Aufladen von Batterien

Ladespannung

Mastervolt-Gel- (2 V, 12 V) und Mastervolt-AGM-Batterien (6 V, 12 V) werden mit einer Spannung von 14,25 V für 12 V-Systeme und 28,5 V für 24 V-Systeme geladen. Der Absorptionsphase folgt die Float-Phase (siehe 3-Stufen+-Ladetechnologie auf Seite 242), in der die Spannung auf 13,8 V für 12 V-Systeme und 27,6 V für 24 V- Systeme reduziert wird. Bei diesen Zahlen wird von einer Temperatur von 25°C ausgegangen.

Bei Nass-Blei-Säure-Batterien beträgt die Absorptions­spannung 14,25 V für 12 V-Systeme und 28,5 V für 24 V- Systeme. Die Float-Spannung beträgt bei diesem Batterietyp 13,25 V für 12 V- und 26,5 V für 24 V-Systeme. Alle diese Zahlen gelten für 25 °C.

Lithium-Ionen-Batterien werden mit einer Absorptions­spannung von 14,25 V für 12 V- und 28,5 V für 24 V-Systeme geladen. Die Float-Spannung beträgt 13,5 V für 12 V- und 27 V für 24 V-Systeme.

Ladestrom

Als Faustregel für Gel- und AGM-Batterien gilt, dass der Mindest-Ladestrom 15 bis 25% der Batteriekapazität betragen sollte. Während des Ladens werden angeschlossene Geräte normalerweise weiter mit Strom versorgt; dieser Stromverbrauch muss den 15-25% hinzugerechnet werden.

Eine 400 Ah-Batteriebank und eine angeschlossene Last von zehn Ampere benötigen also z.B. eine Batterieladekapazität zwischen 70 und 90 Ampere, damit die Batterie innerhalb einer angemessenen Zeitspanne aufgeladen werden kann. Der maximale Ladestrom beträgt 50% bei einer Gel-Batterie und 30% bei einer AGM-Batterie. Die Lithium-Ionen-Batterien von Mastervolt vertragen deutlich höhere Ladeströme.

Zur Maximierung der Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterie empfiehlt Mastervolt jedoch einen maximalen Ladestrom von 30% der Leistung. Bei einer 180 Ah-Batterie ergibt sich so beispielsweise ein maximaler Ladestrom von 60 Ampere.

Batterielader mit Temperaturausgleich für einen optimalen Schutz

ur Gewährleistung einer möglichst langen Lebensdauer von Gel-, AGM- und Lithium-Ionen-Batterien bedarf es eines modernen Mastervolt-Batterieladegerätes mit einer Drei-Stufen+-Ladetechnologie. Diese Batterieladegeräte regeln Ladespannung und -strom kontinuierlich.

Für Nass-Gel- und AGM-Batterien wird ein Sensor zur Messung der Batterietemperatur empfohlen. Dieser passt die Ladespannung an die Batterietemperatur an. Dadurch wird die Lebensdauer der Batterie verlängert. Wir nennen das “Temperaturausgleich”.

Temperaturausgleichskurve

Da Geräte, wie beispielsweise Kühlschränke, immer Strom aus der Batterie ziehen, auch wenn sie geladen wird, beinhaltet der Temperaturausgleich von Mastervolt einen maximalen Kompensationseffekt zum Schutz der angeschlossenen Geräte. Der Ausgleich beträgt höchstens 14,55 V für ein 12 V-System und 29,1 V für ein 24 V-System.

Bei sehr hohen (> 50°C) und niedrigen (< -20°C) Temperaturen dürfen Nass-Gel- und AGM-Batterien nicht mehr geladen werden. Außerhalb dieser Grenzwerte versorgt das Mastervolt-Batterieladgerät die angeschlossenen Verbraucher weiter, lädt aber die Batterien nicht.

Bei Lithium-Ionen-Batterien ist keine Anpassung der Spannung an eine höhere oder niedrigere Temperatur erforderlich.               

