Foto: Fronius
Effizientes Batterieladen

Das österreichische Unternehmen Fronius, Spezialist für das Laden von Antriebsbatterien in elektromotorisch angetriebenen Flurförderzeugen, stellte vor kurzem den Ri-Ladeprozess vor.

Einige Anwender haben das neue Ladeverfahren bereits im Einsatz und profitieren von den Vorteilen der neuen Technologie. 

 

 

Seit etlichen Jahren steht die ständige Effizienzoptimierung elektromotorisch angetriebener Flurförderzeuge im Fokus. Stets wurde und wird versucht, neue technologische Erkenntnisse im Antriebsstrang, der Steuerelektronik und der Speicherung elektrischer Energie nutzbar einzusetzen. Besonders das Thema Energiespeicherung steht nach wie vor ganz oben auf der Agenda der Forscher und Entwickler. Damit im direkten Zusammenhang ist natürlich das Laden der wieder aufladbaren Speicher zu sehen, die nachfolgend, der Umgangssprache gemäß, als Batterien bezeichnet werden, obwohl die technisch korrekte Bezeichnung Akkumulator ist.

 

Blei-Säure-Batterien


Die seit über 100 Jahren im Einsatz erprobte Blei-Säure-Batterie ist nach wie vor der meist genutzte Energiespeicher in Flurförderzeugen mit Elektromotor. In einer solchen Batterie wird beim Aufladen elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Wird ein Verbraucher angeschlossen, so wird die chemische Energie wieder in elektrische Energie zurückgewandelt. Im Laufe der Zeit unterlagen die Ladeverfahren ständigen Veränderungen: von den Anfängen der ersten 50-Hz- Transformatorladegeräte mit ungeregeltem Ladeprozess über Hochfrequenz-(HF-)Ladegeräte mit geregeltem Ladeprozess bis hin zu mikroprozessorgesteuerten mit komplexen Ladealgorithmen war es ein langer Weg. Das heute bekannteste und am meisten verbreitete Ladeverfahren in der Intralogistik ist das IUI-Ladeverfahren.


Die Firma Fronius aus Wels, seit 1946 Entwickler und Hersteller von Batterieladesystemen, hat mit dem Ri-Ladeprozess ein neues Konzept zum Laden einer Blei-Säure- Antriebsbatterie aus der Taufe gehoben. Wie sich dieses Konzept von anderen Ladeverfahren unterscheidet und welche Vorteile sich daraus in Bezug auf Energieeffizienz und Ladewirkungsgrad ergeben, wird in der Folge erläutert.

 

Der innere Widerstand


Der innere Widerstand einer Batterie, kurz Ri, ist ein batteriespezifischer Wert, der sich während des Ladens und Entladens durch die sich wandelnde Säurekonzentration und andere Effekte, wie zum Beispiel Diffusionsprozesse, Polarisationsüberspannung oder der Umwandlung von Bleisulfat in Bleioxid, verändert. Um die später geschilderten Zusammenhänge beziehungsweise die Funktionsweise des neuen Ladeverfahrens zu verstehen, wird zunächst das Widerstandsverhalten einer Blei-Säure-Batterie betrachtet. Abb. 1 (Printausgabe) zeigt die relevanten, nach Komponenten aufgeschlüsselten Widerstände einer Blei-Säure Batterie und ihr Verhalten beim Laden. Durch das unterschiedliche Verhalten der einzelnen Widerstände verändert sich der Innenwiderstand Ri kontinuierlich während des Ladevorganges beziehungsweise über den Ladezustand. Die größte Änderung des Innenwiderstandes tritt im oberen und unteren Ladezustandsbereich der Batterie auf. Für den erhöhten Innenwiderstand im niedrigen Ladezustandsbereich sind die hauptverantwortlichen Komponenten das aktive Material sowie der Elektrolyt. Wenn man in der Batteriebranche von aktiven Materialien spricht, sind das immer die Komponenten, die auf der Anode (Pluspol) und Kathode (Minuspol) an der Ladung und Entladung aktiv teilnehmen, also umgewandelt werden.


