Batterie Aufgaben der Batterie • • • • Speichern elektrischer Energie (mittlere Stromstärken) Erhalten von Energiereserven bei Motorstillstand Abgeben elektrischer Energie im Stand des Fahrzeugs (hohe Stromstärken beim Starten, sonst niedrige Stromstärken) Puffern der elektrischen Energielieferung des Generators im Betrieb Grundsätze der Energieumwandlung Batterie = Akku = Akkumulator = Sammler Energiewandler Energiespeicherung in Form von chemischer Energie chemische Stoffe reagieren Energieumwandlung, Reaktion nimmt Energie oder setzt frei (laden oder Stromabgabe) Bezeichnung Reaktionsenergie Entladung: chem. Energie elektrische Energie (Ladung umgekehrt) Stoffaufbau allgemein: - Moleküle Atome (Atomkern und Elektronenhülle) - Elektronenhülle Elektronen kreisen um den Kern - Atomkern – Protonen und Neutronen (auch Nukleonen genannt) Proton: positive elektrische Ladung Elektron: negative el. Ladung Ladung von Kern u. Elektronen ist zusammen neutral, positiv oder negativ Atomen können Moleküle oder Elektronen aufnehmen/abgeben Grundsätze der Energieumwandlung Ionisation möglich wenn: Säuren, Salze oder Laugen in Wasser löslich sind Batterieflüssigkeit: verdünnte Schwefelsäure (H2SO4) Ladungsteilung : 2H+ und SO4(2-) H2SO4 2H+ + SO4(2-), Reaktionsname: Dissoziation Ionen in Flüssigkeiten sind sehr beweglich, auch wenn elektrische Kraft (Ladung) auf sie einwirkt elektrolytische Flüssigkeiten sind leitend Ionen mit entgegengesetzter Ladung ziehen sich an bilden neue (chemische) Verbindung Beispiel: 2H + O -> H2O Ionisation tritt in elektrochemischen Spannungsquellen auf freie Elektronen bewegen sich in einem äußeren Stromkreis über Kabel von einer Elektrode zur anderen Ionen reagieren miteinander und bilden neue chem. Verbindung Reaktionsenergie in Form von elektrischem Strom elektrischer Strom ist eine elektrische Ladungsverschiebung 1 Batterie Chemische Reaktion Stoffe reagieren bei Ladung/Entladung an der Oberfläche der Elektroden Erklärung Stromfluss: - pos. Elektrode: Bleidioxid PbO2 Bleisulfat PbSO4 (2 Elektronen werden aufgenommen) Bleisulfat PbSO4 (2 Elektronen - negative Elektrode: Blei Pb werden abgegeben) - Elektrolyt: H2SO4 freie Elektroden der negativen Elektrode (2e-) bewegen sich im äußeren Stromkreis zur pos. Elektrode werden während der Reaktion wieder aufgenommen Geladener Zustand aktive Masse der positiven Platten besteht aus braunem Bleidioxid (Pb02), die der negativen Platten aus grauem Blei (Pb) Elektrolyt ist verdünnte Schwefelsäure (H2SO4) mit einer Dichte von g = 1,28 g/cm3. Entladevorgang PbO2 + 2H2SO4 + Pb PbSO4 + 2H2O + PbSO4 Quelle Europa-Verlag braunes Bleidioxid der Plusplatten und das graue Blei (Pb) der Minusplatten wird in weißes Bleisulfat (PbSO4) umgewandelt dabei wird Schwefelsäure H2SO4 umgesetzt es entsteht Wasser (H20) Batterie entladen die Säuredichte verringert sich Ladevorgang PbSO4 + 2H20 + PbSO4 PbO2 + 2H2SO4 + Pb weißes Bleisulfat (PbSO4) der Plusplatten wird in braunes Bleidioxid (PbO2), das der Minusplatten in graues Blei (Pb) umgewandelt dabei wird Wasser (H2O) umgesetzt es entsteht Schwefelsäure (H2SO4) Säuredichte vergrößert sich 2 Batterie Potentialdifferenz der Kfz-Batterie Elektrode (Bleiplatte) in Elektrolyt (verd. Schwefelsäure) Blei gibt pos. Ionen an die Schwefelsäure ab diese bewegen sich i. d. Flüssigkeit Elektrode hat zu viele Elektronen, Elektrolyt zu wenig Elektronen (neg, elektrische Ladung) Bleiionen in der Lösungen Ladungsverschiebung Potentialunterschied Werden beide potential voneinander subtrahiert Potentialunterschied bei