Ladeverfahren für Blei-Akkus in USVs

Akkus schnell und schonend laden - Teil 2

In Teil 1 dieses Artikels wurden der Stand der Ladetechnik und die Anforderungen an einen neuen Ladealgorithmus dargestellt. Teil 2 hat nun die genaue Analyse des neuen Ladeverfahrens zum Thema.

 

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Bild 5. Der neue, adaptive Strom-Stufen-Ladealgorithmus arbeitet mit mehreren Konstantstrom-Ladephasen und kommt ohne Konstantspannungs-Ladephase aus.

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Bild 5. Der neue, adaptive Strom-Stufen-Ladealgorithmus arbeitet mit mehreren Konstantstrom-Ladephasen und kommt ohne Konstantspannungs-Ladephase aus.

Die von den Nebenreaktionen hervorgerufenen Verluste werden durch das spannungsgesteuerte Strom-Stufen-Ladeverfahren (Bild 5) erheblich gesenkt. Beginnend mit dem Maximal-Ladestrom wird bei Erreichen der temperaturkompensierten Umschaltschwelle U_TG der Ladestrom sukzessive verringert, bis wiederum eine von der Temperatur abhängige Stromschwelle unterschritten wird, welche dann die Hauptladephase beendet und die Vollladephase – auch EHL-Phase genannt – einleitet.

Die in Tabelle 1 zusammengefassten Messwerte zeigen, dass sich mit dem Strom-Stufen-Ladeverfahren die Ladezeit gravierend verringert, in der die Akku-Spannung über der thermischen Grenzspannung liegt.

Die thermische Grenzspannung U_TG ist so dimensioniert, dass:

- ein thermisches Durchgehen ausgeschlossen ist

- in hoher Initialladestrom verwendet werden kann,

- sie bei geschlossenen Blei-Akkus noch keine erhöhte Wasserstofferzeugung an der negativen Elektrode bewirkt.

 

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Tabelle 1. Vergleich der Ladezeiten mit UAkku ≥ U_TG. Für die Ladung wurden die Akkus vorher mit konstanter Leistung von 50 W (bzw. 400 W bei AST60S) bis zur Entladeschlussspannung von 1,6 V/Zelle entladen.

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Tabelle 1. Vergleich der Ladezeiten mit UAkku ≥ U_TG. Für die Ladung wurden die Akkus vorher mit konstanter Leistung von 50 W (bzw. 400 W bei AST60S) bis zur Entladeschlussspannung von 1,6 V/Zelle entladen.

In der Fachliteratur findet man immer wieder, dass es bei Konstantstrom-Ladungen keiner Temperaturkompensation bedarf. Dies ist aber falsch. Messungen an AGM-Akkus von Billiganbietern haben eindeutig gezeigt, dass bei fest eingestelltem U_TG, einem Initialladestrom von gerade mal 0,3 C für die 1. Stromstufe, die Umschaltschwelle U_TG ≈ 2,4 V/Zelle bis 2,45 V/Zelle bei einem Ladestrom im Bereich von 0,07 C (ca. 3. Stromstufe) nicht immer erreicht wird. Deswegen ist die Variation von U_TG mit der Temperatur fundamental, um auch solche Billig-Zellen sicher und ohne massive Vorschädigung laden zu können. Selbst bei Standard-IU-Ladeverfahren mit U_L = 2,45 V/Zelle, I_L = 0,3 C bis Ia = 0,04 C bei 25 °C – diese Werte sind deutlich unter den Maximalgrenzen des Herstellerdatenblattes – gehen diese AGM-Akkus thermisch durch. Da beim Betrieb einer USV-Anlage davon ausgegangen werden muss, dass der Temperatursensor nicht angeschlossen oder defekt sein kann, sind natürlich redundante Sicherheitsmechanismen, wie beispielsweise der Ladefaktor, zu integrieren, um damit die Stromumschaltung zu erzwingen. Besonders problematisch wird es allerdings, wenn Standard-IU-Ladeverfahren mit hohen Initialladeströmen verwendet werden. Hier wird sehr früh die Konstant-Spannungs-Phase erreicht (Tabelle 1) und damit eine hohe Spannungslage sowie eine hohe Temperatur für den überwiegenden Teil der gesamten Akku-Ladezeit. Die Folgen sind: Ankurbelung des Sauerstoffkreislaufes, Wasserverlust, Korrosion und somit eine signifikante Vorschädigung besonders bei verschlossenen Blei-Akkus.