Mit steigendem Ladezustand ist hauptsächlich der stark stromabhängige Polarisations- Widerstand für die Erhöhung des Innenwiderstandes verantwortlich. Er wird gegen Ende der Ladung hochohmig, da kein aktives Material, Bleisulfat, mehr für die Umwandlung in Blei und Bleioxid bereit steht. Der schematische Verlauf des Innenwiderstandes Ri bei Blei-Säure-Batterien über den Ladezustand ist in Abb. 2 (Printausgabe) ersichtlich. Dabei gibt SOC (State of Charge) den Ladezustand der Batterie an. Äußere Einflüsse, wie Temperatur, Alterungseffekte und andere, bleiben hier unberücksichtigt.

 

Auswirkungen des Ladeverfahrens auf die Verlustleistung


Nachdem das Verhalten des Innenwiderstandes während des Ladevorganges betrachtet wurde, sind nun der Ladeprozess und dessen Einfluss auf die erzeugte Verlustleistung PVerlust am Innenwiderstand von Interesse. Der Ladeprozess besteht bei herkömmlicher Methode aus drei Ladeabschnitten.


1. I-Zweig, die Hauptladephase

In dieser Phase wird mit konstantem Strom geladen, bis eine definierte Spannungsgrenze, meist 2,4 Volt pro Zelle, erreicht wird. Der Ladestrom wird in Abhängigkeit der Batteriekapazität gewählt und über das Ladegerät eingestellt, beispielsweise 20 A/100 Ah.


2. U-Zweig, die Hauptladephase

Nach dem Erreichen der definierten Spannungsgrenze im I-Zweig der Hauptladephase wird mit dieser Spannung konstant weitergeladen. Dabei reduziert sich mit zunehmendem Ladezustand der Ladestrom. Unterschreitet dieser einen Grenzwert, schaltet das Ladegerät in den nächste und letzte Ladephase.


3. I2-Zweig, die Nachladephase

In dieser Phase wird wieder mit konstantem Strom geladen, wobei lediglich eine sehr hohe Spannungsgrenze als Sicherheitsabschaltung dient. Die Nachladephase trägt nur noch minimal zur Vollladung der Batterie bei, da jetzt nur noch nur wenig Energie in Ladung umgesetzt wird. Stattdessen fließt die Energie in die Nebenreaktion, Elektrolyse von Wasser, die eine Gasbildung an den Elektroden der Batterie bewirkt. Das gezielte Überladen ist wichtig, um einer Säureschichtung vorzubeugen und Kapazitätstoleranzen der Einzelzellen auszugleichen.

 

Der Großteil der Ladungsmenge, etwa 70 bis 80 Prozent, wird im I-Zweig der Hauptladephase eingeladen. Das bedeutet, dass während dieser Zeit der Innenwiderstand bereits stark variiert. Die durch den konstanten Ladestrom am Innenwiderstand erzeugte Verlustleistung lässt sich somit folgendermaßen beschreiben:

P Verlust = I2 x Ri


Eine schematische Darstellung der Verlustleistung PVerlust über den Innenwiderstand bei konstantem Ladestrom I zeigt Abb. 3. (Printausgabe) Ladeverluste aber sind unerwünscht. Sie sind eine ganz wesentliche Ursache für die Batterieerwärmung, die, vor allem im Bereich über 40 Grad Celsius, von besonders negativem Einfluss auf die Lebensdauer einer Batterie auf Blei-Schwefelsäure-Basis sind, denn alle chemischen Reaktionen laufen dann beschleunigt ab. Die Gründe für diese Ladeverluste sind bislang vorgefertigte Ladekennlinien, bei denen die Batterie, unabhängig von der Säurekonzentration und damit vom Ladezustand der Batterie, mit einem vorgegebenen, unter Umständen zu hohen Ladestrom beaufschlagt wird.


Um die Energieeffizienz zu steigern, bedient sich Fronius des neuentwickelten Ri- Ladeprozesses. Hierbei wird der Ladestrom I nicht konstant zugeführt, sondern in Abhängigkeit des Innenwiderstandes Ri geregelt. Somit ergibt sich bei einem hohen Innenwiderstand ein kleiner Ladestrom I und umgekehrt. So erzeugt etwa eine Halbierung des Ladestroms I bei gleichem Innenwiderstand Ri nur ein Viertel der Verlustleistung PVerlust.


Eine schematische Darstellung der Anpassung des Ladestromes I an den Innenwiderstand Ri und die Auswirkung auf die Verlustleistung PVerlust ist in Abb. 4 (Printausgabe) dargestellt. In der Praxis lässt sich mit dieser Methode bereits in der Hauptladephase eine Energieeffizienzsteigerung gegenüber herkömmlicher IUI-Ladeverfahren erreichen. Allerdings bewirkt die Anpassung des Ladestroms nicht nur eine Minimierung der Verluste am Innenwiderstand, sondern sie hat auch Auswirkungen auf parasitäre Effekte, die nachfolgend beschrieben werden.