anderen Materialien anderer Potentialunterschied Praxis: - Potentialdifferenz: Spannung in Volt ( Zellspannung von aktiven Stoffen abhängig) - Kombination Bleidioxid-Blei-Schwefelsäure (Spannungsdifferenz 2 V) - 6 Zellen für 12Volt-Batterie - Zellenspannung ist Summe aus zwei Teilspannungen (zw. pos. und neg. Elektrode und Elektrolyt) - Spannungen sind von Elektrolytkonzentration abhängig wenn spezif. Masse=1,28 kg/l U=2,12 V Zelle voll (Messung an unbelasteter. Zelle) =1,12kg/l 1,96 leer Selbstentladung, Herstellung und Kennzeichnung Selbstentladung im inneren der Batterie, ohne den äußeren Stromkreis geschlossen ist, durch Wärme, Verunreinigungen im Elektrolyt und Kriechströme beschleunigen den Vorgang volle Batterie nach ca. 4 Monaten bei 15°C entladen, 2 Wochen bei 40°C Formieren – Herstellungsprozess die aktiven Massen der Plus- und Minusplatten werden durch einen elektrochemischen Prozess in den geladenen Zustand versetzt Bei der Inbetriebnahme muss noch Schwefelsäure mit einer Dichte von 1,28 g/cm3 eingefüllt werden. Nach einer Einwirkzeit von etwa 20 Minuten ist die Starterbatterie betriebsbereit. Kennzeichnung über fünfstelligen Typnummer - Nennspannung (1. Ziffer) - Nennkapazität (2.+.3. Z.) - Kälteprüfstrom z. B. 54419, 12 V, 44 Ah, 210 A 3 Batterie Kennzeichnung und Kennwerte von Starterbatterien viele westeuropäische Produzenten verwenden bei der Bezeichnung der Batterie neben ihrem eigenen Code die DIN-Norm (fünfstellige Zahl) • Aufbau der DIN-Nummer – l. Ziffer, ob 6 oder 12 V, – 2. und 3. Ziffer Nennkapazität, – über 100 Ah geht diese auch in die 1. Ziffer ein z.B.: 6 V/84 Ah 084.., 6 V/125Ah 125.., 12 V/70 Ah 570.., 12 V/125 Ah 625.. • die letzten zwei Ziffern sind die Zählnummern der Batterie • alle DIN-Batterietypen werden mit ihren wichtigsten Eigenschaften in einer Liste festgehalten – in dieser Liste wird auch der Kälteprüfstrom nach der DINNorm eingetragen • Bezeichnung nach der DIN-Norm ist detaillierter als mit Nummer anderer Systeme • Batterie, die eine DIN-Typ-Nummer erhalten hat, muss den geltenden DIN-Normen entsprechen. Spannung Nennspannung - 2,0 V je Zelle, Nennspannung einer Starterbatterie ergibt sich aus der Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen mal der Nennspannung einer Zelle. Ladespannung - wenn Zelle beim Laden die Spannung von etwa 2,4 V erreicht, fängt bei weiterem Laden stark zu gasen an (Gasungsspannung), Batterie ist dabei etwa zu 80 % geladen. Während des Gasens wird durch Elektrolyse ein Teil des Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt; es entsteht das hochexplosive Knallgas. Ladeschlussspannung - Spannung am Ende einer Vollladung, Zellenspannung kann dabei bis auf 2,75 V ansteigen, Vollladung ist, wenn Säuredichte und Spannung nicht mehr ansteigen (gesamte aktive Masse ist chemisch umgewandelt) Ruhespannung - oder Leerlaufspannung wird an der unbelasteten Starterbatterie gemessen. Ladezustand ohne Belastung < 12,2 V - entladen 4 Batterie 12,2 – 12,5V - halb geladen > 12,5 - geladen Entladespannung - Starterbatterie ist entladen, wenn die Zellenspannung bis auf die Entladeschlussspannung von 1,75 V absinkt, Säuredichte sinkt dabei auf etwa 1,12 g/cm3 Kapazität Kapazität K = I • t Strommenge [Ah], die einer Starterbatterie zugeführt oder entnommen wird, ist abhängig - von der Höhe des Entladestroms Dichte und Temperatur des Elektrolyten dem Ladezustand der Batterie - Nennkapazität K20, kann die vollgeladene Starterbatterie bei 20stündiger Entladung mit vorgegebenem Entladestrom (1/20 des Zahlenwertes der Nennkapazität) abgeben, dabei