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Wissenswertes zum Laden von Batterien

Bei unserm Mobilitätsverhalten werden Batterien als Stromspeicher immer wichtiger. Sie sichern uns Unabhängigkeit und Komfort.

Dieser Text soll Anhaltspunkte geben, wie und mit welchen Quellen Batterien geladen werden können. Auch wenn es vorab primär um die Bleibatterien geht, werden auch weitere Batterietypen beschrieben.

Bleibatterien werden nach wie vor am Häufigsten eingesetzt.

Serieladeregler

Der Serieladeregler wird in der Photovoltaik eingesetzt. Er wird in Serie zur Batterie platziert. Ist die Batterie voll, wird die Stromzufuhr unterbrochen. Anstatt die Zuleitung im Plus- oder Minusleiter zu unterbrechen, kann auch bei voller Batterie die Solarzelle kurz geschlossen werden. Ein Serieladeregler sollte nicht eingesetzt werden, wenn die Energiequelle aus einem rotierenden Generator besteht. Die Induktivität der Generatorspule kann beim Unterbrechen eine erhebliche Spannungsspitze erzeugen, welche das Schaltelement im Regler sofort oder schleichend zerstören kann.

Parallelladereger (Lastregler)

Beim Einsatz von rotierenden Generatoren darf weder der Generator kurzgeschlossen, noch die Zuleitung einfach unterbrochen werden. Ein Kurzschliessen des Generators würde auf kurz oder lang die Wicklung verbrennen.

Da die Wicklung des Generators induktiv ist, führt das Öffnen der Zuleitung zu unzulässig hohen Spannungsspitzen am Generator. Das Schaltelement des Reglers hat so nur eine sehr begrenzte Lebensdauer.

In vielen Anwendungen wie Peltonturbine, Wasserrad, usw., ist es zu vermeiden, dass das System unbelastet betrieben wird, weil sonst die Drehzahl eine unzulässige Grösse erreicht.

 Die einzig sinnvolle Alternative ist, die überschüssige Leistung in einem Lastwiderstand zu verheizen, wenn die Batterie voll ist.

Ob die Batterie mit Solarzellen, mit einem Windgenerator, einer Wasserturbine oder ähnlicher Energiequelle geladen wird, das Prinzip des Lastreglers kann immer verwendet werden. Der Serieladeregler sollte jedoch nur bei Solarzellen eingesetzt werden.

Der Nachteil des Lastreglers ist halt, dass er eben noch eine Ersatzlast (Widerstand) benötigt. Dieser muss zum Teil auch auf die Bedürfnisse angepasst werden, was mit zusätzlichen Kosten verbunden ist.  Weiter muss die allfällige Wärme des Lastwiderstandes abgeführt werden.

Batterie-Ladegerät

Wenn ein 230VAC-Netz zur Verfügung steht, können die Batterien selbstverständlich auch mit einem handelsüblichen Ladegerät geladen werden. Ein gutes Ladegerät findet selber heraus, ob es sich um eine 'normale' oder eine Gel-Batterie handelt. Die Gel-Batterie hat eine höhere Ladeendspannung. Diese Allzweckgeräte können für Motorradbatterien, Autobatterien, usw. eingesetzt werden. Entscheidend ist der minimale und der maximale Strom, welche die Ladegeräte liefern. Dieser Strom sollte auch mit den Werten der Batterie übereinstimmen.

Im Handel werden Batterieladegeräte angeboten, welche selber erkennen können, ob es sich um eine 12V oder 24V Batterie handelt. Diese Ladegeräte sind mit Vorsicht zu behandeln, können sie doch bei einem 24V-System ausser Tritt fallen und dann nur auf die Ladeendspannung einer 12V Batterie laden. Diese Gefahr besteht vor allem, wenn die Batterien tief entladen wurden und noch an der Last angeschlossen sind. Fällt nun die Batteriespannung der 24V Batterie unter 14V, meint das Ladegerät, es handelt sich um ein 12V-System.