Zur Berechnung der Ladezeit einer Gel- oder AGM-Batterie wird folgende Formel verwendet:

Zur Berechnung der Ladezeit einer Lithium-Ionen-Batterie wird folgende Formel verwendet:

Lt = Ladezeit
Co = Kapazität, die der Batterie entzogen wurde
eff = Wirkungsgrad; 1,1 bei einer Gel-Batterie, 1,15 bei einer AGM-Batterie und 1,2 bei einer nassen Batterie
Al = Strom des Batterieladegerät
Ab = Verbrauch der angeschlossenen Geräte während des Ladevorgangs

Berechnung der Ladezeit

Bei der Berechnung der Ladezeit einer Lithium-Ionen-Batterie muss Folgendes berücksichtigt werden:

Der erste Gesichtspunkt ist die Effizienz der Batterie. In einer Standard-Nass-Batterie liegt diese bei ca. 80%. Wenn also die Batterie mit 100 Ah entladen wird, müssen 120 Ah wieder aufgeladen werden, damit wieder 100 Ah entnommen werden können. Bei Gel- und AGM-Batterien ist die Effizienz höher – 85 bis 90%. Hier sind im Vergleich zu Nass-Batterien die Verluste geringer und die Ladezeit kürzer. Bei Lithium-Ionen-Batterien liegt die Effizienz bei 97%.

Bei der Berechnung der Ladezeit muss auch berücksichtigt werden, dass die letzten 20% des Ladeprozesses (von 80 bis 100%) bei Nass-, Gel- und AGM-Batterien ungefähr vier Stunden dauern (das gilt nicht für Lithium-Ionen-Batterien). In der zweiten Phase, der sogenannten Absorptionsphase oder Nachlade-Phase, ist es vom Batterietyp abhängig, wieviel Strom absorbiert wird – unabhängig von der Kapazität des Batterieladegerätes.

Das Phänomen der Nachlade-Phase gilt wiederum nicht für Lithium-Ionen-Batterien, die sehr viel schneller geladen werden.

Schädliche Auswirkungen von Brummspannungen auf Batterien

Eine Batterie kann durch Brummspannungen, die von Batterieladegeräten erzeugt werden, vorzeitig kaputt gehen. Um das zu verhindern, sollten die von einem Ladegerät erzeugten Brummspannungen so gering wie möglich bleiben.

Die Brummspannung führt zu Brummstrom. Als Faustregel gilt, dass der Brummstrom unter fünf Prozent der installierten Batteriekapazität bleiben sollte. Sofern Navigations- oder Kommunikationsgeräte wie GPS- oder VHF-Geräte an die Batterie angeschlossen sind, darf der Brummstrom nicht mehr als 100 mV (0,1 V) betragen. Alles, was darüber hinausgeht, verursacht Funktionsstörungen an den Geräten.

Mastervolt-Batterieladegeräte verfügen über eine ausgezeichnete Spannungsregelung, und die von ihnen erzeugte Brummspannung ist stets niedriger als 100 mV.

Ein weiterer Vorteil einer niedrigen Brummspannung ist die Verhinderung von Schäden am System, wenn beispielsweise eine Batterieklemme nicht richtig festgezogen oder korrodiert ist. Dank der niedrigen Brummspannung kann das Batterieladegerät von Mastervolt das System sogar versorgen, ohne an ein Batteriepack angeschlossen zu sein.

Ermittlung des Ladezustandes einer Batterie

Die beiliegende Erläuterung zum Peukert-Exponenten zeigt auf, dass der Ladezustand einer Batterie nicht einfach ermittelt werden kann, z.B. durch Messung der Batteriespannung.

Die beste und genaueste Methode zur Überprüfung des Ladezustands ist die Verwendung eines Amperestunden-Messgeräts (Batteriemonitor). Beispiele für solche Messgeräte sind der MasterShunt, BTM-III- oder BattMan-Batteriemonitor von Mastervolt. Neben dem Lade- und Entladestrom zeigt dieser Monitor auch die Batteriespannung, die Anzahl der verbrauchten Amperestunden und die verbleibende Zeit an, bis die Batteriebank wieder aufgeladen werden muss.

Was den Batteriemonitor von Mastervolt von denen anderer Lieferanten abhebt, ist die Tatsache, dass historische Daten zur Verfügung stehen. Diese zeigen beispielsweise die Lade-/Entladezyklen der Batterie, die tiefste Entladung, die durchschnittliche Entladung sowie die höchste und niedrigste gemessene Spannung an.

Die Peukert-Gleichung

Oberflächlich betrachtet scheint man einfach berechnen zu können, wie lange eine Batterie noch ausreichend Strom liefert. Eine der gebräuchlichsten Methoden besteht darin, die Batte­rie­kapazität durch den Entladestrom zu teilen. In der Praxis erweisen sich solche Berechnungen jedoch häufig als falsch. Die meisten Batteriehersteller legen die Batteriekapazität unter der Annahme fest, dass die Entladezeit 20 Stunden beträgt. Es wird zum Beispiel davon ausgegangen, dass eine Batterie von 100 Ah 20 Stunden lang 5 Ampere pro Stunde liefert, wobei die Spannung in dieser Zeit nicht unter 10,5 V (1,75 V/Zelle) für eine 12-V-Batterie sinken sollte. Leider liefert eine Batterie von 100 Ah, wenn sie mit einem Strompegel von 100 Ampere entladen wird, nur 45 Ah, was bedeutet, dass sie nur weniger als 30 Minuten eingesetzt werden kann. Dieses Phänomen wird in einer Formel beschrieben – der Peukert-Gleichung – die vor mehr als einem Jahrhundert von den Batteriepionieren Peukert (1897) und Schroder (1894) erstellt wurde.

