Die Batterie als Stromquelle
Es gibt verschiedene Arten wiederauf-ladbarer Batterien. Der gebräuchlichste Typ ist die Bleisäurebatterie. Weniger bekannt ist die Nickel-Cadmium (NiCad)-Batterie, die immer noch häufig in alten Notstromsystemen vorzufinden ist. Aufgrund der hohen Ladespannung, die eine NiCad-Batterie benötigt, und der Tatsache, dass sie sehr umweltschädlich sind, eignen sich diese Batterien nicht für den Einsatz an Bord eines Schiffs oder Pkws/Lkws.
Das Prinzip der Bleisäure-Batterie
Eine Batterie ist eine Vorrichtung, die elektrische Energie in Form von chemischer Energie speichert. Bei Bedarf wird die Energie erneut als elektrischer Strom für Gleichstrom-Verbraucher, wie Beleuchtung und Anlassmotoren, freigegeben. Eine Batterie besteht aus mehreren galvanischen Zellen mit einer Spannung von jeweils 2 V. Für eine 12 V-Batterie werden 6 Zellen reihenweise miteinander verbunden und in einem Gehäuse untergebracht. Zur Erreichung von 24 V werden also zwei 12 V-Batterien in Reihe geschaltet. Jede Zelle verfügt über positive Bleioxidplatten und negative Bleimetallplatten. Außerdem enthält sie einen aus Wasser und Schwefelsäure bestehenden Elektrolyt. Während des Entladevorgangs wird das Bleioxid auf den Bleiplatten in Bleisulfat umgewandelt. Der Säuregrad sinkt, weil für diesen Prozess Schwefelsäure benötigt wird.
Zum Wiederaufladen der Batterie muss eine externe Stromquelle – wie ein Batterieladegerät, eine Lichtmaschine oder ein Solarpanel – mit einer Spannung von ungefähr 2,4 V/Zelle angeschlossen werden. Das Bleisulfat wird dann wieder in Blei und Bleioxid zurückverwandelt und der Schwefelsäuregehalt steigt wieder an. Die Ladespannung wird begrenzt, um die Freigabe von übermäßig viel Wasserstoff zu vermeiden. Bei einer Ladespannung von mehr als 2,4 Volt pro Zelle wird zum Beispiel viel Wasserstoffgas freigegeben, das mit dem Sauerstoff in der Luft eine hoch explosive Mischung bilden kann.
Die Obergrenze für die Ladespannung bei einer 12 V-Batterie beträgt 14,4 V und der entsprechende Wert für eine 24 V-Batterie beträgt 28,8 V bei 20 °C. Das Verhältnis zwischen dem Ladezustand einer Batterie und dem spezifischen Gewicht der Wasser-/Schwefelsäure-Mischung lautet wie folgt:
Verschiedene Batterietypen – im Hinblick auf die Dicke und die Anzahl der Platten pro Zelle – eignen sich für verschiedene Anwendungen. Der maximale Strom, der geliefert werden kann, wird durch die Plattenoberfläche insgesamt festgelegt. Die Anzahl der Entlade- und Wiederaufladevorgänge – die Anzahl der Zyklen – hängt von der Dicke der Platten ab. Eine Batterie kann entweder viele dünne Platten oder ein paar dicke aufweisen.
Die Startbatterie
Eine Startbatterie hat viele dünne Platten pro Zelle und deshalb eine große Plattenoberfläche insgesamt. Dieser Batterietyp ist deshalb für die Bereitstellung von hohem Strom über einen kurzen Zeitraum besonders gut geeignet. Die Anzahl, wie oft eine Startbatterie stark entladen werden kann, ist auf ungefähr 50-80 begrenzt. Da der Start des Motors jedoch nur eine geringe Menge der gespeicherten Energie (ungefähr 0,01 %) verbraucht, hält die Batterie viele Jahre. Dieser Batterietyp eignet sich nicht für den zyklischen Gebrauch als Service-Batterie.
Die Lithium-Ionen-Batterie
Noch bis vor kurzem waren Lithium-Ionen-Batterien vor allem als wiederaufladbare Batterien mit einer geringen Kapazität erhältlich, weshalb sie besonders beliebt in Handys und Laptops waren. Jetzt gibt es bei Mastervolt Lithium-Ionen-Batterien mit großen Kapazitäten. Unsere Lithium-Ionen-Batterien verfügen über eine hohe Energiedichte und eignen sich ausgezeichnet für zyklische Anwendungen. Im Vergleich zu herkömmlichen Bleisäurebatterien ermöglichen Lithium-Ionen-Batterien Einsparungen von 70 % hinsichtlich des Volumen und des Gewichts, während die Anzahl der Ladezyklen dreimal höher ist im Vergleich zu Semi-Traktions-Bleisäurebatterien.
Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass Lithium-Ionen-Batterien unabhängig von der angeschlossenen Last eine konstante Kapazität bereitstellen können. Die verfügbare Kapazität einer Bleisäurebatterie wird bei höheren Entladeströmen reduziert. Lithium-Ionen-Batterien können bis zu 80 % entladen werden, ohne dass dies Auswirkungen auf ihre Lebensdauer hat, wohingegen Bleisäurebatterien durch tiefe Entladungen stärker beeinträchtigt werden.
Längere Haltbarkeit
Im Vergleich zu herkömmlichen offenen oder Blei-Säure-Batterien bieten die Lithium-Ionen-Batterien noch weitere Vorteile, wie zum Beispiel eine viel größere Leistungsdichte und eine längere Lebensdauer. Und da Lithium das leichteste Metall ist, sind Lithium-Ionen-Batterien ebenfalls leichter. Sie können zudem jederzeit geladen werden, während Nickel-Cadmium-Batterien entladen sein müssen, um eine optimale Leistung zu gewährleisten und einen Memory-Effekt zu verhindern. Darüber hinaus können Lithium-Ionen-Batterien mit sehr hohem Strom geladen werden, bis zu 100 % der Kapazität, was zu einer sehr kurzen Ladezeit führt und den Memory-Effekt verhindert.
Batterie-Management-System
Mastervolt Lithium-Ionen-Batterien sind mit einem Batterie-Management-System ausgestattet. Das System hält alle Einzelzellen optimal im Gleichgewicht. Daraus ergibt sich eine höhere Leistung und eine längere Lebensdauer.
Die Semi-Traktionsbatterie
Eine Semi-Traktionsbatterie hat weniger, jedoch dickere Platten pro Zelle. Diese Batterien stellen relativ wenig Startstrom zur Verfügung, können jedoch häufiger und in einem größeren Umfang (etwa 200 bis 600 vollständige Zyklen) entladen werden. Dieser Batterietyp eignet sich ausgezeichnet für die kombinierte Funktion der Start-/Service-Batterie.
Die nasse Traktionsbatterie
(Mastervolt hat diese Art von Batterien nicht im Portfolio)
Dieser Batterietyp hat sogar noch weniger, jedoch sehr dicke, flache oder zylindrische Platten. Er kann deshalb viele Male und recht vollständig (1000-1500 vollständige Zyklen) entladen werden. Daher werden nasse Traktionsbatterien häufig in Gabelstaplern und kleinen Elektrogeräten, beispielsweise Industrie-Reinigungsmaschinen verwendet.
Allerdings ist nasse flooded Traktionsbatterien eine besondere Lademethode erforderlich. Da diese Batterien meistens groß sind, sind sie besonders empfindlich im Hinblick auf die Ansammlung von Schwefelsäure am Boden des Batteriebehälters. Dieses Phänomen wird Stratifikation genannt und tritt auf, weil Schwefelsäure dichter als Wasser ist. Der Säuregehalt steigt im unteren Bereich der Batterie an wodurch die Korrosion der Platten punktuell intensiviert wird, und er sinkt im oberen Bereich und bewirkt eine Reduktion der Kapazität. Die Batterie wird ungleichmäßig entladen, was die Lebensdauer der Batterie erheblich senkt. Um die Säure wieder gleichmäßig zu verteilen, muss die Batterie absichtlich durch eine zu hohe Spannung überladen werden. Hierbei entsteht eine große Menge an Wasserstoffgas, das mit dem Sauerstoff in der Luft eine gefährliche Mischung bildet. Die für die Wiederaufladung dieser Batterien erforderliche Spannung beträgt etwa 2,7 V/Zelle oder 16,2 Volt für ein 12 V- System sowie 32,4 Volt für ein 24 V- System. Diese hohen Spannungsniveaus sind für die angeschlossene Ausrüstung besonders gefährlich, und wegen der großen Menge an erzeugtem Gas sind diese Batterien nicht für den Einsatz in Schiffen und Fahrzeugen geeignet, außer für den Antrieb.