Ladegeräte sind für die verschiedenen Batteriespannungen erhältlich. Die Batteriespannung 36V wird vor allem in der Eisenbahntechnik eingesetzt. Batteriesysteme mit 48V sind doch eher selten, da fast keine Komponenten dazu erhältlich sind. Sie werden vor allem in netzunabhängigen Telekommunikationsanlagen  eingesetzt.

Bei Ladegeräten sollte auch vermehrt auf den Wirkungsgrad geachtet werden, da die Batterieladegeräte unter Umständen doch eine lange Zeit im Einsatz sind.

Vorsicht ist geboten mit Ladegeräten, welche speziell für Starterbatterien beim Auto entwickelt wurden. Mit diesen Ladegeräten wird oft die Batterie nicht voll geladen. Bei dieser Anwendung geht es primär darum, die Batterie soweit zu laden, dass das Starten des Autos wieder möglich ist. Die Batterie soll dann vom Alternator des Autos voll geladen werden.

Um die Batterie zu schonen soll beim Kauf eines Ladegerätes auch darauf geachtet werden, dass der Oberwellenanteil der Gleichspannung möglichst gering ist.

Erhaltungsladung

Bei handelsüblichen Ladegeräten kann man auch unterscheiden zwischen solchen, welche über Monate an der Batterie angeschlossen bleiben um den Ladezustand zu erhalten, und solche Geräte, welche die Batterie zerstören, wenn sie bei voller Batterie nicht abgehängt werden. In der Regel sind Schnellladegeräte nicht geeignet für die Erhaltungsladung.

Wir empfehlen, nur die Geräte über längere Zeit an der Batterie angeschlossen zu lassen, bei welchen der Hersteller oder Lieferant dies auch ausdrücklich erwähnt.

Wie z.B. die CTEK-Ladegeräte.

Diese stellen die neueste Entwicklung der Ladetechnik dar. Diese elektronischen Ladegeräte sind mit herkömmlichen Laden nicht mehr zu vergleichen, da sie den Ladestrom vollautomatisch an den Ladezustand der Batterie anpassen und regeln. Daher können diese Batterielader auch Monate an der Batterie angeschlossen bleiben; - ein überladen ist unmöglich. Sie sind verpolungssicher und für alle Blei-Säure-Batterien (Offene, MF, GEL und AMG) geeignet. CTEK-Ladegeräte sind universell einsetzbar! PKW, Boot, Garten, Motorrad, Wohnwagen, Schneescooter, LKW, Landwirtschaft...

Laden von mehreren Batterien

Gerade in Spezialfahrzeugen werden oft zwei Batteriesysteme eingesetzt. Ein System wird zu Starten des Motors verwendet, das andere z.B. als Fahrgastinformationssystem im Linienbus, als Versorgungssystem im Boot oder Camper, usw.

Beide Batterien werden vom gleichen Alternator, den selben Solarzellen oder auch vom selben Windgenerator gespiesen.

Die Starterbatterie sollte nun immer geladen sein, sodass der Motor auch bei entladener Versorgungsbatterie gestartet und die Versorgungsbatterie über den Alternator wieder geladen werden kann.

Damit nur die Versorgungsbatterie entladen wird, werden Trennrelais eingesetzt.

Nun kann es sein, dass die Versorgungsbatterie weit vom Alternator und der Starterbatterie entfernt ist oder sogar auf einem Anhänger platziert wurde.

Der Spannungsabfall über den Leitungen kann nun dazu führen, dass die Versorgungsbatterie gar nie richtig geladen wird und so vorzeitig ausfällt.

Mittlerweile werden Geräte Booster-Ladegeräte angeboten, welche einen internen DC/DC-Converter haben. Mit diesem Converter wird die zu tiefe Spannung auf der Zuleitung auf die Batterieladespannung hochgesetzt. Fällt die Spannung an der Zuleitung zu tief, dass befürchtet werden müsste, dass sich die andere Batterie entladen könnte, stellt das Booster-Ladegerät ab. Somit wird auch kein Trennrelais benötigt.

