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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. Hier ist er auch unter dem Namen Solarladeregler oder Solar-Batterie-Laderegler bekannt. Er wird in Serie zur Batterie platziert. Solange die Batterie geladen wird, wird einfach das Solarmodul mit der Batterie verbunden. 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.

Moderne Solarladeregler unterbrechen nicht einfach die Stromzufuhr sondern regeln die Stromzufuhr mittels Pulsweitenmodulation, wenn sich die Batteriespannung der Ladeendspannung nähert. So können für die Batterie optimalere Ladezyklen gefahren werden.

Solarladeregler sind, dank den grossen Stückzahlen, heute recht günstig und in verschiedenen Ausbaustufen verfügbar:

• Der einfache Laderegler hat nur einen Solareingang und einen Batterieausgang und ist nur für die entsprechende Batteriespannung anwendbar.

• Wenn die Entladeströme nicht zu gross sind, z.B. für ein Beleuchtungssystem ohne Wechselrichter, lohnt es sich, einen Solarladeregler einzusetzen, welcher die Verbraucher abschalten kann, sobald die Batterie leer ist. Dies kann die Lebensdauer der Batterie erheblich verlängern. Je nach Intelligenz des Solarladereglers kann die Abschaltung der Verbraucher über die Batteriespannung oder über die Restladung geschehen.

• Wenn bei der Projektierung die Batteriespannung noch nicht bekannt ist, oder das System später umgebaut werden sollte, kann auch ein Serieladeregler eingesetzt werden, welcher die Batteriespannung selbständig erkennt.

Beim einfachen Solarladeregler ist darauf zu achten, dass die Solarmodulspannung zur Batteriespannung passt. D.h. die optimale Arbeitsspannung vom Solarmodul (Spannung bei max. Leistung) sollte nur leicht höher liegen als die Ladeendspannung der Batterie. Da das Solarmodul beim Laden direkt mit der Batterie verbunden wird, wird die Modulspannung auf die Batteriespannung 'heruntergerissen'. Die Modulspannung oberhalb der Batteriespannung wird nicht ausgenutzt und der Wirkungsgrad der Anlage verkleinert. Ist die Modulspannung viel höher als die Batteriespannung, lohnt sich der Einsatz eines MPPT-Ladereglers.

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 und somit auch am Laderegler. 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, dass er 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.

Der Lastwiederstand wird oft auch gleich als Heizung eingesetzt. So beispielsweise in Berghütten, wo dann der Lastwiderstand mithilft, die Hütte zu heizen.

Der Nachteil vom einfachen Parallelladeregler ist, dass nur eine IU-Ladekurve möglich ist. Dies bedeutet, dass nur zwei Ladestufen möglich sind:

1) Laden mit dem von der Quelle abgegebenen Ladestrom.

2) Ladeendspannung halten.

Eine Ausnahme bietet der Energiemanager von Energiemanager von Phocos. Hier kann die Spannung der Erhaltungsladung batterieschonend eingestellt werden.

Laderegler mit MPPT

Der MPPT-Laderegler (Maximum-Power-Point-Tracker) ist vom Prinzip her ein intelligenter DC/DC-Converter, welcher die Eingangsspannung vom Solarmodul oder Turbine so anpasst, dass der optimale Arbeitspunkt erreicht wird. Die Anpassung geschieht, indem der Eingangsstrom soweit angepasst wird, bis die maximale Leistung (und damit der maximale Batterieladestrom) erreicht wird. Die Eingangsspannung muss immer höher sein als die Batteriespannung, da der MPPT-Ladereger die Spannung nur herunter wandeln kann.

Mit solchen Ladereglern kann der Wirkungsgrad der Anlage erheblich gesteigert werden und es können auch Solarmodule eingesetzt werden, welche eigentlich für Netzverbundanlagen vorgesehen sind. Solche Module sind dank der grösseren Stückzahlen in der Produktion oft günstiger.

Die MPPT-Laderegler sind einiges teurer als die einfachen Serie-Laderegler. Weil jedoch Solarmodule für Netzparallelbetrieb nur halb so teuer sind, kommt eine Anlage mit MPPT-Laderegler meistens günstiger und hat erst noch den besseren Wirkungsgrad.

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 mit Lichtmaschine

In Fahrzeugen wie Wohnmobilen, Camper oder Verkaufsfahrzeugen wie auch in Booten wird die Batterie oft über eine Lichtmaschine geladen. Je nach Branche wird die Lichtmaschine auch Alternator genannt.

Der Alternator wurde für das Laden von Starterbatterien entwickelt und hat relativ einfache Ladeeigenschaften. Zuerst wird mit einem von der Drehzahl der Lichtmaschine abhängigen Ladestrom geladen, bis die in der Lichtmaschine vorgegebene Ladeendspannung erreicht ist. Danach wird einfach diese Ladeendspannung gehalten.