wird die Entladeschlussspannung von 1,75 V je Zelle erreicht wird Temperatur des Elektrolyten muss dabei +27°C betragen • Abweichung: Entladestrom oder Elektrolyt-Temperatur von den vorgegebenen Nennwerten - Batterie ändert ihre Kapazität der Batterie • Temperaturabhängigkeit der Kapazität aufgrund der elektrochemischen Vorgänge diese verlaufen bei niedrigen Temperaturen langsamer Einfluss von Innenwiderstand und Temperatur • • Innenwiderstand führt bei starker Belastung der Batterie (Startvorgang) zu einem Spannungsabfall bei geringen Temperaturen verringert sich die verfügbare Kapazität 5 Batterie Kälteprüfstrom und Sulfatierung Kälteprüfstrom ist die dem Batterietyp zugeordnete hohe Entladestromstärke • mit der das Startverhalten bei tiefen Temperaturen beurteilt wird • ist die Stromstärke, die eine vollgeladene Starterbatterie bei 18°C abgeben muss • ohne dass die Zellenspannung nach 30 s Entladezeit unter 1,4 V bzw. nach 180 s Entladezeit unter 1,0 V sinkt • oder Gesamtspannung darf innerhalb 30 s nicht unter 7,5 V fallen • sind die angegebenen Spannungswerte unterschritten, so erbringt die Starterbatterie nicht mehr die volle Leistung. Sulfatierung kann auftreten, wenn die Starterbatterie längere Zeit in entladenem Zustand steht • dabei wird das feinkristalline Bleisulfat in grobkristallines Bleisulfat umgewandelt • ist der Umwandlungsprozess weit fortgeschritten, kann er nicht mehr rückgängig gemacht werden aktive Masse fällt als Bleischlamm aus, Starterbatterie ist unbrauchbar geworden wartungsfreie Starterbatterien nach DIN • • • • haben Einfüllstopfen zum Einfüllen der Batteriesäure und zum Auffüllen des Säurestandes mit destilliertem Wasser Bleigitterplatten haben reduzierten Antimongehalt (2 % bis 3 %, Antimon dient zum Härten des Bleis Erlangung der gewünschten Festigkeit der Bleigitterplatten (Antimon führt zur Selbstentladung und damit zum Gasen) starke Reduzierung von Verringerung des Antimongehaltes Selbstentladung und damit auch des Wasserverbrauches unter Normalbedingungen soll sich der Elektrolytstand innerhalb von zwei Jahren nicht verändern. wartungsfreie Starterbatterien nach EN • • • unter Normalbedingungen soll sich Elektrolytstand innerhalb von 2 Jahren nur soweit verringern, das keine Batteriesäure nachgefüllt werden muss besitzen Einfüllstopfen zum Einfüllen von Batteriesäure und zum Auffüllen des Säurestandes mit destilliertem Wasser Bleigitterplatten enthalten ebenfalls Antimon für Festigkeit 6 Batterie wartungsfreie Starterbatterien (von manchen Herstellern als „absolut wartungsfreie Starterbatterien" bezeichnet) • keine äußerlich sichtbaren Einfüllstopfen • über gesamte Lebensdauer wird kein Wasser nachgefüllt • Neigungswinkel von 70° ist zulässig (da Entgasungs öffnungen vorhanden sind – Labyrinthsystem) ist nicht mehr • Elektrolyt ist oft Schwefelsäure als Gel gebunden flüssig sondern • Elektrolytvorrat ausreichend für gesamte Lebensdauer (längere Standzeiten sind möglich) • Ladezustand kann nicht durch Säuredichteprüfung ermittelt werden • Integriert Ladezustandsanzeigen – Grün: ok – Grau: nachladen – weiß: austauschen • statt Antimon wird Kalzium verwendet (reduzierte Selbstentladung und reduzierter Wasserverbrauch) Batterien mit gebundenen Elektrolyten • • • • • • • auslaufsicher Einbau in jeder Lage möglich besitzen hohe Zyklenfestigkeit Tiefenentladung möglich Elektrolyt: Gel oder mit Fasern gebunden geringerer Innenwiderstand, geringerer Plattenabstand kompakte Bauweise chemische Reaktion verhindert Gasen Gase werden zu Wasser umgesetzt