Lebensdauer der Batterie

Einsatzart

Wie lange ein Akku brauchbar ist, hängt stark vom Einsatz und der Wartung ab. Deshalb sind Garantieversprechen bei Batterien immer eine heikle Sache

Vorab ist es wichtig dass die Batterie nicht zweckentfremdet wird. Das heisst, die Batterie soll für das eingesetzt werden, wofür sie entwickelt wurde. Eine Auto-Starterbatterie eignet sich weniger für eine Solaranlage. Oder für einen elektrischen Rollstuhl, Golfcaddy oder ein Elektroroller sollen zyklenfeste Akkus und nicht Batterien für allgemeine Anwendung eingesetzt werden. Umgekehrt ist eher möglich. Batterien für allgemeine Anwendungen eignen sich eher als Stützbatterie für Notstromversorgungen, wo die Batterie nicht so oft entladen und wieder geladen wird.

Zyklenbetrieb

Jede tiefe Entladung nagt an der Lebensdauer der Batterie. Je tiefer die Batterie entladen wird, desto schädlicher ist es für den Akku. Bei Zyklenfesten Batterien ist die Herstellerangabe zu den Anzahl Zyklen zu beachten. Dabei ist es wichtig, dass man nicht Äpfel mit Birnen vergleicht. Viele Hersteller geben die Zyklenzahl bei 80% Entladung, andere bei 100% Entladung an. Die Zahl bei 100% Entladung ist in der Regel viel kleiner.

Wichtig ist beim Zyklenbetrieb, dass die Batterie nicht zu tief entladen wird. Vor allem bei Golf Trolleys, Elektrofahrräder elektrischen Rollstühlen usw. ist darauf zu achten, dass das Gerät bei der unteren Entladespannung abstellt. Gerade bei Golf Trolleys wurde beobachtet, dass viele Batterien nach einem Jahr schon übermässig stark an Kapazität verloren haben.

Weiter gilt es zu beachten, dass die Batterien vor dem Einsatz auch korrekt geladen werden. Es lohnt sich nicht, beim Ladegerät zu sparen. Für solche Anwendungen empfehlen wir ein Ladegerät von Ctek oder Powerfirst.

Im Kleinstkraftwerk

Meistens wird die Batterie in einem Picokraftwerk stationär eingesetzt. Wenn es sich nun um eine Batterie handelt, deren Säure nicht in einer Glasmatte (AGM) oder Gel gebunden ist, kann sich mit der Zeit die Säure vom Wasser scheiden. Dies, weil das spezifische Gewicht (Dichte) der Säure grösser ist als die des Wassers. Deshalb sollten solche Batterien von Zeit zu Zeit kontrolliert überladen werden. Die Wasserstoff-Sauerstoff- Blasen, welche beim überladen entstehen durchmischen das Elektrolyt wieder. Bei mobilen Anwendungen ist dies weniger problematisch.

ACHTUNG: Komplet verschlossene Batterien (GEL, AGM, VRLA) dürfen auf keinen Fall so stark überladen werden. Das entstehende Sauerstoff-Wasserstoffgemisch könnte nicht mehr in genügender Weise abgebaut werden. Es entsteht daraus ein starker Überdruck in der Zelle, welcher sich über die Ventile entlädt. Dies führt zum Ausfall der Batterie.

Das Überladen der Batterie darf nur in gut belüfteten Räumen ausgeführt werden, da das Sauerstoff-Wasserstoffgemisch (Knallgas) hoch explosiv ist.

Überladen sollte die Ausnahme und nicht die Regel sein. Ein Überladen der Batterie wird im Betriebsfall durch einen Laderegler verhindert. Es gibt auch intelligente Laderegler, wie der PL20 Energiemanager, welche eine parametrierbare Überladung steuern können.

Bei Batterien, welche von Zeit zu Zeit überladen werden, sollte der Säurestand öfters kontrolliert werden.