Beim Strom-Stufen-Verfahren wird das zuvor beschriebene Problem vermieden, sofern eine geeignete Wahl für den Stufenabstand (Bild 5) getroffen wird. Die thermische Adaption der Grenzspannung U_TG sorgt gleichsam selbstregulierend für eine schonende Ladung der Zellen und also für einen guten Ladewirkungsgrad, trotz hoher Initialladeströme. Die etwas höhere Gesamtladezeit im Vergleich zum IU-Ladeverfahren ist allerdings der Preis, der für den Zugewinn an Lebensdauer des Akkus zu zahlen ist.

Allgemein lässt sich folgende Regel aufstellen: Je höher die Ladeleistung, desto komplexer werden Überwachungs-und Ladealgorithmik.

 

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Bild 6. Während des Ladevorganges (IU-Ladeverfahren) entwickeln sich an den einzelnen Zellen eines 12-V-AGM-Blei-Akkus unterschiedliche Zellspannungen [3].

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Bild 6. Während des Ladevorganges (IU-Ladeverfahren) entwickeln sich an den einzelnen Zellen eines 12-V-AGM-Blei-Akkus unterschiedliche Zellspannungen [3].

Reduktion des Serieneffektes

In USV-Anlagen werden häufig 24-Vund 48-V-Systeme eingesetzt, d.h. eine Serienschaltung aus 12 bzw. 24 Zellen. Nicht alle dieser Einzelzellen verhalten sich absolut identisch. Beim Laden zeigen sich demnach an den Einzelzellen unterschiedliche Klemmenspannungen. Diese Abweichungen verstärken sich sogar noch unter Konstant-Spannungs-Ladung, da – lax ausgedrückt – die Änderung eines inneren Parameters einer beliebigen Zelle aus dem Strang – wie z.B. der ohmsche Innenwiderstand oder SOC – sowohl die einzelnen Klemmenspannungen aller anderen Zellen als auch den Gesamtstrom durch alle Zellen beeinflusst. Das führt dazu, dass die Klemmenspannung der Zelle mit wachsender Ladung (SOC) steigt, während die anderen Zellen, deren Ladezustand (SOC) niedriger war, jetzt noch weniger geladen werden, da deren Klemmenspannungen gesunken sind (Bild 6).

Besonders bei verschlossenen Blei-Akkus entstehen herstellungsbedingt nicht zu vernachlässigende Toleranzen in den Elektrolytsättigungsgraden der Einzelzellen, die sich in einer Variation der Einzelinnenwiderstände und Einzelsäuredichten und damit der Einzelruhespannungen niederschlagen. Hinzu kommt, dass beim Laden einer AGM-Zelle auch Luftkanäle im Vlies entstehen, die in der Ruhephase wieder verschwinden. Auch dieser Prozess ist inhomogen über den Strang verteilt. Insgesamt sind dies alles Erklärungen für die experimentell ermittelbare Tatsache, dass die Einzelzellen verschlossener Blei-Akkus in der U_Ladephase erheblich weiter auseinanderlaufen – ca. 300 mV / 12-V-Block – als das bei geschlossenen Blei-Akkus mit ca. 5 mV / 12-V-Block der Fall ist. Eine Egalisierung der einzelnen Zellen geht immer zu Lasten der Lebensdauer der stärksten Zelle, was schließlich zu einer inhomogenen Alterung des Zellenverbundes führt. Bei einer Konstantstrom-Ladung fließt durch alle Zellen stets der gleiche konstante Strom. Innere Parameteränderungen einer beliebigen Zelle haben keinen Einfluss auf die Klemmenspannung aller anderen Zellen. Dadurch ist dieser Ladevorgang relativ homogen. Bild 6 stellt den zeitlichen Verlauf der Einzelklemmspannungen bei einer Konstantstromentladung mit anschließender Standard-IU-Ladung dar.

