungen ist nicht unbedingt
eine Kapazitätszunahme zu erwarten, die
Ladebeindungen sind ungünstiger.
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Strom und Spannungsverlauf bei einer IUIa-Ladung
Laden
I Anfangsladestrom für Hauptladung 20 A/100Ah Üblicher Bereich Gabelstapler 16 - 40 A pro 100Ah, PkW und USV-Bereich bis zu 120 A pro 100Ah U Umschaltung bei 2,4 V pro Zelle (Messung an den Polen! meistens ohne Temperaturmessung). SOC beträgt bei Umschaltung ca. 92 . I Umschaltung bei 4 A/100Ah zur Volladung Ziel Elektrolytdurchmischung und kompletter Umwandlung von Bleisulfat Nach Ladeende erfolgt eine Auffrischungsladung, damit Batterie immer "voll" bleibt.
Batterie 80V / 600 Ah
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Strom und Spannungsverlauf bei einer IUIa-Ladung
Laden

Gealterte Zelle mit Antimonvergiftung Bei gleicher Spannung ist der Anteil des Stroms, der nur zur Elektrolyse führt, größer. ? Batterie wird beim Laden wärmer ? Laden dauert länger ? Höherer Energiebedarf ? Größerer Wasserbedarf ? Ladeende wird u.U. nicht mehr korrekt erkannt. ? einige Zellen im Batterieverbund werden ggf. nicht vollgeladen und sulfatieren.
Batterien mit höherer Gasungsrate haben nicht
unbedingt eine geringere Kapazität, aber sie sind
schwieriger vollzuladen und die dadurch
entstehende Mangelladung führt zu einem
Kapazitätsverlust!
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Laden
Ladezustandsunterschied zwischen der positiven
und negativen Elektroden
IBatt,pos IBatt,neg
IHR,pos INR,pos IHR,neg INR,neg
Vernachlässigung von Korrosionsströmen,
etc. Aber Während der Ladung
IHR,pos IHR,neg (solange Nebenreaktionen
vernachlässigt werden
können) Nur bei vollständig geladenen
Elektroden INR,pos INR,neg
Negative Elektrode (Pb) wird schneller
vollgeladen als positive Elektrode

• Gründe
• Oberflächen der positiven und negativen Masse
  sind unterschiedlich
• Austauschstromdichte der Nebenreaktionen sind für
  die positive und negative Elektrode stark
  unterschiedlich, für die Hauptreaktion aber
  ähnlich!

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Laden
Die Ladung einer Zelle (zwei Elektroden) ist
kompliziert genug Bei der Ladung einer Batterie
wird die Ladekennlinie durch die 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
• Die Spannungslage der einzelnen Zellen kann stark
  vom Durchschnitt abweichen.
• 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 gelegentlich eine
  Ausgleichsladung erforderlich.

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"Krieg der Spannungen"
Laden
? Gleiche Spannung aller Zellen in
Hauptladephase ? Steiler Spannungsanstieg
einer Zelle bis auf über 3 V/Zelle ?
Stromreduzierung durch Ladegerät ?
Spannungsverminderung der anderen Zellen ?
Einige Zellen werden überladen, andere nicht
vollgeladen ? Volladung aller Zellen erst
nach sehr langer Zeit

Lebensdauerverlängerung durch "ChargeEqualizer"
bzw. andere Produkte, die durch
Einzelspannungsmessung der Zellen den Ladestrom
regeln.
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Austrocknen von VRLA Zellen - Wasserverlust
Laden

• Zelle 1 wird überladen,
• Gasbildung übersteigt Rekombinationsvermögen
• Ventil öffnet
• Wasserverlust - Gel bzw. Vlies trocknet aus
• Temperaturanstieg wegen höherer Gasung und
  Rekombination und höherem ohmschen Widerstand des
  austrocknenden Elektrolyten
• Zelle 2
• Zelle verliert kein Wasser, Rekombinationsquote
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• Eventuell Unterladung, weil Strom des Ladegeräts
  bei Ladung mit Ukonstant zu früh für Zelle 2
  abgeregelt wird