Eine grosse Gefahr beim Einsatz in Wind-, Wasser- oder Solarkraftwerken besteht auch, dass die Batterie nie richtig voll geladen wird.  Man bezieht schon wieder Energie, obwohl die Ladeendspannung nicht erreicht wurde. Der Ladezustand ist immer in der Schwebe und man spricht von einem Verhungern der Batterie. Es bildet sich eine Sulfatschicht auf den Platten was sich negativ auf die Kapazität und den Innenwiderstand auswirkt. Versuche haben gezeigt, dass diese Sulfatschicht durch pulsartige Entladung verringert und so die Lebensdauer erhöht werden kann. Mittlerweile sind deshalb Geräte wie der Megapuls auf dem Markt erhältlich, welche diese pulsartige Entladung autonom ausführen. 

Auch im Kleinstkraftwerk sollte ein Tiefentladen der Batterie unbedingt verhindert werden. Werden ausser einem intelligenter  Wechselrichter keine weiteren Verbraucher angeschlossen, wird das Abschalten bei Unterspannung vom Wechselrichter selber übernommen. Ansonsten muss darauf geachtet werden, dass die Entladespannung nicht unterschritten wird. 

Allgemeines

Egal, ob mit einem Picokraftwerk oder mit einem Ladegerät geladen wird, wichtig ist, das die Bleibatterie auch wirklich voll geladen wird.

Wird eine Batterie nie richtig voll geladen, verkürzt sich die Lebensdauer enorm.

Im Gegensatz zu den Ni-Cd Akkus sollte eine komplette Entladung bei der Bleibatterie vermieden werden. Eine sog. Tiefentladung wirkt sich negativ auf die Lebensdauer aus.

Auch soll eine Batterie nicht überladen werden, d.h. höher geladen werden als die Ladeendspannug. Wird ein Bleiakku überladen, entsteht Wärme und das Wasser in der Batterie wird zersetzt in Wasserstoff und Sauerstoff. In Wartungsfreien (verschlossenen) Zellen kann ein Überdruck entstehen und die Gase strömen über Sicherheitsventile aus der Batterie.

Serie geschaltete Batterien

Batterien werden in Serie geschaltet, um die nutzbare Spannung zu erhöhen. D.h. der Pluspol der einen Batterie wird mit dem Minuspol der anderen Batterie verbunden.

Wurden die Batterien schon in der Serieschaltung entladen, können diese auch wieder in Serie geladen werden. Übliche Nennspannungen sind 24V, 36V und 48V. Höher geht man äusserst selten. 36V-System findet man bei der Eisenbahn und zum Teil bei Elektro-Scooter. 36V-Ladegeräte sind eher selten zu finden auf dem Markt.

Bei einem 48V-System ist darauf zu achten, dass die Ladespannung schon mal über die 50V-Grenze steigt, was bei Berührung schon zu Stromschlägen führen kann. Die Pole sollten deshalb nicht mehr offen zugänglich sein.

Es dürfen nur Batterien mit gleicher Kapazität in mit gleichem Alter in Serie geschaltet werden. Es sollten auch nie Batterien in Serie geschaltet werden, welche nicht gleich stark geladen sind. Die Batterien sind vor der Serieschaltung immer einzeln (oder parallel) zu laden. Bei der Serieschaltung verdoppelt sich nur die Spannung. Die Kapazität bleibt die gleiche. Wenn Sie z.B. zwei 12V Batterien mit je 20Ah in Serie schalten, so haben Sie ein Batteriesystem mit 24V, jedoch immer noch mit 20Ah.

Da für 12Volt günstigere Ladegeräte in einer grösseren Vielfalt erhältlich sind, kommt man in die Versuchung, die Batterien für die Ladung parallel zu schalten. Die Erfahrung hat gezeigt, dass dies moderne Ladegeräte aus dem Konzept bringen und sich mit der Zeit unterschiedlichen Ladezustände einstellen können. Es ist deshalb zu empfehlen, bei Entladung in Serie geschaltete Batterien auch in Serie oder einzeln zu laden.

Parallel geschaltete Batterien

Um die Speicherkapazität zu erhöhen, können Batterien auch parallel geschaltet werden. D.h. der Pluspol der einen Batterie wird mit dem Pluspol der anderen Batterie verbunden. Dasselbe mit dem Minuspol. Dabei ist es sehr wichtig, dass es Batterien vom gleichen Typ sind so dass die Spannungen identisch sind. Auch sollten die Batterien beim Zusammenschalten einigermassen gleich geladen sein, da erhebliche Ausgleichsströme entstehen können. Beim Parallelschalten wird die Kapazität verdoppelt.