Reduktion der Erhaltungsladeenergie

Eine wesentliche Aufgabe des Akku-Managementsystems einer USV ist es, den Energiespeicher stets im vollgeladenen Zustand zu halten, damit bei einem Netzausfall die maximale Energie zur Notstromversorgung zur Verfügung steht. Dazu wird üblicherweise der Akkumulator einer permanenten Ladespannung, der so genannten Erhaltungsladespannung (kurz EHLSpannung) ausgesetzt. Aufgrund der höheren Säuredichte von ca. 1,32 gcm^–3 verschlossener Blei-Akkus gegenüber geschlossenen Blei-Akku-Zellen mit ca. 1,24 gcm^-3 bis 1,26 gcm^-3 und der sich bei Serienschaltung einstellenden Inhomogenitäten ist die EHL-Spannung im Bereich zwischen 2,25 und 2,38 V/Zelle verhältnismäßig hoch zu wählen, um auch der schwächsten Zelle eine adäquate Vollladung zu ermöglichen. Der überwiegende Anteil des EHL-Stroms geht bei verschlossenen Blei-Akkus in den Sauerstoffkreislauf mit der Folge, dass

 

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Bild 7. Die einzelnen Blei-Akku-Typen weisen eine unterschiedliche Polarisierung der positiven Elektrode im EHL-Betrieb auf (bei einer Säuredichte von 1,30 gcm^–3): a) geschlossene Zelle; b) Gel, neu; c) AGM, niedriger O2-Wirkungsgrad; d) G

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Bild 7. Die einzelnen Blei-Akku-Typen weisen eine unterschiedliche Polarisierung der positiven Elektrode im EHL-Betrieb auf (bei einer Säuredichte von 1,30 gcm^–3): a) geschlossene Zelle; b) Gel, neu; c) AGM, niedriger O2-Wirkungsgrad; d) G

Das erklärt, warum der EHL-Strom in Blei-AGM- bzw. Blei-Gel-Akkus gut vierfach größer ist als bei vergleichbaren geschlossenen Akkus. Zusammen mit der höheren EHL-Spannung ergibt sich dadurch ein erheblicher Anstieg der EHL-Energie. Diese Energie reduziert zusätzlich die Lebensdauer des Blei-Akkus und muss zudem vom Anlagenbetreiber auch noch bezahlt werden. Bild 7 zeigt schematisch die Polarisierung der positiven Elektrode verschiedener Blei-Akkus. Für geschlossene Zellen ist die Polarisierung von negativer und positiver Elektrode in den meisten Fällen symmetrisch. Da die EHL-Spannung im Falle der Standard-IU-Ladung fest eingestellt ist, wird die positive Elektrode bei verschlossenen Zellen stärker polarisiert, und in Konsequenz sinkt die Spannung an der negativen Elektrode. Ist also die EHL-Spannung zu niedrig gewählt, so kann demnach die negative Elektrode nicht mehr vollgeladen werden, gleichwohl sich die positive Elektrode in der Überladung befindet.

Ein Blei-Akku altert am wenigsten, wenn er vollgeladen im Leerlauf betrieben wird. Daraus resultiert auch die Idee, wie sie bereits in Bild 5 dargestellt ist. Statt den Blei-Akku permanent in der Überladung zu halten, wird nach der Vollladung die Ladeelektronik abgeschaltet. Sodann befindet sich der Energiespeicher im Leerlauf-Zustand (OCV), in dem nur über eine hochohmige Messleitung der Akku-Zustand überwacht und verfolgt wird. Sinkt der Ladezustand (SOC) nach Vollladung um ca. 3 % bis 5 % oder wurden bereits 23 Tage im Leerlaufbetrieb verbracht, setzt die EHL-Phase zur Nachladung erneut ein. Dadurch wird jedenfalls mindestens einmal im Monat nachgeladen.

Tabelle 2 zeigt, dass zwischen zwei Nachladungen im Durchschnitt sieben bis zehn Tage vergehen und die Nachladezeit mit 10 bis 20 min sehr kurz ist. Dadurch ergibt sich das extrem niedrige Tastverhältnis (TV) von knapp 0,1 %.

Tabelle 3 enthält, zum Vergleich mit den in Tabelle 2 angegebenen Werten des ACS-Ladeverfahrens, die jährliche Energieaufnahme bei Standard-IU-Ladung. Mit dem adaptiven Strom-Stufen-Ladealgorithmus lässt sich die Jahresenergieaufnahme durchschnittlich um den Faktor 10 reduzieren.

