■Nickel-Cadmium-Batterien■■■■GeflutetVersiegeltNierenförmige AnschlussplatteFlache AnschlussplatteÜberblick BleibatterienDie grundlegende, chemische Reaktion von Bleisäure ineinem Schwefelsäure-Elektrolyt, wo das Sulfat derSäureanteil in der Reaktion ist, ist:PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 2PbSO 4 +2H 2 + 1 ⁄2 O 2Die Säure verringert sich nach Entladung und erneuert sichnach Aufladung. Wasserstoff und Sauerstoff bilden sichwährend des Entladens und des ständigen Aufladens (weilständiges Aufladen die Selbstentladung bekämpft). Ingefluteten Batterien entkommen Sauer- und Wasserstoffund Wasser muss periodisch hinzugeführt werden. BeiVRLA-Batterien wird die Säure zusätzlich durch eineabsorbierte Glaswolle oder ein Gel aus dem Verkehrgezogen. Die Glaswolle ist ähnlich beschaffen wieFiberglasisolatioren, die in Häusern verwendet werden. Erfängt den Wasserstoff und den während der Entladunggebildeten Sauerstoff ein und erlaubt ihnen zu migrieren,so dass die beiden Elemente miteinander reagieren undWasser bilden. Dies ist der Grund, warum VRLA-Batterienverglichen mit gefluteten (nassen, belüfteten) Bleibatteriennie hinzugefügtes Wasser benötigen.Eine Batterie hat alternierende positive und negativeAnschlussplatten, die in gefluteten Bleibatterien von einemmikroporösen Gummi, in VRLA-Batterien von einerabsorbierten Glaswolle, in VRLA-Gel-Batterien von einerGel-Säure und in Nickel-Cadmium-Batterien von einerPlastikplatte getrennt werden. Alle gleichpolarenAnschlussplatten sind zusammengeschweißt und an ihrersachgerechten Position. Im Fall von VRLA-Batterien wird einwenig Druck auf das Anschlussplatte-Stein-Anschlussplatte-Sandwich ausgeübt, um einen guten Kontakt zwischenihnen zu halten. Darüber hinaus gibt es einselbstversiegelndes Überdruckventil (PRV: Pressure ReliefValve), welches Gase entlüftet, wenn einÜberdruckausgleich stattfindet.Überblick Nickel-CadmiumDie Nickel-Cadmium-Chemie ist in dem Punkt mit derBleisäure-Chemie identisch, dass es auch hier zweiunterschiedliche Metalle in einem Elektrolyt gibt. Diewesentliche Reaktion in einem Kaliumhydroxid-Elektrolyt ist:2 NiOOH + Cd +2 H 2 O Ni(OH) 2 + Cd(OH) 2Dennoch, in NiCd-Batterien geht das Kaliumhydroxid (KOH)nicht in die Reaktion mit ein, wie es bei Schwefelsäure inBleibatterien der Fall ist. Der Aufbau ist dahingehendidentisch mit dem von Bleibatterien, dass alternierendepositive und negative Anschlussplatten in einem Elektrolyteingeschlossen sind. Selten gesehen, aber verfügbar, sindversiegelte NiCd-Batterien.BATTERIEAUFBAU UND -BEZEICHNUNGJetzt, da die notwendigen Grundlagen über die Batterie-Chemie erklärt wurden, bis auf die Tafel-Kurve,Ionendiffusion, Randels Äquivalentzellen, etc., beschäftigenwir uns mit dem Batterieaufbau. Eine Batterie besteht ausverschiedenen Bestandteilen, um richtig zu funktionieren:einem Gefäß und einer Abdeckung, um alles zusammen zuhalten, einem Elektrolyt (Schwefelsäure oderKaliumhydroxid-Lösung), negativen und positivenAnschlussplatten, Top-Anschlüssen, die alle gleichpolarenAnschlussplatten zusammenschweißen, und schließlichPosten, die ebenfalls mit den Top-Anschlüssen dergleichpolaren Anschlussplatten verbunden sind.Alle Batterien haben genau eine negative Anschlussplattemehr als positive Anschlussplatten. Dies kommt daher, dadie positive Anschlussplatte die Arbeitsplatte ist. Wenn eskeine negative Anschlussplatte an der Außenseite derletzten postiven Anschlussplatte gäbe, hätte die kompletteAußenseite der letzten positiven Anschlussplatte nichts mitdem sie reagieren und Elektrizität erzeugen könnte.Deshalb gibt es in Batterien immer eine ungerade AnzahlAnschlussplatten. Zum Beispiel besteht eine 100A33Batterie aus 33 Anschlussplatten: 16 positive und 17negative. In diesem Beispiel wird jede positiveAnschlussplatte mit 100 Ah eingestuft. Wenn man 16 mit100 multipliziert, ergibt sich die Kapazität für einen 8-stündigen Batterieeinsatz, nämlich 1600 Ah. In Europa wirdein etwas anderer Rechenansatz verwendet, als in den USA(dieser basiert auf einem 10 Stunden Intervall bei einerTemperatur von 20°C).In Batterien, die eine höhere Kapazität aufweisen, gibt esoft 4 oder 6 Posten. Diese werden benötigt, um eineÜberhitzung der stromführenden Komponenten derBatterie während eines hohen Stromflusses oder eineübermäßig lange Entladung zu