Was Sie beim Laden von Blei­batterien beachten sollten

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Wiederaufladbare Batterien gibt es in vielen Technologien. Wie aber lädt man welche Technologie am sinnvollsten? Raphael Eckert vom Batteriehersteller GS YUASA gibt Tipps zum Laden von Bleibatterien.

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Raphael Eckert, Group Sales Manager bei der GS YUASA Battery Germany: „Die richtige Ladetechnik ist ein wesentlicher Faktor für die Gebrauchsdauer einer VRLA-Batterie.“
Raphael Eckert, Group Sales Manager bei der GS YUASA Battery Germany: „Die richtige Ladetechnik ist ein wesentlicher Faktor für die Gebrauchsdauer einer VRLA-Batterie.“
(Bild: GS YUASA)

ELEKTRONIKPRAXIS: Welchen Stellenwert nehmen die Bleibatterien am Batteriemarkt ein?

Raphael Eckert: Bleibasierende Batterien beherrschen laut EUROBAT als eine von vier Technologien den Markt für Industrie- und Automotive-Batterien. Daneben gibt es noch Lithium-, Nickel- und Natrium-Batterien. Bleibatterien zählen wohl zu den weltweit am meisten genutzten und kommen in den unterschiedlichsten Einsatzbereichen vor, zum Beispiel als Pufferbatterie für Notstromversorgungen, als Antriebsbatterie für Förderfahrzeuge, Bewegungshilfen und Freizeitmobilität oder als Starterbatterie für Nutzfahrzeuge, Pkw und Motorräder. Innerhalb der Bleibatterien kann man noch einmal zwischen wartungsfreien und wartungspflichtigen Typen unterscheiden.

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Sind die wartungsfreien Bleibatterien tatsächlich komplett wartungsfrei?

Raphael Eckert: Bei den wartungsfreien Batterien gibt es Blei-/Gel- und Blei-/Vlies-Batterien. Die modernste am Markt befindliche Technologie ist die VRLA-Batterie, das bedeutet Valve-Regulated Lead-Acid Batterie mit AGM-Technik, also eine ventilgesteuerte Blei-Säure-Batterie für industrielle Anwendungen. Bei der AGM-Technik ist die Säure, der Elektrolyt, in einem Glasfaservlies gebunden, dieses befindet sich als Separator zwischen den negativen und den positiven Platten. Alles steckt wiederum in einem verschlossen Batteriegehäuse aus Kunststoff mit Ventil an der Oberseite, wo das überschüssige Gas entweichen kann. VRLA-Batterien sind genau genommen also fast wartungsfrei und gasen im Normalfall dank Rekombinationszyklus nicht. Geschehen kann das aber bei falscher Handhabung trotzdem, beispielsweise bei falscher Ladetechnik. Man muss die Batterien eben richtig laden, korrekt lagern und darf sie nicht im teilentladenen Zustand sich selbst überlassen.

Wie wirkt sich die Ladetechnik auf die Gebrauchsdauer der Bleibatterie aus?

Die richtige Ladetechnik ist ein wesentlicher Faktor für die Gebrauchsdauer einer VRLA-Batterie. Der Begriff Gebrauchsdauer leitet sich aus den Bestimmungen der EUROBAT-Richtlinie ab, wonach jeder Batteriehersteller seine Batterien klassifiziert. Diese reichen von „Standard Commercial“, also drei bis fünf Jahre, über „General Purpose“ mit sechs bis neun Jahren bis hin zu „Long Life“ mit zehn bis zwölf Jahren und „Very Long Life“ mit über zwölf Jahren. Dabei beziehen sich die Angaben auf den Batteriebetrieb bei Erhaltungsladung bei 20 °C. Beim Laden der Batterien können schnell unwissentlich Fehler entstehen. Diese verkürzen dann die Gebrauchsdauer und können unter Umständen die Batterie zerstören.

Wie lassen sich solche Fehler beim Laden einfach vermeiden?

GS YUASA gibt baureihenabhängig vor, die Batterie mit einer selbstbegrenzenden Konstant-Strom/Spannungs(I/U)-Lademethode bei 20 °C zu laden. Der Ladestrom sollte 0,1 C nicht übersteigen und die Ladespannung sollte bei Umschaltung auf Erhaltungsladung 2,275 V pro Zelle nicht überschreiten. Bei Temperaturveränderungen zu den empfohlenen 20 °C ist es notwendig, die im Standby-Betrieb anliegende Ladespannung zu kompensieren. Hier empfehlen wir –3 mV pro Zelle und pro Kelvin. Prinzipiell unterscheidet man für industrielle Anwendungen mit VRLA-Batterien zwei Ladeverfahren, nämlich für den zyklischen Betrieb und für den Bereitschaftsbetrieb.

Wie funktioniert das Ladeverfahren für den Bereitschaftsbetrieb?