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Warum überhaupt Volladung?
Laden

1. Nur dann steht die maximale Energie zur Verfügung
   (Elektrofahrzeug, Laptop, "RAPS" (remote area
   power supply)
2. Messtechnisch gut definierter Zustand
3. Bei Bleibatterien Regelmäßige Volladung
   verhindern die Ausbildung großer
   Bleisuflatkristalle (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
• Batterien mit wässrigem ElektrolytBildung von
  atomarem Wasserstoff und Sauerstoff, der stark
  oxydierend wirkt und chemisch sehr aggressiv ist
  auf alle möglichen Bestandteile einer
  ZelleGasbildung in der porösen
  Elektrodenstruktur
• Temperaturerhöhung beschleunigt chemische
  Alterungsprozesse
• Bei Batterien ohne gewünsche NebenreaktionenSpan
  nungserhöhung induziert unerwünschte
  Nebenreaktionen, z.B. Zersetzung des
  Elektrolyten, andere Korrosionsprozesse)

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Ladeende
Laden

• LadefaktorAnnahme Es wird unterstellt, daß die
  Nebenreaktionen der Batterie gering sind. Bei
  sehr hohen Temperaturen (z.B. Traktionsbatterien
  mit hohem Energiedurchsatz) und Batterien mit
  Alterungseffekten der negativen Elektrode
  (Wasserstoffüberspannung ist 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 verringerter Wasserstoffüberspann
  ung besteht das Risiko, dass der Grenzwert nicht
  erreicht wird. Batterien 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 Ladung führt.
• Feste Zeit nach Erreichen eines stabilen Werts
  für Spannung und StromStabiles
  Abschaltkriterium! (Kriterium nach DIN-EN
  60896-11)
• In der Praxis Die Batterie ist vollgeladen,
• wenn das Ladegerät das Abschaltkriterium erkannt
  hat.

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Ladeende
Laden
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
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 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.Batteriete
mperatur wie bei geschlossenen Batterien DIN EN
60896-11 (geschlossene ortsfeste
Blei-Akkumulatoren) und -21 (verschlossene
Blei-Akkumulatoren) 13.2 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. Messgeräte Genauigkeitsklasse 0,5
des gesamte Messaufbaus (bei Strom Leitung und
Messwiderstand), Innenwiderstand der
Spannungsmessung mindestens 1 kOhm/V
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Ladeende bei NiCd-Batterien - dU und d²U/dt²
Kriterium
Laden
d²U/dt² Wenn der Wendepunkt der Temperaturentwicklung (td) oder Spannungsentwicklung (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. Bei Ladezeiten im Bereich von einer Stunde und weniger ist die Abkühlung auf Grund des reversiblen Wärmeeffekts (T?S) messbar (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 die Rekombinationswärme der Nebenreaktion -Temperatur steigt an -Spannung sinkt Das Ladeende erfolgt, wenn die Spannung um einen bestimmten Betrag gesunken ist, wird also erst dann erkannt, wenn bereits eine schädigende Temperaturer-höhung stattgefunden hat.
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Ladedauer
Laden

• 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 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-Batterien
• ohne negative Auswirkung auf die Lebensdauer
  möglich. Aber
• Bei sehr hohen Ladeströmen ist eine
  Temperaturüberwachung und
• Einzelspannungsüberwachung der Zellen notwendig!

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Auswahl des Ladeverfahrens
Laden

• Investitionskosten - steigen überproportional mit
  Nennstrom und Anschlussleistung
• Zeit innerhalb der ca.95 der Kapazität wieder
  eingeladen sind (Gesamtsystem ist dann wieder
  einsatzbereit)
• 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)
• Einsatzflexibilität
• Energieverbrauch immer noch keine wirkliche
  wirtschaftliche Relevanz, weil die Energiekosten
  noch so niedrig sind
• Hochwertige Ladegeräte machen sich bezahlt!