geringe Selbstentladung, hoher Kurzschlussstrom Sicherheitsventil gegen Überladungsschäden# Gel-Batterien • • Säure ist durch Mehrkomponentengel gebunden Schwefelsäure enthält Kieselsäure Gel (hier Ablauf der chem. Reaktion) Vlies-Technologie Zwischenlagen aus Glasfaservlies umfassen und binden die Säure durch Kapillarwirkung und Benetzung in den vernetzten Mikrofasern absorbiert (AGM, Absorbing Gel Mat) • Matten bilden gleichzeitig den Separator und halten Plattenoberfläche unter Druck • aktives Material ist damit fest gebunden hohe Rüttelfestigkeit, kein Ausbrechen • Sonderbauform: Bleiplatten und Vliesmatte werden aufgewickelt erhöhte Packungsdichte (Grafik siehe Separator (2)) Quelle Bosch • • 7 Batterie Batteriekonstruktion - Gehäuse - bestehen fast nur noch aus einem Kunststoff (PP) – PP ist praktisch unzerbrechlich und kann gut verarbeitet werden – Antriebsbatterien werden meistens in einen säurefesten Stahlkasten eingebaut – bei kleineren Leistungen werden 3 oder 6 und manchmal 12 Zellen in ein Gehäuse eingebaut – 12-V-Batterie hat 5 Trennwände, Batterie in 6 Zellen teilt – Zellenboden besitzt vier Rippen oder Prismen, auf denen die Platten gelagert werden - Spalt als Sammelbereich für herausgefallenes Material o Verhindern von Kurzschlüssen o Entfällt bei Folienseparatoren, dann größere Platten bei gleicher Baugröße möglich Zentralentgasung positiver / negativer Plattensatz kompletter Plattensatz negatives Gitter / Bleiplatte Separator positives Gitter / Bleiplatte Batteriekonstruktion - Allgemeines und Bleiverbindungen - kleinste Einheit: Zelle positive und negative Platten Teile für Zusammenbau und Anschluss Zellenverbinder meist Blei- Schwefelsäure-Batterien, Platten aus Blei (Dichte= 11,34g/cm3, Schmelzpunkt=327,4°C) Elektrodenmaterial: reines Feinblei (99,99%) übrige Teile. Hartbleilegierung Hartblei ist mit Antimon legiertes Blei (Cadmium, Strontium möglich) Bleiverbindungen in Elektroden und Platten gelbes Bleioxid PbO, orange Bleimennige Pb3O4(oder Bleioxid) in Kombination oder allein in Elektroden verwendet Elektrolyt ist aktives Material und leitet den Strom in der Batterie Leitfähigkeit ist konzentrationsabhängig (max. 25-27 Vol% möglich) 8 Batterie Batteriekonstruktion - Bleiplatten Elektroden einer Batteriezelle sind parallelgeschaltete Platten größte Effizienz wenn abwechselnd positive und negative Platten verbaut sind Plattenenden sind mittels Plattenverbinder verbunden Rahmen besitzt 2 Funktionen im Rahmen der gestanzten (oder gegossenen) Platte befindet sich das aktive Material, Rahmen leitet den elektrischen Strom Rohrplatten Rahmen besteht aus Röhrchen, die am Ende mit einer Bleileiste verschweißt sind Röhrchen sind an verschiedenen Stellen zentriert und mit Bleipulver und/oder Bleimennige gefüllt sind sehr stabil und belastbar Rohrplatten werden in ortsfesten und Antriebsbatterien verwendet Gitterplatten Plattenlöcher sind mit einer Paste (Bleipulver-SchwefelsäureZusatzstoff-Gemisch) verschmiert Zusammensetzung positiver und negativer Platte ist unterschiedlich Paste wird getrocknet hauptsächlich in Starterbatterien verwendet abgewandelt für ortsfeste Batterien und Antriebsbatterien Batteriekonstruktion - Separator • • • • • • • • Platten verschiedener Polarität dürfen einander nicht berühren Kurzschluss Kurzschluss bewirkt schneller Entladung und Batteriedefekt bestehen aus Isolationsmaterial und werden nicht von der Schwefelsäure angegriffen halten Abstand zwischen den Platten gleich Fixierung mit Gießharz oder Kunststoff besitzen mikroporöse Struktur lässt den