11111111111111111111111 1111111 1·2013 - Index of

Stromversorgungstechnik
kumulatoren sorgen aber konstruktive Be­
sonderheiten dafür, dass sich überhaupt
nur an der positiven Elektrode Gas entwi­
ckelt, das durch den sogenannten Sauer­
stoffkreistauf an der negativen Elektrode
wieder absorbiert wird [2]. Dadurch ist der
gasdichte und wartungsfreie Aufbau erst
möglich.
Der Sauerstoffkreislauf führt auch zu einer
Verschiebung der elektrochemischen Po­
tenziale an den beiden Elektroden. Um die
positive Elektrode vollständig zu laden, ist
daher eine höhere Spannung notwendig.
Bild 5 zeigt das Ergebnis einer wissen­
schaftlichen Untersuchung [9], bei der
Bleigel-Akkumulatoren mit verschiede­
nen Spannungen geladen wurden. Bei 14,4
V erreichte der Akkumulator eine Lebens­
dauer von rund 600 Zyklen, bei Ladung
mit nur 13,8 V dagegen nur etwa 100 Zy­
klen. Beachten Sie, dass manche Modelle,
wie zum Beispiel der in Bild 4 gezeigte
Akkumulator, aufgrund einer anderen che­
mischen Feinabstimmung bis zu 14,9 V
Ladespannung brauchen.
Bei einer ähnlichen Untersuchung [10]
führte die Ladung von Bleigel-Akkumula­
toren mit nur 2,23 V pro Zelle (entspre­
chend 13,38 V für einen 12-V-Akkumula­
tor) bereits nach nur neun Zyklen zu einem
Verlust von rund 20% der ursprünglich
vorhandenen Kapazität. Bei Ladung mit 2,3
V pro Zelle (entsprechend 13,8 V bei einem
12-V-Akkumulator) und jeweils vollständi­
ger Entladung hatten die Akkumulatoren
nach 25 Zyklen etwa 23% der ursprüng­
lichen Kapazität verloren. Erst bei einer La­
dung mit 2,4 V pro Zelle (entsprechend
14,4 V bei einem 12-V-Akkumulator) trat
dieser starke Kapazitätsverlust nicht auf.
Einige der durch Unterladung geschädig­
ten Akkumulatoren wurden zerlegt und
analysiert. Die Ursache für den Kapazi­
tätsverlust war, dass sich ein großer Teil
des chemisch aktiven Materials an der po­
sitiven Elektrode trotz Ladung noch im
entladenen Zustand befand. Eine vollstän­
dige Ladung der positiven Elektrode er­
fordert also die angegebene, relativ hohe
Spannung.
Dieselbe Untersuchung [10] beschreibt
auch ein Verfahren zur Regenerierung von
Bleigel-Akkumulatoren, die durch Unter­
ladung geschädigt wurden. Dazu wurden
die betroffenen Akkumulatoren für 48 h
mit 2,4 V pro Zelle geladen. Danach war
wieder die vollständige Kapazität vorhan­
den.
Ähnliche Ergebnisse berichtet eine andere
Forschergruppe [11]. Der Fall betraf einen
Bleigel-Akkumulator, der als Pufferbatte­
rie in einer Solaranlage eingesetzt war.
Nach sechs Monaten mit nur teilweiser
Ladung ergab eine Messung einen Kapa­
zitätsverlust von 20% seiner Nennkapa-
52 • FA 1113
110
K{%]
100
90
80
70
60
c-!'-..
. \" I\
\ \
13BV
r-...
.... .. ..
r--
\
"\ \
4� 14�
0 100 200 300 400 500 60
z
Bild 5: Erreichbare Lebensdauer (Zyklenzahl
Z) eines Bleigel-Akkumulators in Abhängigkeit
von der Ladespannung nach [9]
zität. Eine Regeneration war durch die im
Kasten dargestellte Ladestrategie möglich.
Anschließend hatte der Akkumulator wie­
der die volle Kapazität.
• Andere Ausfallursachen
Es gibt auch eine Reihe von Alterungsvor­
gängen, die sich nicht rückgängig machen
lassen und die schließlich zum Ausfall des
Akkumulators führen. Dazu gehört die un­
vermeidbar voranschreitende Korrosion
des Stromableiters der positiven Elektro­
de, der aus elektrochemischer Sicht in ei­
ner ähnlichen Situation ist, wie die im
Schiffbau verwendeten Opfer-Anoden.