Wird für die Verbraucherbatterie ein Batterietrennrelais oder ein Batteriesplitter eingesetzt, so wird diese zweite Batterie mit den gleichen Ladeeigenschaften geladen.

Gerade für Gel oder AGM-Batterien welche für den Zyklenbetrieb gebaut wurden, ist dies nicht optimal. Diese Batterien werden dann z.T. nicht voll geladen, was zu Sulfatisierung führen kann, oder weil sie dauernd an einer hohen Ladeendspannung hängen, ist die interne Oxydation grösser und damit die Lebensdauer kleiner.

Um die Ladung der Zweitbatterie zu verbessern kann anstelle von Trennrelais oder Batteriesplitter ein Ladewandler eingesetzt werden (Siehe auch unten bei Ladebooster).

Als alternative kann der Alternator auch mit einem intelligenten Lichtmaschinenregler ausgestattet werden. Dieser Lichmaschinenregler steuert den Alternator dann so, dass die Batterie wie mit einem 4-Stufen Ladegerät geladen wird.

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.

Um nun beide Batterien laden zu können, ohne diese parallel zu schliessen, gibt es verschiedene Lösungen:

Batteriesplitter

Beide Batterien werden über je eine 'Diode' parallel geladen. Die Diode verhindert, dass bei der Entladung nur die entsprechede Batterie belastet wird.

Da aber die klassischen Dioden einen Spannungsabfall von 0.7V haben, was z.B. bei 100A eine Verlustleistung von 70W ausmachen würde, werden heute z.T. Mosfets eingesetzt

Der Nachteil dieser Lösung ist, dass beide Batterien gleich geladen werden. Der Starterbatterie kann man so nicht die erste Priorität geben.  

Batterietrennrelais

Die Versorgerbatterie wird durch ein Relais von der Starterbatterie getrennt. Die Ladung ist an der Starterbatterie angeschlossen. Sobald die Spannung an der Starterbatterie einen entsprechenden Wert erreicht hat, detektiert das Trennrelais, dass die Batterie geladen wird und schaltet die Versorgungsbatterie auch an die Ladung. Sobald die Ladespannung wieder sinkt, wird die zweite Batterie von der Starterbatterie getrennt. So ist sichergestellt, dass ohne Ladung nur die Versorgerbatterie durch die Verbraucher belastet wird.

Der Vorteil ist, dass bei tiefer Entladung und geringen Ladeströmen (z.B. durch Ladegeräte, Solarmodule oder Windgeneratoren) immer zuerst die Starterbatterie geladen wird.

Der Nachteil ist, dass beim Zuschalten doch erhebliche Stromspitzen auftreten können, wenn die Batterien noch unterschiedlich geladen sind.

Beim Batterietrennrelais werden Starterbatterie und Verbraucherbatterie mit der gleiche Spannung geladen. Oftmals sind jedoch Starter- und Verbraucherbatterie nicht vom gleichen Typ. Die Straterbatterie ist meistens eine Nasszellen-Batterie. Bei der Verbraucherbatterie werden oft wartungsfreue und verschlossene Gel-Batterien oder auch AGM-Batterien eingesetzt. Starterbatterien und Versorgerbatterien sollten deshalb auch unterschiedlich geladen werden. Damit die Verbraucherbatterie nun optimal geladen werden kann, sollte anstelle des Batterietrennrelais ein Ladewandler (auch Lade-Booster genannt) eingesetzt werden.

Lade-Booster

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. Weiter wird im Gegensatz zu Bleibatterien nimmt die Kapazität nicht ab bei grosse Entladeströme. Deshalb ist diese Batterie gerade bei Traktionsanwendungen wie Elektromobile, Elektroboote usw. sehr beliebt.

Lithium-Ionen-Batterien gibt es in unzähligen Varianten. Die Zellen haben auch je nach Chemie eine unterschiedliche Ladeendspannung. Deshalb können die Ladegeräte auch nicht einfach untereinander 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.

Wenn eine Bleibatterien überladen wird, strömt Wasserstoff und Sauerstoff aus, was im schlimmsten Fall zu Explosionen führen kann. Wird eine Li-Ion-Batterie überladen, strömt ätzendes und giftiges Gas  und krebserregender Staub aus. Die Gase können Flusssäure enthalten, welche zu irreparablen Lungenschäden führen können.

Um dies zu verhindern sollte unbedingt ein  Batteriemanagementsystem (auch BMS genannt) eingesetzt werden.

