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 Plastik-Blei-Säure-Batterie. 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.
Über den Autor
Isidor Buchmann ist der Gründer und Geschäftsführer von Cadex Electronics Inc., in Vancouver BC. Herr Buchmann hat fundierte Basiskenntnisse in der drahtlosen Kommunikation und studierte über zwei Jahrzehnte hinweg das praktische Verhalten von wiederaufladbaren Batterien und ihre täglichen Verwendungen. Als Autor gewann er Auszeichnungen für viele Artikel und Bücher über Batterien. Herr Buchmann's technische Ausführungen gingen rund um die Welt.
Cadex Electronics ist Hersteller von fortschrittlichen Batterieladegeräten, Batterieanalysern und PC-Software. Für Produktinformationen besuchen Sie bitte www.cadex.com.