 

Auswirkungen des Ladeverfahrens auf den Ladewirkungsgrad


Um eine Vollladung der Batterie zu erzielen, muss mehr Ladung Qzu über das Ladegerät zugeführt werden, als Ladung Qauf von der Batterie aufgenommen wird. Das Verhältnis der beiden Ladungen nennt man üblicherweise den Ladefaktor LF, den Kehrwert bezeichnet man als Ladewirkungsgrad ηLaden oder Coulombscher Wirkungsgrad. In Formeln ausgedrückt stellt sich das so dar:

LF = QQ ηLaden =

 

Qauf wird dabei über eine Entladung mit einem definierten Strom ermittelt, üblicherweise C/5. Ein Entladestrom von C/5 bedeutet, dass die Batterie mit einem Entladestrom, der einem Fünftel der Nennkapazität entspricht, entladen wird.


Der typische Ladefaktor LF liegt bei einem vollständigen Lade- und Entladezyklus mit einem gängigen IUI-Ladeverfahren etwa zwischen 1,12 und 1,25. Während der Lebenszeit der Batterie kann sich der Ladefaktor aber stark ändern. Ausschlaggebend für den geringen Ladewirkungsgrad respektive den hohen Ladefaktor bei Blei-Säure-Batterien ist die Elektrolyse von Wasser, die als Nebenreaktion auftritt. Diese Nebenreaktion trägt nicht zur Speicherung von Energie bei und steht in ständiger Konkurrenz zur Hauptreaktion, die für die Speicherung von Energie, also die Umwandlung von Bleisulfat in Blei und Bleioxid, zuständig ist. Der Ladefaktor ist somit vom Ladeprozess und der dadurch erzeugten Klemmenspannung abhängig.


Abb. 5 (Printausgabe) zeigt ein stark vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Blei-Säure-Batterie. Darin ersichtlich ist die Elektrodenspannung E0 als veränderbare Spannungsquelle, der zuvor betrachtete Innenwiderstand Ri, der Ladestrom I sowie die Nebenreaktion RNR als entsprechender Parallelwiderstand. Während des Ladevorganges steigt die Spannung zwischen den Elektroden E0 mit Zunahme des Ladezustandes an. Dadurch wird auch die Spannung im Parallelzweig der Nebenreaktion erhöht. Somit wird mit steigendem Ladezustand die Elektrolyse von Wasser immer dominanter.


Da, wie bereits bekannt, der Innenwiderstand aufgrund des Polarisationswiderstandes ebenfalls ansteigt, erhöht sich bei gleichbleibendem Ladestrom I auch der Spannungsabfall URi an diesem.

URi = I x R1

 

Das bedeutet, dass der zusätzliche Spannungsabfall URi bereits in der Hauptladephase zu einer frühzeitigen Steigerung der Nebenreaktion führt und dadurch unerwünschter Weise mehr Strom in die Nebenreaktion fließt.

UKl = URi + E0

Dieser Anteil des Ladestroms wird nicht in Ladung umgewandelt und erhöht dadurch den benötigten Ladefaktor zur Vollladung der Batterie.

I = INR + IHR

 

In dieser Formel beschreibt IHR den Strom, der in die Hauptreaktion fließt und so zur Ladung der Batterie beiträgt. INR stellt den Teil des Ladestroms dar, der über die Nebenreaktion verloren geht und dadurch nicht in Ladung übergeht. Abb. 6 (Printausgabe) zeigt eine schematische Darstellung der Hauptladephase I-Zweig.


Während der Entwicklung des neuen Ri-Ladeprozesses wurde darauf Wert gelegt, die Nebenreaktion in der Hauptladephase so gering wie möglich zu halten, um so den größten Teil des Ladestromes für die Hauptreaktion zu verwenden. Das ist aber nur in der Hauptladephase sinnvoll, bei der die Elektrolyse von Wasser und die dadurch entstehende Gasung an den Elektroden der Batterie noch nicht erwünscht und auch nicht effektiv ist. In der Nachladephase, in der mit steigendem Ladezustand die Hauptreaktion zum größten Teil über den ständig wachsenden Polarisationswiderstand zum Erliegen gekommen ist, wird der Ladestrom gezielt in die Nebenreaktion und damit in die Umwälzung des Elektrolyten verlagert. Dadurch lässt sich der benötigte Ladefaktor auf ein Minimum reduzieren.