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.  Weiter sollte die Spannung der einzelnen Zellen von Zeit zu Zeit auf unterschiede kontrolliert werden. Es empfiehlt sich auch, die Batterie nicht bis zur Ladeendspannung zu laden, wenn auf ein BMS verzichtet wird.

Weiter sind die Zellen und die Spannungen von Zeit zu Zeit zu prüfen. Sollte eine Zellen einen Schluss haben, werden andere Zellen überladen und es kommt zum Gasaustritt.

Batteriemanagementsystem

Mittlerweile werden unter dem Namen Batteriemanagementsystem (BMS) eine Vielzahl von unterschiedlichen Schaltungen angeboten.

Doch BMS ist nicht gleich BMS:

Über- und Unterspannungsschutz

Die einfachste Form wäre, die Batterie gegen Überladen und Tiefentladung zu schützen, ähnlich einem Batteriewächter im Bleibereich.

Da aber die Einzelnen Zellen immer noch unterschiedliche Ladezustände aufweisen können (weil die Zellen herstellungsbedingt leicht andere Kapazitäten haben oder unterschiedlich altern) bietet diese Art von BMS keinen grossen Schutz.

Batteriemonitor

Einige Hersteller bieten unter dem Namen BMS ein System an, welches nur über den Zustand der Batterie informiert. Es zeigt z.B. die Restladung der Batterie an und informiert über allfällige Störungen wie Überladung oder Tiefentladung einzelner Zellen. Die Geräte sind nicht mit Leistungselektronik bestückt und können das Laden oder Entladen der Batterie nicht unterbrechen. Diese Batteriemonitore bieten höchstens einen digitalen Ausgang, mit welchem allenfalls ein Hochleistungsrelais oder Leistungselektronik beeinflusst werden könnte. 

Batteriemonitoren bieten zwar kein Schutz, sind aber zusätzlich zu einem BMS eine grosse Hilfe, wenn es darum geht, den Ladezustand der Batterie anzuzeigen.

Protecting Board

Viele Chinesische Batteriehersteller bieten diese Schutzschaltung bereits als Batteriemanagementsystem an. Das System überwacht die einzelnen Zellen und unterbricht den Ladevorgang oder schaltet den Verbraucher ab, wenn eine Zelle ausserhalb der zulässigen Spannung ist.

Solche Systeme schützen die Batterie wirkungsvoll.

Im Gegensatz zur Bleibatterie merkt man bei diesem System aber nicht, wann nur noch eine geringe Restladung vorhanden ist. Sobald eine Zelle leer ist, schalte das Board abrupt aus und man hat keine Reserve mehr.

Diese Protcting Board sind in der Regel nicht fähig, unterschiedliche Ladezustände der Zellen durch sog. 'Balancing' auszugleichen. Wenn nun die Ladezustände der Zellen durch Alterung und Ladvorgängen auseinander driften, nimmt die Kapazität der gesamten Batterie ab, obwohl die einzelnen Zellen immer noch die volle Kapazität hätten. Dies kommt daher dass die Zelle, welche bei der Entladeabschaltung noch nicht entladen war, beim Laden vorzeitig die Ladeendspannung erreicht.

Zellen-Print

Bei einer geringen Anzahl Zellen, lohnt sich der Einsatz von Zellenprints.

Gute Zellenprints sind fähig, die Ladezustände auszugleichen (balancing) und bieten auch die Möglichkeit, über einen Kontakt die Ladung und Entladung zu unterbrechen.

Es ist darauf zu achten, dass das Ladegerät auf die Zellenprints abgestimmt ist. Wenn der Ausgleichsstrom vom Balancing grösser ist, als der Abschaltstrom (Cut Off Current) vom Ladegerät, schaltet das Ladegerät nie in den Modus 'Batterie geladen'.

High-End BMS

Ein gutes BMS überwacht jede Zelle und kann den Ladevorgang unterbrechen oder die Last von der Batterie trennen, wenn unerlaubte Spannungen auftreten.

Beim Laden werden die einzelnen Ladezustände durch Balancing angeglichen, um eine maximale Ladung zu erhalten.

Das BMS sollte die Möglichkeit bieten, den Anwender über den Ladungszustand der Batterie zu informieren, damit der Anwender bei tiefem Ladezustand entsprechend reagieren kann.

Weiter kann ein gutes BMS auch die Temperatur der Batterie überwachen.

Um das BMS auf die Anwendung und Batterie anzupassen, sollte es parametrierbar sein.

Anwendungen solcher Batteriemanagementsystemen finden Sie unter http://www.maurelma.ch/BMS_applikat.htm

Weitere Infos über Batterien finden Sie unter: http://www.maurelma.ch/batterien.htm

Mehr Infos auch bei den einzelnen Produkten im Shop