Akkus umfassend und kostengünstig überwachen

Notstromsysteme sind wie Versicherungen: Man investiert in sie und hofft, dass der Notfall nie eintritt. Doch im Ernstfall soll alles funktionieren. Aber wie lässt sich die Funktion eines Systems sicherstellen, das im Normalfall nie in Betrieb geht? Besonders schwierig ist dies bei Akkumulatoren als Energiespeicher. Ihre langsam sinkende Zuverlässigkeit lässt sich von außen erst kurz vor dem Totalausfall erkennen.

Notstromsysteme sind wie Versicherungen: Man investiert in sie und hofft, dass der Notfall nie eintritt. Doch im Ernstfall soll alles funktionieren. Aber wie lässt sich die Funktion eines Systems sicherstellen, das im Normalfall nie in Betrieb geht? Besonders schwierig ist dies bei Akkumulatoren als Energiespeicher. Ihre langsam sinkende Zuverlässigkeit lässt sich von außen erst kurz vor dem Totalausfall erkennen.

INHALT:
Herkömmliche Kapazitätsmessung unmöglich
Ersatzschaltung liefert Akku-Parameter
Überwachungstechnik im Detail
Akku-Überwachung kann mehr Informationen liefern
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Seit etwa 30 Jahren dominieren die verschlossenen Blei-Akkus (Valve Regulated Lead Acid, VRLA) zusammen mit Blei-Gel-Akkus den Markt für Notstromsysteme. Diese hochkapazitiven, versiegelten Zellen werden zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) zahlreicher kritischer Systeme verwendet. Den Akkus wird dabei eine geringe kontinuierliche Erhaltungsladung auferlegt, was allerdings verschiedene Ausfallursachen mit sich bringen kann.

Obwohl sie sich in ihrer chemischen Zusammensetzung leicht unterscheiden, ähneln sich verschlossene Blei- Akkus – auch Sealed Lead Acid (SLA) oder Vliesakku (Activated Glass Mat, AGM) genannt – und Blei-Gel-Akkus: Beide sind hinsichtlich der Temperatur- und Ladebedingungen wesentlich empfindlicher als ihr Vorgängermodell, die Zelle mit flüssigem Elektrolyten.

Die meisten verschlossenen Blei- Akkus werden mit einer konstanten Spannung von exakt 2,27 V pro Zelle geladen. Eine Überspannung während des Ladevorgangs – z.B. über 2,3 V pro Zelle – führt dazu, dass der Elektrolyt in den Glas-Pads mehr Gas produziert als die Rekombinations-Chemikalien aufnehmen können. Im Laufe der Zeit entweicht das Gas über das Ventil und geht verloren. Die Temperatur spielt ebenfalls eine wichtige Rolle. Akku-Zellen werden so entwickelt, dass sie bis zu 12 Jahre halten. Doch selbst, wenn die Ladespannung korrekt gehalten wird, die Umgebungstemperatur aber zu hoch ist (EU: 25 °C, USA: 30 °C), wird die Zelle überladen und Feuchtigkeit geht verloren. Weitere Fehlerursachen können eine vorzeitige Sulfatierung, eine schlechte Verbindung zwischen den Stäben und Gittern oder zwischen den Gittern und Platten, die Ablagerung von Elektrolyt und eine beschleunigte Gitterkorrosion sein.

Trocknet der Elektrolyt in einer beliebigen Zelle in einem dieser Akkus aus (der Stromkreis ist unterbrochen), liefert der Akku keinen Strom mehr. Schließen sich einige Zellen kurz – meistens aufgrund von Herstellungsfehlern –, ist dies kurzfristig weniger kritisch als ein offener Stromkreis. Die verbleibenden Zellen innerhalb des Akkus werden dann allerdings überladen.

Einer der auffälligsten Fehler ist das thermische Durchgehen (Thermal Runaway), das vor allem bei verschlossenen Blei- und Blei-Gel-Akkus auftreten kann. Dabei handelt es sich um eine Reaktion mit positiver Rückkopplung, wobei der höhere Erhaltungsladestrom im Laufe der Zeit die Zellentemperatur erhöht. Die Zelle zieht dadurch noch mehr Erhaltungsladestrom, der Vorgang beschleunigt sich und kann zu einem Brand oder einer Explosion führen. Dies ist zwar ungewöhnlich, tritt aber öfter auf als allgemein angenommen. Die einzige Möglichkeit, diesen Vorgang rechtzeitig zu erkennen, bietet die Überwachung der Zelleninnentemperatur.