 

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Bild 8. Erst gegen Ende des Ladevorganges zeigen verschlossene Blei-Akkus ein vom Alter abhängiges Verhalten.

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Bild 8. Erst gegen Ende des Ladevorganges zeigen verschlossene Blei-Akkus ein vom Alter abhängiges Verhalten.

Bild 8 zeigt schematisch das Alterungsverhalten verschlossener Blei-Akkus unter Konstantstrom-Laderegime gegen Ende des Ladevorganges. Zu Beginn der Betriebszeit verhalten sich AGM- oder Gel-Akkus aufgrund des hohen Sättigungsgrades ähnlich wie geschlossene Blei-Akkus. Im Bild 8 ist dies durch das Plateau (durchgezogene Kurve) dargestellt.

Mit fortschreitender Alter

- sinkt die Polarisierbarkeit der Elektroden, d.h., die maximal erreichbare Akku-Spannung unter dem Laderegime mit konstantem Strom sinkt,

- wird aus dem Plateau mit der Steigung dU/dt < ε mit ε > 0 ein immer schmaler werdendes isoliertes Maximum.

Die Ladecharakteristik hängt von Alter und Temperatur der Zellen ab

Die Alterung verschlossener Blei-Akkus hat erheblichen Einfluss auf die Ladecharakteristik – besonders in der Nähe des Vollladeendpunktes. Mit zunehmendem Alter der Zelle:

- steigt der zur Vollladung erforderliche EHL-Strom, aufgrund des zunehmenden, vom Sauerstoffkreislauf hervorgerufen Anteils am Ladestrom,

- ändert sich die Form der Akku-Spannung als Spannungsantwort auf einen festen Konstantstrom.

Gemäß Gleichung (1) in Teil 1 dieses Artikels hängt der Verluststrom I_V auch von der Temperatur ab, also ist die Ladecharakteristik ebenso eine Funktion der Temperatur. Mit steigender Temperatur:

- steigt der am Ladeende erforderliche Vollladestrom, da der Ladestrom in dieser Phase einen größeren Anteil an Verluststrom trägt,

- sinkt bei fest gewähltem Konstantstrom die Polarisierung der Elektroden, d.h., die Spannungsantwort auf einen bestimmten eingeprägten Akku-Strom wird kleiner.

Folglich sind starre Volllade-Erkennungsmechanismen, wie sie bei Standard-Blei-Akkus eingesetzt werden, für verschlossene Blei-Akku-Zellen nicht sinnvoll. Ebenso ungeeignet sind die von der NiCd- bzw. NiMH-Ladetechnik wohlbekannten fest eingestellten Abschaltmechanismen – ΔU oder dU/dt. Des Rätsels Lösung liegt in einer geeigneten Kombination aus verschiedenen, zum Teil redundanten Volllade-Erkennungsmechanismen und in einer Wahl geeigneter Metaregeln über diese Mechanismen, welche der Dynamik der Alterung bzw. der Temperatur Rechnung tragen. Dazu wurde die Volllade- oder EHL-Stufe (Bild 5) in zwei Phasen unterteilt: Die erste Phase ist durch das Erreichen des ersten von der Temperatur abhängigen positiven Steigungskriteriums beendet.

Die zweite Phase arbeitet mit

 

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Tabelle 4. Die genannten USV-Akkus wurden zur Optimierung und Validierung des adaptiven Strom-Stufen-Ladeverfahrens verwendet.

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Tabelle 4. Die genannten USV-Akkus wurden zur Optimierung und Validierung des adaptiven Strom-Stufen-Ladeverfahrens verwendet.

Natürlich werden Sicherheitsmechanismen wie Ladefaktor, maximale Akku-Spannung oder minimale bzw. maximale Temperatur ebenfalls berücksichtigt. Ein mit der Temperatur variierender Erhaltungsladestrom hat Einfluss auf die Anzahl der Stromstufen in der Hauptladephase. Hohe Temperaturen führen zu hohen EHL-Strömen und verringern die Anzahl der Stromstufen – bei tiefen Temperaturen entsprechend umgekehrt. Die Folge ist eine Reduktion der Ladezeit bei hohen Temperaturen (siehe Tabelle 1). Das ist insofern wichtig, da sich nur auf diese Weise ein guter Ladewirkungsgrad ergibt, was letztendlich zu einer Verlängerung der Lebensdauer des Akkus führt. Vollladung ist nämlich stets mit einem gewissen Anteil an Überladung verbunden – allein schon aufgrund der Tatsache dass die positive Elektrode bei einem Ladezustand von ca. 70 % bis 80 % und die negative Elektrode bei ca. 90 % in die Überladung gehen. Die Werte sind nicht fest, sondern hängen von vielen Faktoren ab, auf die hier aus Platzgründen nicht näher eingegangen wird.