Den Stromableiter schützt allerdings eine
bei der Korrosion entstehende Oxid­
schicht, weshalb die Korrosion nur lang­
sam stattfindet. Wenn ein Bleiakkumulator
nicht vorher aufgrund anderer Schäden
ausfällt, ist die Lebensdauer durch diese
Korrosion begrenzt. Bild 6 zeigt, wie ein
durch Korrosion geschädigter Stromablei­
ter aussieht.
Die Geschwindigkeit der Korrosion
nimmt mit steigender Temperatur zu. Es
ist also günstig, einen Bleiakkumulator
möglichst kühl zu betreiben und zu lagern.
Bei Akkumulatoren, die als Notstromre­
serve an eine Erhaltungsladung ange­
schlossen sind, hat die Ladespannung ei­
nen erheblichen Einfluss auf die Ge­
schwindigkeit der Korrosion. Der exakte
Mögliche Ladestrategie zur Regenerierung
von Bleigel-Akkumulatoren
Phase Bedingungen
I Laden mit einem konstanten Strom
von Iw, bis eine Spannung von 2,35 V
pro Zelle erreicht ist.
2 Laden mit einer konstanten Spannung
von 2,35 V pro Zelle, bis der Strom
aufO,l · Iw gesunken ist.
3 Laden mit einem konstanten Strom
von 0,1 · Iw. bis dem Akkumulator
insgesamt 112% seiner Nennkapazität
zugeflossen sind.
Wert der idealen Ladespannung hängt
allerdings von der chemischen Feinab­
stimmung des jeweiligen Modells ab; hier
sind die Herstellerangaben zu beachten .
Darüber hinaus hat der Anwender kaum
einen Einfluss auf die Gitterkorrosion.
Andere Ausfallursachen sind die nachlas­
sende Elastizität des Separators zwischen
den Elektroden und der Verlust an struktu­
rellem Zusammenhalt des chemisch akti­
ven Materials der positiven Elektrode.
Diese Schäden lassen sich zwar nicht
rückgängig machen, aber durch richtige
Behandlung des Akkumulators verlangsa­
men. Beide Effekte treten umso stärker
auf, je mehr der Akkumulator entladen
wird.
Bild 7 zeigt den Zusammenhang zwischen
Entladetiefe und Lebensdauer am Beispiel
der Bleigel-Akkumulatoren von Panaso­
nic. Bei vollständiger Entladung erreicht
der Akkumulator eine Lebensdauer von et­
wa 200 Zyklen. Beim Entladen mitjeweils
nur 30% seiner Nennkapazität beträgt die
Lebensdauer dagegen 1200 Zyklen. An­
ders ausgedrückt: Wenn man den Akku­
mulator jeweils nur zu einem Drittel ent­
lädt, dann hält er das sechsmal so oft
durch. Innerhalb seiner Lebensdauer
transportiert der Akkumulator dann dop­
pelt so viel elektrische Energie vom Lade­
gerät zum Verbraucher.
Der Grund für diesen erheblichen Unter­
schied ist die Änderung des Volumens der
Elektroden beim Laden und Entladen. An
der positiven Elektrode entstehen aus 1 cm3
chemisch aktivem Material im geladenen
Zustand 1,96 cm3 im entladenen Zustand.
An der negativen Elektrode ist die Volu­
menänderung noch stärker. Hier bilden
sich aus 1 cm3 chemisch aktiven Materials
im geladenen Zustand 2,46 cm3 im entla­
denen Zustand. Bei vollständiger Entla­
dung erfährt das komplette Elektrodenma­
terial diese Volumenänderung, bei einer
teilweisen Entladung aber nur der entspre­
chende Teil des Materials, wodurch die
mechanische Belastung des Akkumulators
entsprechend geringer ausfällt. Auch aus
diesem Grund ist es günstig, einen Bleiak­
kumulator frühzeitig nachzuladen. Wie
oben ausgeführt wurde, lässt sich damit
außerdem die schädliche Sulfatierung ver­
meiden.
Aus Sicherheitsgründen ist ein Bleiakku­
mulator außer Betrieb zu nehmen, wenn er
sich während einer regulären Ladung auf
eine Temperatur von mehr als 60 oc erhitzt
oder wenn der Ladestrom während der La­
dephase mit konstanter Spannung nicht
auf nahezu Null abfällt, wie in Bild 3 ge­
zeigt. Auch wenn der Akkumulator etwa
die Hälfte seiner Kapazität verloren hat,
ist ein Ersatz angebracht. In allen genann­
ten Fällen könnte die oben beschriebene,