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Wirkungsgrad
Laden

• Ladefaktor
  Eingeladene Ah-Menge / entnommene Ah-
• 
  Menge
• Coulombscher Wirkungsgrad Entnommene Ah-Menge /
  eingeladene Ah-
  Menge
• "Voltaischer Wirkungsgrad" Mittlere
  Entladespannung / mittlere
  Ladespannung
• Energetischer Wirkungsgrad Entnommene Energie /
  eingeladene
  Energie
• Einflussfaktoren
• Stromdichte
• Ladekennlinie und Ladegerätetechnik
• Volladung erforderlich, oder nicht
• Typische Daten für den energetischen Wirkungsgrad
  sind
• PV 90 und darüber (nur
  Batterie)
• USV Wegen Dauerladung keine Aussage
  sinnvoll
• Flurförder- ca. 60 - 70 (nur Batteriezeuge
  ca. 40 - 60 inkl. Ladegerät
• HybridPKW ca. 94 (auch bei Bleibatterien,
  weil keine Volladung durchgeführt
  wird)

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Ausgleichsladung
Ausgleichsladen
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. a) Keine der Zellen der Batterie sind
vollgeladen Problem der "Volladung",
Problematik wird manchmal fälschlicherweise mit
Thema Ausgleichsladung in Verbindung
gebracht. Erster Schritt Ladekennlinie und
Schaltpunkte der Kennlinien verändern b) Nur
wenige Zellen (höhere Temperatur,
Produktionsunterschiede wie z.B. Kapazität
oder 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
Unterscheidung zwischen Ausgleich innerhalb einer
Zelle und zwischen Zellen! Säuredichte,
Ladezustand und Mikrostruktur müssen
vergleichmäßigt werden!
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Ausgleichsladen
Der inhomogenste Zustand am Ende der Ladung
(qualitativ)
Negative Elektrode
Positive Elektrode
0 100 SOC
0 100 SOC
Unterschiedliche Säuredichten und Ladezustände
führen zu unterschiedlichen Mikrostrukturen!
Ladezustand ändert sich nicht, wenn nur der
Elektrolyt durchmischt wird!
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Ladeerhaltungsstrom
Ladeerhaltung
? Max. 5A eff. pro 100 Ah oder ? 3 C Temperaturzunahme (IEEE) ? Darüber hinausgehender Wechselstromanteil verkürzt die Lebensdauer
"Laden"
"Entladen"
Gleichgewicht ?IHR,Entl.dt ?(SOC)
?IHR,Ladendt
Bei USV-Anwendungen mit Wechselstromlasten und
bei ungleichmäßig belasteten Drehstromnetzen ist
die dominierende Frequenz des Batteriestroms
immer 100 Hz.
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Entsteht Bedarf für eine Ausgleichsladung auch
während der Ladeerhaltung?
Ausgleichsladen
Inhomogenitäten 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 lt 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
Abschätzung Ca. 20 mF für 12 V, 100
Ah-Batterie INR 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 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
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 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.
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Ausgleichsladung Probleme innerhalb einer Zelle
Ausgleichsladen

• 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 im
  Elektrolyten hochperlt.
• Problem der Volladung, das mit Mitteln der
  Ausgleichsladung beseitigt werden muss!
• 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, mechanische
  Belastung, oxydativer 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
  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.
• Bei manchen Batterien mit geringer vertikaler
  Beweglichkeit des Elektrolyten kann die
  Säureschichtung so gut wie gar nicht mehr durch
  Laden beseitigt werden.