 

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Bild 10. Der Vergleich der Ladefaktoren (LF) an einem AGM-Blei-Akku von Yuasa (12 V / 7 Ah) über fünf Lade/Entlade-Zyklen bei –10 °C zeigt, wie wichtig eine Temperaturkompensation ist: Das Standard-IU-Ladeverfahren (rot) kann die Zellen nicht mehr vo

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Bild 10. Der Vergleich der Ladefaktoren (LF) an einem AGM-Blei-Akku von Yuasa (12 V / 7 Ah) über fünf Lade/Entlade-Zyklen bei –10 °C zeigt, wie wichtig eine Temperaturkompensation ist: Das Standard-IU-Ladeverfahren (rot) kann die Zellen nicht mehr vo

Experimentelle Resultate

In Bild 10 sind die Testergebnisse beider Ladeverfahren bei –10 °C eingetragen. Im Unterschied zu den obigen Entladeprofilen dient hier eine definierte Ladungsmenge von 0,35 C – also bei einem 7-Ah-Akku sind das 2,45 Ah – als Kriterium für den Abbruch des Entladevorganges. Gemessen wurde, welche Ladung durch das jeweils verwendete Ladeverfahren – Std: mit U_{L(–10 °C)} = 15,4 V, I_L = 2 A bis Ia = 0,04 C, ACS: mit Initialladestrom von 2 A – wieder eingelagert werden konnte und mit welchem Ladefaktor dies erfolgte. Ein interessantes Resultat bei diesen Tests ist, dass das Standard-IU-Ladeverfahren trotz der durch die Temperaturkompensation bedingten hohen Ladespannung eine wesentlich schlechtere Vollladeeigenschaft hat als der adaptive Strom-Stufen-Ladealgorithmus. Bereits nach zwei Zyklen ist der Ladefaktor beim Standard-IU-Ladeverfahren kleiner 1, d.h., die Entladetiefe des Akkumulators nimmt im weiteren Verlauf von Zyklus zu Zyklus zu, da die entladene Ladungsmenge gleich bleibt.

Nun wird der kritische Leser bemerken, dass durch den Ladefaktor von 1,08 bzw. 1,10 beim ACS-Ladeverfahren der Akku stark überladen wird. Dies relativiert sich aber, denn mit jedem Zyklus erhöhte sich auch die im darauffolgenden Zyklus entladene Energie – und damit die Pufferzeit. Folglich wurde der Vollladezustand zwar nicht sofort erreicht, aber mit jedem Zyklus der Abstand zum Vollladezustand geringer.

Das ACS-Ladeverfahren birgt noch Verbesserungspotential, das durch weitere Forschung erschlossen wird. Der größte Aufwand lag in der Parametrierung des Ladealgorithmus und im Aufstellen der Metaregeln. Auch hier besteht noch Optimierungsspielraum. Der adaptive Strom-Stufen-Ladealgorithmus ist ein erster Schritt in die richtige Richtung.

Literatur

[1] Dambrowski, J.: Über die Anforderungen an die Ladetechnik für Bleibatterien im Automotive-Bereich. 2007, www.deutronic.com.
[2] Dambrowski, J.: Akkus schnell und schonend laden – Ladeverfahren für Blei-Akkus in unterbrechungsfreien Stromversorgungen, Teil 1. Elektronik 2009, H. 21, S. 20ff.
[3] Fricke, B.; et. al.: Bleiakkumulatoren für stationäre Stromversorgungen. Belecker Fachtage, 2004.

[4] Wagner, R.: Failure modes of valve-regulated lead-acid batteries in different application. Journal of Power Sources, 1995, H. 53, S. 153ff.

Weiterführende Links:

• Ladeverfahren für Blei-Akkus in USVs: Akkus schnell und schonend laden - Teil 1
• Akku-Lade-ICs: Akkus auf den Zahn gefühlt