Die Peukert-Gleichung beschreibt die Auswirkung verschiedener Entladewerte auf die Kapazität einer Batterie, das heißt, die Batteriekapazität nimmt bei höherem Entladestrom ab. Sämtliche Batteriemonitore von Mastervolt berücksichtigen diese Gleichung, weshalb Sie immer den korrekten Status Ihrer Batterien kennen.

Die Peukert-Gleichung gilt nicht für Lithium-Ionen-Batterien, da die angeschlossene Last keine Auswirkung auf die verfügbare Kapazität hat.

Die Peukert-Formel für die Batteriekapazität bei einem festgelegten Entladestrom lautet:

Cp = Batteriekapazität, die bei dem festgelegten Entladestrom verfügbar ist
I = das Niveau des Entladestroms
n = der Peukert-Exponent = log T2 - logT1 : log I1 - log I2
T = Entladezeit in Stunden

I1, I2 und T1, T2 können durch zwei Entladetests ermittelt werden. Das heißt, dass die Batterie zweimal bei zwei unterschiedlichen Stromniveaus entladen wird.

Eines hoch (I1) – sagen wir 50 % der Batteriekapazität – und eines niedrig (I2) - ungefähr 5 %. In jedem der Tests wird die Zeit T1 und T2, die vergeht, bevor die Batteriespannung auf 10,5 V gesunken ist, aufgezeichnet. Es ist nicht immer einfach, zwei Entladetests durchzuführen. Häufig steht keine große Last zur Verfügung oder man hat keine Zeit für einen langsamen Entladetest. Die für die Berechnung des Peukert-Exponenten erforderlichen Daten finden Sie in den Batterie-Spezifikationen.

Belüftung

Unter normalen Bedingungen produzieren Gel-, AGM- und Lithium-Ionen-Batterien nur wenig oder gar kein gefährliches Wasserstoffgas. Die geringe Gasmenge, die entweicht, kann man vernachlässigen. Während des Ladevorgangs wird jedoch Wärme erzeugt, wie dies bei allen Batterien der Fall ist. Zur Gewährleistung der längsten möglichen Lebensdauer ist es wichtig, dass diese Wärme so schnell wie möglich aus der Batterie entfernt wird. Die für Batterieladegerät von Mastervolt notwendige Belüftung kann mit der folgenden Formel berechnet werden.

Q = erforderliche Belüftung in m3/Std.
I = maximaler Ladestrom des Batterieladegerät
f1 = Kürzung um 0,5 für Gel-Batterien
f2 = Kürzung um 0,5 für geschlossene Batterien
n = Anzahl an genutzten Zellen (eine 12 Volt-Batterie hat sechs Zellen von jeweils 2 Volt)

Bei dem zuvor genannten Beispiel einer 12 V/400 Ah- Batteriebank und eines Batterieladegerät von 80 Ampere sieht die erforderliche Mindestbelüftung wie folgt aus: Q = 0.05 x 80 x 0.5 x 0.5 x 6 = 6 m³/h

Dieser Luftstrom ist so gering, dass die natürliche Belüftung normalerweise ausreicht. Wenn die Batterien in ein geschlos­senes Gehäuse installiert werden, sind zwei Öffnungen erforderlich, und zwar eine oben und eine unten. Die Abmessungen der Belüftungsöffnung können mit Hilfe der folgenden Formel berechnet werden:

A = Öffnung in cm²
Q = Belüftung in m³

In unserem Fall erhält man folgenden Betrag: 28 x 6 = 168 cm² (etwa 10 x 17 cm) für jede Öffnung.

Lithium-Ionen-Batterien erzeugen überhaupt kein Wasserstoffgas und sind deshalb sicher in der Anwendung. Wenn Batterien schnell geladen werden, wird ein gewisser Grad an Wärme erzeugt. In diesem Fall kann die o.g. Formel angewendet werden, um die Wärme zu beseitigen.

Setzen Sie sich bei größeren Systemen mit mehreren Batterieladegeräte mit Ihrem Techniker in Verbindung.

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