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Ausgleichsladung Probleme innerhalb einer Zelle
Ausgleichsladen
Inhomogenität der Säurekonzentration
Beseitigung während der Ladeerhaltung
Hauptreaktion Lineare Approximation der
BV-Gleichung IHR io,HR x A x (nF/RT)(E-Eo,HR)
Nebenreaktion Tafel-Approximation der
BV-Gleichung INR io,NR x A x exp(anF/RT)(E-Eo,NR
) INR ist überlall gleich!!
Iunten1,3 (E-Eo1,3) / (E-Eo1,15) x
Ioben1,15 Verhältnis der Hauptreaktionsströme
bei Säuredichte 1,3 und 1,15 bei 2,40 V
Iunten 0,625 Ioben 2,23 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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Ausgleichsladung Probleme innerhalb einer Zelle
Ausgleichsladen
Inhomogenität des Ladezustands Inhomogener oder
nicht ausreichender Ladezustand der Elektroden
oder einer Elektrode ist eine 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 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(anF/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 konstanter Spannung
sind die anderen Elektrodenbereiche nicht
betroffen. Bei einer normalen Ladung ist das
Verhältnis von IGasung zu ISelbstentladung größer
10. Nach Alterung kann das aber anders sein, und
die Ladeerhaltung reicht nicht aus, um derartige
lokale Ladezustandsunterschiede zu beseitigen.
Beispiel dafür Kupferstreckmetallbatterie mit
Beschichtungsfehler Kupfer ist nicht durch
Bleischicht abgedeckt.
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Ausgleichsladung Probleme zwischen Zellen
Ausgleichsladen

• Säuredichte-, Ladezustands- und
  Mikrostrukturunterschiede
• Gründe sind
• Unterschiedliche Temperaturen (externe Wirkung
  oder Fehler) führt zu unterschiedlichem
  Verhältnis von Gasungs- und Hauptreaktionsstrom,
  sowie zu anderen Korrosions- und
  Selbstentladeströmen
• 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.
• 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 verschlechtert Aktivmasse
  gemäß Kugelhaufenmodell)
• Säuredichteunterschiede werden nur dann
  beseitigt, wenn sie auf Mangelladung /
  Sulfatierung zurückzuführen sind.

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Ausgleichsladung Probleme von allen Zellen
Ausgleichsladen

• Wenn es im Ladeerhaltungsbetrieb nicht gelingt,
  alle Zellen im optimalen Zustand zu halten
• Unzureichender Ladezustand (damit gekoppelt
  Säureschichtung) ist ein Problem der Volladung
  (Ladekennliniensteuerung) oder der
  Betriebsbedingungen (Ladezeit oder Ladeleistung
  reichen nicht aus) Lösung Ladekennlinie
  verbessern und/oder Betriebsbedingungen und/oder
  regelmäßige "Sondermaßnahme ( "Ausgleichsladung"
  bzw. echte Volladung)
• Unterschiede der Mikrostruktur oder
  PassivierungsschichtenFertigungsprobleme und
  Temperaturungleichmäßigkeiten, die zu lokal
  unterschiedlichen Alterungseffekten
  führen.Wirkung von Ausglichsladung bzgl. Beider
  Effekte unklar.
• 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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Ausgleichsladung - Zusammenfassung
Ausgleichsladen

• Erforderlich, damit auch die Zelle mit der
  höchsten Temperatur und den
• ungünstigsten katalytischen Eigenschaften im
  Zellverbund vollgeladen wird.
• Notwendigkeit einer Ausgleichsladung hängt ab
• vom Batterietyp Strom in der Ladeerhaltungsphase
  ist gering und/oder verändert sich stark bei
  Änderungen von Betriebsbedingungen/Alterungsprozes
  sen
• 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 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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Ausgleichsladung - Zusammenfassung
Ausgleichsladen
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 Batterie) für 8 Stunden Bei
verschlossenen Batterien Ladung mit 2,4 2,45
V/Zelle oder 1A/100 Ah für 8 Stunden. Wiederholun
g alle 6 Monate, bei Batterien mit unzureichenden
Betriebsbedingungen ggf. jede Woche
(Traktionsbatterie) oder jeden Monat (erneuerbare
Energiesysteme).