Mit typischen Entladeprofilen in der Intralogistik sind mit dem neuen Ri-Ladeprozess Ladefaktoren zwischen 1,05 und 1,12 erreichbar, was wiederum einem Ladewirkungsgrad ηLaden zwischen 88 und 95 Prozent entspricht.


Sowohl die verringerte Verlustleistung PVerlust als auch der gesteigerte Ladewirkungsgrad ηLaden ergeben sich durch die Anpassung des Ladestroms über den Innenwiderstand der Batterie. Das geschieht in der Weise, dass durch die Messung des Innenwiderstands die Ladespannung bestimmt wird. Diese sorgt dafür, dass sich der Ladestrom von selbst dem Verlauf der Innenwiderstands-Kurve der Batterie anpasst. Es wird also erstmalig nicht der Strom, sondern die Spannung vorgegeben. Das bedeutet: Ist der Innenwiderstand höher und damit die Stromaufnahmefähigkeit der Batterie geringer als zu Beginn des Ladens, wird der Ladestrom geringer und die Ladeverluste vermieden. Wird der Innenwiderstand im Verlauf des Ladens kleiner, steigt also die Stromaufnahmefähigkeit, erhöht sich der Ladestrom automatisch, um dann im weiteren Ladeverlauf wieder geringer zu werden, wiederum in Abhängigkeit vom ansteigenden Innenwiderstand. Die Batterie bekommt also nur den Ladestrom, den sie wirklich benötigt.


Dieses Vorgehen ermöglicht in der Hauptladephase Steigerungen der Energieeffizienz von durchschnittlich acht Prozent gegenüber Hochfrequenz-Ladegeräten mit herkömmlichem IUI-Ladeverfahren. Die benötigte Energiemenge, die vom Ladegerät für eine Vollladung der Batterie, das heißt inklusive Nachladephase, zur Verfügung gestellt werden muss, sinkt damit um durchschnittlich bis zu 6,5, in der Spitze sogar bis zu zehn Prozent gegenüber den genannten HF-Ladegeräten. Wichtig ist dabei: Die eingesparte Energie geht nicht in Wärme über. Dies führt zu einer Reduzierung der durchschnittlichen Batterietemperatur und hat somit ebenfalls positive Auswirkungen auf die Batterielebensdauer.

 

Die Charakteristika des Ri-Ladeprozesses


Der Wirkungsgrad der Batterieladesysteme mit Ri-Ladeprozess beträgt 93 Prozent, der Lade-Wirkungsgrad sowie der Prozesswirkungsgrad von der Steckdose bis zum Flurförderzeug steigen um jeweils bis zu zehn Prozent. Das heißt: Bei der Umwandlung des Wechselstroms aus der Steckdose in Gleichstrom, der für das Batterieladen benötigt wird, im Batterieladegerät und dem darauffolgenden elektrochemischen Prozess des Batterieladens wurde die Energienutzung so optimiert, dass sich die Energiekosten deutlich senken lassen.


Zudem führt weniger Energieverbrauch zu geringerer Batterieerwärmung während des Ladeprozesses, damit zu längerer Lebensdauer der Batterie und zu weniger Wasserverbrauch durch die geringere Batterieerwärmung. In Sachen Batterielebensdauer hat der Ri-Ladeprozess einen weiteren Vorteil: Gerade dann, wenn die Batterie wie so oft nur teilweise entladen ist, wird das Laden über die normalerweise festgelegte Ladezeit gestreckt. So lässt sich die Batterie aufgrund einer niedrigeren Energiezufuhr und der damit verbundenen geringeren Erwärmung extrem schonend laden, und Spitzenströme werden vermieden.


Der ZVEI, Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V. mit Sitz in Frankfurt am Main, stellte in einer Richtlinie fest: „Einen besonderen Schwerpunkt der Einflussfaktoren auf die Lebensdauer bildet die Ladetechnik. Es ist eine bekannte Tatsache, dass mehr Batterieschädigungen durch falsches Laden als durch Entladen entstehen.“ Es lohnt sich also, über die richtige Ladetechnologie nachzudenken.

www.fronius.com

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Beitrag aus dhf 6.2015

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