vermeiden. Eine Bleibatteriebesteht aus einer Serie von Anschlussplatten, die mit einemTop-Anschluss verbunden ist, der wiederum mit Postenverbunden ist. Wenn der Top-Anschluss, die Posten und dieinterzellularen Anschlüsse nicht ausreichend groß genugsind, um die Elektronen sicher zu führen, kann es zu einerÜberhitzung kommen (i 2 R Hitze), die entweder die Batterieoder in den schlimmsten Fällen die elektrischen Gerätedurch Rauch oder Feuer beschädigt.Um dem Berühren der Platten und dem Kurzschließen derBatterie vorzubeugen, gibt es je einen Trenner zwischenden Anschlussplatten.Abbildung 1 zeigt eine Vier-Posten-Batterie, in die man vonoben durch die Abdeckung hindurchblickt. Die Trenner sindnicht eingezeichnet.FEHLERMÖGLICHKEITENFehlermöglichkeiten bei Bleibatterien (geflutete)■ Korrosion der positiven Steuerelektrode■ Anhäufung von Ablagerungen (Shedding)■ Korrosion des Top-Anschlusses■ Sulfatierung der Anschlussplatten<strong>HANDBUCH</strong> <strong>ZUR</strong> BATTERIEPRÜFUNG 3
Intercell Connector 1 Intercell Connector 2Plate#15 (neg)Negpost 1 Pos post 1Cell #1Cell #2Plate #1 (neg) )Neg “top lead”Pos“top lead ”Negpost 2Pos post 2Intercell connector 4Intercell connector 3Abbildung 1: Batterieaufbau■ Schwere Kurzschlüsse (klebende Masse)Bei jedem Batterietyp können viele Fehler auftreten, einigedavon häufiger und andere weniger oft. Für gefluteteBleibatterien sind die häufigsten Fehler oben aufgelistet.Einige von ihnen treten während des Betriebs, wie zumBeispiel die Anhäufung von Ablagerungen durch zuübertriebenes periodisches Ent- und Aufladen. Andereerfolgen natürlich, wie zum Beispiel die Korrosion derpositiven Steuerelektrode (Oxidation). Es ist nur eine Frageder Zeit, bis die Batterie versagt. Wartungs- undUmweltbedingungen können die Risiken vorzeitigenBatterieversagens steigern oder senken.Die erwartete Ausfallform für geflutete Bleibatterien ist dieKorrosion der positiven Steuerelektrode. DieSteuerelektroden sind Bleilegierungen (Blei-Calcium, Blei-Antimon, Blei-Antimon-Selium), die sich mit der Zeit zuBleioxid umwandeln. Wenn das Bleioxid ein größererKristall ist als die Bleimetalllegierung, wächst dieAnschlussplatte. Wenn Batterien entwickelt werden, istdiese Wachstumsrate bekannt und wird berücksichtigt. Invielen Merkmalslisten auf dem Boden des Batteriegefäßesist eine Angabe über den Spielraum für dasAnschlussplattenwachstum in Übereinstimmung mit derbewerteten Lebenszeit gemacht (z.B. 20 Jahre).Nach Ablauf der geplanten Lebensdauer sind dieAnschlussplatten so stark gewachsen, dass sie den Top-Anschluss der Batterie sprengen könnten. Aberübermäßiges periodishes Durchlaufen, Temperatur undÜberspannung können die Korrosion der positivenSteuerelektrode auch beschleunigen. Die Impedanz wird imLaufe der Zeit übereinstimmend mit dem Anstieg deselektrischen Widerstands für die Stromführung in derSteuerelektrode ansteigen. Wenn die Restleistung abnimmt,wie es in der Kurve in Abbildung 2 dargestellt ist, steigtauch die Impedanz.Die Anhäufung von Ablagerungen (Shedding) ist dasErgebnis des periodischen Durchlaufens, das eine Batterieertragen muss. Dieser Fehler taucht am häufigsten bei UPS-Batterien auf, bei anderen jedoch auch. Als Sheddingbezeichnet man die Abschürfungen von wirksamer Massean der Anschlussplatte, die sich zu weißen Bleisulfatenumwandelt. Die Bildung von Ablagerungen ist der zweiteGrund dafür, weshalb Batterie-Produzenten genügendSpielraum am Boden des Batteriegefäßes für Ablagerungenlassen. Der Spielraum ermöglicht Ablagerungen bis zu demPunkt, in dem ein Kurzschluss quer durch den Boden derAnschlussplatte ausgelöst wird und die Batterieunbrauchbar wird. Die Pufferspannung wird sinken und derBetrag des Spannungabfalls hängt davon ab, wie stark derKurzschluss ist. Shedding ist in einer angemessenen Summenormal.Einige Batterieaufbauten haben ihre Anschlussplatten soeingewickelt, dass die Anschlussplatte den Ablagerungenstandhält und die Ablagerungen nicht zu Boden sinken.Aus diesem Grund sammeln sich Ablagerungen inBatterieaufbauten mit eingewickelten Anschlussplattennicht an. Eingewickelte Anschlussplatten werden amhäufigsten für UPS-Batterien verwendet.Die Korrosion des Top-Anschlusses, welche an derAnbindung von Anschlussplatten und Posten auftritt, ist4 <strong>HANDBUCH</strong> <strong>ZUR</strong> BATTERIEPRÜFUNG