elektrischen Strom ungehindert passieren Glaswoll- Separator (Glaswollmatte isoliert fixiert Platten und aktives Material) • Verschleiß der Platten kleiner wird • Matten sind größer als Platten( Kurzschluss verhindern) Folien- Separator (Platten werden wie ein Briefumschlag verpackt) • Platten ist damit noch besser geschützt • Einsatz z.B. bei VARTA- Starterbatterien « Super heavy duty» und « Grand Prix» eingesetzt. für erhöhte Lebensdauer, mit extra hoher • Heavy duty Rüttel-, und Zyklenfestigkeit 9 Batterie Batteriekonstruktion - Batteriedeckel • • • • bestehen ebenfalls aus Polypropylen Besitzt mindestens zwei Öffnungen - für die Pole der Batterie weitere Öffnungen (Ausnahme: wartungsfreien Fahrzeugbatterien) • Zum auffüllen von Batterieflüssigkeit • Öffnungen werden mit einer Verschlusskappe (mit Ventilationsloch) geschlossen Deckel kann in «Sandwich»-Bauart ausgeführt sein • keine Nachfüll- oder Entlüftungsöffnungen und keine Schraubverschlüsse • Batterien werden mit der Flüssigkeit aufgefüllt, bevor der Deckel verschweißt wird • Entlüftung durch ein labyrinthähnliches System, das sich im Deckel der Batterie befindet • Nachteil: keine Nachfüllung von destilliertem Wasser möglich Entlüftungssystem Zentrale Entlüftung • Zellen sind dabei durch einen Entlüftungskanal verbunden, diese hat eine Öffnung nach außen • z.B. Schlauch verbindet die Zellen mit der Umgebung Überdruckventil (keine offene Verbindung mit der Umgebung) • öffnet sich wenn der Druck in der Batterie steigt Batteriekonstruktion - Zellenverbinder und Pole Verbinder verspannen das System Batterie • es ist immer der negative Pol einer Zelle mit dem positiven Pol der nächsten Zelle verbunden • in Einzellzellenbatterien kann Verbindung außerhalb der Batterie liegen (Bild links, ältere Bauart) • moderne Batterie haben innenliegende Zellenverbinder (Bild rechts) Endpole zur Verbindung meist als konische Pole nach DIN-Norm positiver Pol ist etwas dicker als der negative Pol Verwechslung damit unmöglich auch flache Pol möglich (z.B. Ford, alte Bauart) 10 Batterie Batteriesensor • temperatur- und ladezustandabhängige Ladespannungsregelung dauerhaft hoher Ladezustand Steuergerät im Sensor integriert (Polnische der Minusklemme) • ermittelt optimalen Ladespannungssollwert aus Temperatur und Istspannung • Berechnung des Batterieladezustandes (State of Change) über – Lade- und Entladestrom, Klemmenspannung, Elektrolyttemperatur Sicherheitsbatterieklemme • • • • trennt bei einem Unfall innerhalb von Millisekunden Starter- und Generatorkabel von Batterie pyrotechnisches Zündelement in der Plusklemme sprengt Leitung von der Klemme ab übriges Bordnetzspannung bleibt erhalten Vermeiden von Kurzschlüssen bei Einklemmen der Kabel Masse • • für eine Amperestunde pro Zelle, wird eine bestimmte aktive Masse pro Zelle benötigt: positive Platte (PbO2): 4,46 g negative Platte (Pb): 3,86 g + Schwefelsäure (H2S04) : 3,65 g + Summe: 11,97 g 12-V-Batterie mit einer Amperestunde wiegt demnach 72 g/Ah • Batteriemasse überschreitet in der Praxis die theoretische Masse der Batterie • in der Batterie sind Zusatzmassen vorhanden • Zusatzmassen sind: nichtaktives Blei (Gitter, Verbindungen, Pole), Wasser, Kasten, Separatoren, Verschlusskappen • dieser Zusammenhang wird als Energiedichte bezeichnet • wird in Wh/kg Batteriemasse ausgedrückt ist abhängig von der Konstruktion moderne Batterie hat eine Energiedichte von 45 Wh/kg, Antriebsbatterien haben 30 bis 40 Wh/kg und ortsfeste Batterien 15 bis 25 Wh/kg • • • 11
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