Wenn sich die Batterie im Bereitschafts- oder Standby-Betrieb befindet, wird sie mit einer bestimmten Erhaltungsladung versorgt. Die beträgt beispielsweise 2,275 V pro Zelle bei 20 °C bei den GS YUASA-Baureihen NP, NPL und SWL. Innerhalb des Bereitschaftsbetriebes wird die Batterie im hundertprozentigen Ladezustand mittels einer Erhaltungsladung gepflegt und kann so bei einem Netzzusammenbruch die anhängende Last sofort unterstützen. Die Spannung der Erhaltungsladung stellt den notwendigen Ladestrom sicher, der einer Selbstentladung entgegenwirkt.

Eine typische Anwendung für eine Industriebatterie wäre beispielsweise eine Anlage zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV). Ein Bereitschaftsbetrieb ist dann gegeben, wenn die Batterie nicht öfter und tiefer entladen wird als in der Tabelle dargestellt. Außerdem wenn zwischen aufeinanderfolgenden Entladungen im Schnitt mehr als drei Monate liegen und die Batterie nach einer Entladung mindestens 72 Stunden lang wieder aufgeladen wird.

Dasselbe gilt, wenn die Batterie mehr als 99,9 Prozent ihrer Lebensdauer im Bereitschaftsbetrieb verbringt oder wenn die Batterie niemals im teilentladenen Zustand belassen wird. Diese Lademethode mit 0,1 C ist für die Batterie ideal und sichert bei 20 °C Umgebungstemperatur die höchste Gebrauchsdauer laut EUROBAT.

Ist die sogenannte Schnellladung sinnvoll?

Der Begriff Schnellladung suggeriert, dass sich eine Batterie auch schneller als eben beschrieben laden lässt. Das funktioniert aber nur bedingt. Erhöht man den Ladestrom und lädt eine Batterie zum Beispiel mit 0,25 C anstelle von 0,1 C, so steigt die Spannung deutlich schneller an. 60 Prozent des Volumens sind dann nach kurzer Zeit erreicht.

Um die Batterie aber voll zu laden, braucht es die gleiche Zeit wie bei der Ladung mit 0,1 C. Steigern wie den Strom auf 0,5 C, steigt die Spannungskurve noch schneller an und 50 Prozent der zu ladenden Kapazität sind sehr schnell erreicht. Am Ende dauert es jedoch genauso lange wie in Fall 1 und 2, um die Batterie komplett zu laden.

Der steigende Ladestrom wirkt sich also nicht beschleunigend auf die vollständige Ladung der Batterie aus, hierfür werden immer mehr als 24 Stunden benötigt, sondern er führt nur zu einem schnelleren Erreichen einer bestimmten Ladekapazität. Dafür geht die Erhöhung des Ladestroms um mehr als 0,1 C im Bereitschaftsbetrieb aber zu Lasten der Lebensdauer der Batterie, denn der Prozess der Plattenkorrosion wird durch den erhöhten Ladestrom deutlich beschleunigt. Ein höherer Ladestrom ist also nicht zu empfehlen, wie auch in Bild 1 zu sehen ist.

Wie läuft die Ladung im zyklischen Betrieb ab?

Von zyklischem Betrieb spricht man, wenn die Batterie geplant und regelmäßig ge- und entladen wird und die Ladung weniger als 72 Stunden dauert. Auch Anwendungen, bei denen die Batterie regelmäßig beliebig tief entladen wird, zählen dazu. Außerdem Batterien, die nach dem ersten Gebrauch innerhalb von sechs Monatsabständen für länger als einen Monat ohne Ladung belassen werden, oder nach dem ersten Gebrauch für länger als eine Woche in teilentladenem Zustand belassen werden. Eine typische Anwendung wäre ein Golftrolley.

Für Batterien im zyklischen Einsatz empfiehlt sich das Drei-Phasen-Ladeverfahren. Um die Batterie möglichst schonend, aber in akzeptabler Zeit zu laden, wird in der ersten Phase mit mindestens 0,1 C, aber maximal 0,25 C geladen. Diese Phase sollte maximal 16 Stunden andauern. Die Spannung der Batterie steigt dabei auf 2,45 bis 2,5 V pro Zelle an, der Ladestrom fällt gleichzeitig ab. Wird der Ladestrom kleiner als 0,07 C gemessen, beginnt Phase 2, die halb so lang wie Phase 1 dauert. Der Ladestrom sinkt hier weiter ab, während die Ladespannung bei 2,45 bis 2,5 V pro Zelle konstant gehalten wird.

In Phase 3 geht die Ladespannung in eine Erhaltungsladung von 2,275 V pro Zelle über, während der Ladestrom auf wenige mA absinkt. Alle Werte gelten bei 20 °C. Dieses Ladeverfahren dient dazu, Batterien für den zyklischen Betrieb so schnell wie möglich und so schonend wie möglich zu laden, um die maximale Anzahl an Zyklen, also Lade-/Entladevorgänge, zu erhalten (Bild 2).

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