Ladeverfahren für Blei-Akkus in USVs Akkus schnell und schonend laden - Teil 1

Analyse der Standard-Ladekonzepte

Beim klassischen IU-Ladeverfahren steigt die EHL-Stromstärke mit zunehmenden Alter des Blei-Akkus an, bis er die Leistungsgrenze des Ladegerätes erreicht hat bzw. der Akku überhitzt und thermisch durchgeht. Bei der ebenfalls im USV-Bereich verwendeten IUoU-Ladekennlinie (Bild 2) kommt noch folgendes Problem hinzu:

Die Umschaltung von der Starkladephase (1. U-Phase) – bei der mit einer relativ hohen Ladespannung von ca. 2,4 bis 2,5 V/Zelle geladen wird – auf die kleinere EHL-Spannung (2. U-Phase) geschieht, wenn der Ladestrom IL in der 1. U-Phase einen starren Grenzwert (I0) von ca. 0,04 C unterschritten hat. Im Laufe der Betriebszeit verschlossener Blei-Akkus wird, aufgrund der Alterung, der Ladestrom IL nicht mehr unter den Grenzwert I0 sinken, so dass eine Umschaltung auf die kleinere EHL-Spannung auch nicht mehr erfolgt. Rudimentäre Schutzmechanismen, wie z.B. die Umschaltung via Ladefaktor (LF) oder einer Limitierung der maximalen Ladezeit, können die Auswirkungen etwas mindern. Jedoch sind diese Schutzmaßnahmen in der Praxis meist ebenso starr und noch dazu relativ großzügig ausgelegt, so dass sie eher zu einer beschleunigten Alterung der Blei-Akku-Zellen beitragen.

Jegliche Überladung trocknet das Vlies der AGM-Akkus durch den von der Überladung hervorgerufenen Wasserverlust mehr und mehr aus. Das wiederum kurbelt den Sauerstoffkreislauf an. Ist erst der kritische Sättigungsgrad von ca. 90 % unterschritten, nehmen die oben beschriebenen Prozesse drastisch zu, so dass das Ende der Lebensdauer solcher Blei-Akkus sehr schnell erreicht wird. Die Quintessenz hieraus ist, dass die Ladestrategie einen entscheidenden Einfluss auf die Gebrauchsdauer verschlossener Blei-Akkus hat.

Anpassungsfähiger Ladealgorithmus

 Beim Aufladen eines leeren Akkumulators geht nahezu der gesamte Ladestrom IL in die Hauptreaktion (siehe Kasten „Grundlagen“), d.h. IL ≈ IHR (Bild 3). Der Anteil der Ladeenergie, der in die Nebenreaktionen (INR) fließt – also bei Blei-Akkus in Verluste durch Gasung und den Sauerstoffkreislauf –, ist in dieser Situation noch vernachlässigbar. Mit zunehmendem Ladegrad jedoch wächst auch der Strom INR in die Nebenreaktionen, bis – wenn Vollladung erreicht ist – schließlich der gesamte Ladestrom in die Nebenreaktionen fließt – IL ≈ INR (Bild 4).

Ziel eines guten Ladeverfahrens sollte es demnach sein, den Anteil des Ladestroms in die Nebenreaktionen zu minimieren, d.h. die Akku-Spannung während der gesamten Ladezeit so niedrig wie möglich zu halten. Denn der Verluststrom IV ist eine Funktion der Ladespannung UL [V/Zelle] und der Temperatur T [K]; für ihn gilt näherungsweise die Formel 1.