Gasbildung

Bleibatterien sollten immer in gut belüfteten Räumen platziert werden.

Batterien welche nicht verschlossen sind (wartungsfrei) dürfen nicht in verschlossenen Räumen geladen werden. Wenn die Batteriespannung beim Laden sich im Bereich der Ladeendspannung befindet beginnt der Ladestrom das Wasser der Batterie in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuteilen. Die Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff nennt man Knallgas. Dieses Gas führt bei entsprechender Konzentration und Zündquelle zu einer Explosion.  

Verschlossene, wartungsfreie Batterien sind so konstruiert, dass das Knallgas innerhalb der Batterie wieder zu Wasser wird. Bei zu grossen Ladeströmen reicht jedoch der Katalysator nicht mehr aus. Das erzeugte Knallgas führt zu einem Überdruck in der Batterie und zum Öffnen der Überdruckventile.

Bei den klassischen Bleibatterien, welch stationär montiert sind, ist die Bildung von Knallgas resp. das Überladen der Batterie von Zeit zu Zeit gewollt. Durch längeres Stehen kann sich in den Nasszellen die Säure vom Wasser trennen, da die Säure eine höhere Dichte aufweist. Durch das Überladen bilden sich Gasblasen, welche das Elektrolyt wieder durchmischen.

Werden für die Solaranlagen oder die Windanlage Nasszellen eingebaut, sollte der Laderegler fähig sein, z.B. einmal pro Monat die Batterie zu überladen, oder wie man so schön sagt, zum Kochen zu bringen. Für solche Fälle empfiehlt Maurer Elektromaschinen z.B. ein Regler aus der Familie der Energiemanager PLX.

Lithium-Ionen Batterien (Li-Ion)

Die Li-Ion-Akkus bestechen durch ihre Energiedichte. Eine LieFePO4 hat zwar nahezu das gleiche Volumen, ist aber höchstens halb so schwer. Weiter können mit Li-Ion-Batterien um Faktor mehr Zyklen gemacht werden.

Lithium-Ionen-Batterien gibt es in unzähligen Varianten. Deshalb können die Ladegeräte auch nicht einfach untereinender getauscht werden. Für jede Batterie muss das richtige Ladegerät eingesetzt werden.

Die Batterien sind auch nicht so gutmütig wie die Bleibatterien. So können bei einigen Typen Brände oder Detonationen entstehen wenn sie überladen oder zu rasch entladen werden. In Serie geschaltete Zellen der Li-Ion Batterien haben auch nicht die Fähigkeit die Ladespannung anzugleichen, indem sie die Energie bei voller Zelle in Wärme umsetzen, wie dies bei der Bleibatterie der Fall ist.

Will man eine Li-Ion-Batterie möglichst bis an die Grenzen nutzen oder mehrere Zellen in Serie schalten, empfiehlt es sich, ein Batteriemanagementsystem (auch BMS genannt) einzusetzen.

Ein BMS überwacht die Spannung und den Strom jeder einzelnen Zelle. Wenn ein Wert ausserhalb vom zulässigen Bereich liegt, wird mindestens eine Warnung herausgegeben. Bessere sind fähig, das Batterieladegerät auf die Batterie abgestimmt zu steuern.

Die einzelnen Zellen können von der Fertigung her leicht unterschiedliche Kapazitäten aufweisen.  Es ist vorteilhaft, wenn das BMS fähig ist, die Ladung der Zellen auszugleichen (balancing), dass bei der Ladung keine Zelle eine Überspannung erhält, obwohl die Ladeendspannung der Batterie noch nicht erreicht wurde.

Je nach Batteriemanagement werden einzelne Werte während er Ladung und Entladung gespeichert und können später ausgelesen werden.

Wenn man wegen der geringen Anzahl von Zellen auf ein Batterie Management verzichtet, sollten die Zellen noch den Vorgaben vom Lieferanten zuerst geladen werden, bevor diese zusammengebaut werden. 

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