In der graphischen Darstellung (Bild 4) müsste der Punkt SOC0 folglich so weit wie möglich nach rechts, also gegen Ladeende, verschoben werden. Gängige IU-Ladeverfahren erreichen dies durch sehr kleine Ladeströme – im Bereich von 0,05 C –, die sich allerdings aufgrund des PCL-Effektes – vorzeitiger Kapazitätsverlust (PCL: premature capacity loss) – negativ auf die Lebensdauer des Blei-Akkus auswirken. Vom PCL-Effekt sind vornehmlich die heutzutage überwiegend in USV-Anlagen eingesetzten Blei-Akkus mit Blei-Kalzium-Gitterelektroden betroffen. Details darüber, zu Auswirkungen und Gegenmaßnahmen sind in [1] zu finden. Wird die Ladespannung im Bereich der EHL-Spannung gewählt, so wird der Absolutwert der Nebenreaktionen zwar gesenkt, jedoch liegt in diesem Falle die EHL-Spannung permanent am Energiespeicher an. Dies führt schließlich zu einer dauerhaften Überladung.

Dennoch besteht auch hier die Gefahr der Mangelladung trotz der Überladung (siehe Abschnitt: „Reduktion der Erhaltungsenergie“ in Teil 2 des Artikels). Um insgesamt eine Vollladung mit einer IU-Kennlinie zu erreichen, ist eine Ladespannung > 2,4 V/Zelle notwendig, bei der allerdings bereits ein signifikanter Verluststrom vorliegt. Signifikant bedeutet hier, dass sich der Arbeitspunkt im „steilen“ Bereich der Exponentialfunktion befindet. Der unpräzise Kompromiss, einen Ladeparameter zu definieren, der von vielen weiteren Parametern, wie beispielsweise den Gitterlegierungszusätzen, abhängt, wird im Folgenden als „thermische Grenzspannung“ bezeichnet.

Soweit die Analyse der Standard-Ladekonzepte. Bei der Konzeption einer neuen Ladestrategie geht es nun darum, die Nachteile der Standard-Ladeverfahren möglichst zu beseitigen. Es ergeben sich also neue Anforderungen:

1: Reduziere die Ladezeit, in der UBat größer als die thermische Grenzspannung UTG(T) ist, die bei 20 °C 2,45 V beträgt.

2: Reduziere den Serieneffekt innerhalb eines Blocks oder Strangs.

3: Reduziere den Energiebedarf im Erhaltungsladebetrieb.

4: Erkenne den Vollladezustand, insbesondere bei neuen wie bei gealterten Zellen sowie im Temperaturbereich von –20 °C bis +50 °C.

Bild 5 zeigt schematisch den zeitlichen Strom- und Spannungsverlauf des neuen Ladealgorithmus, der im nächsten Artikel-Teil Stück für Stück näher beleuchtet wird.

 

Literatur

[1] Dambrowski, J.: Über die Anforderungen an die Ladetechnik für Bleibatterien im Automotive-Bereich. 2007, www.deutronic.com.

 

Dr. Jonny Dambrowski 
erlernte das Radio- und Fernsehtechniker-Handwerk und studierte anschließend Physikalische Technik an der FH München sowie Physik und Mathematik an der Universität Regensburg. 2004 schloss er mit dem Diplom in der Reinen Mathematik ab und promovierte im März 2007 ebenfalls in der Reinen Mathematik. Während der Promotion absolvierte er den DECHEMA-Kurs über die „Grundlagen der technischen Elektrochemie“. Seit April 2007 arbeitet er als Leiter der Forschungs- und Entwicklungsabteilung bei der Deutronic Elektronik GmbH – mit Schwerpunkt Entwicklung, Optimierung und Test von Algorithmen zur Ladung, Überwachung und Zustandsdiagnose für Blei- und Lithium-Ionen-Akkus. Parallel zu Ausbildung und Studium befasste er sich seit 1996 mit Akkus und insbesondere der Ladetechnik. Er arbeitete über zehn Jahre in der Software-Entwicklungsabteilung von Deutronic an den Algorithmen für die Ladecomputerfamilie, die vornehmlich in Automobilwerken und -werkstätten eingesetzt wird. Bereits Ende der 90er hatte er Algorithmen zur Zellenschlusserkennung und bordnetztaugliche Pulsladeverfahren mit dynamischer Pulsbreitenregelung entwickelt, die mit deutlich reduzierter Gasung Starterbatterien laden können.
jonny.dambrowski@mathematik.Uni-Regensburg.de