DE3717478C2

DE3717478C2 -

Info

Publication number: DE3717478C2
Application number: DE3717478A
Authority: DE
Inventors: Gerd Dr.-Ing. 3422 Bad Lauterberg De Poesch
Original assignee: Deta-Akkumulatorenwerk 3422 Bad Lauterberg De GmbH
Current assignee: Deta-Akkumulatorenwerk 3422 Bad Lauterberg De GmbH
Priority date: 1987-05-23
Filing date: 1987-05-23
Publication date: 1989-12-21
Also published as: DE3717478A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden von wartungsfreien, verschlossenen Akkumulatoren, insbesondere Bleiakkumulatoren, die mit Überdruckventilen ausgestattet sind, die öffnen, wenn der Druck in der Akkumulatorzelle einen Grenzwert überschreitet, wobei die Ladung in einer Hauptladephase und einer Nachladephase erfolgt und in der Nachladephase die Gasungsspannung überschritten wird.

Es ist bekannt, daß eine Volladung von Batterien, insbesondere Bleibatterien, zusätzlich zu einer Hauptladephase, in der im allgemeinen zunächst mit konstantem Strom, dann mit konstanter Spannung und anschließend ggfs. noch einmal mit konstantem Strom geladen wird, eine Nachladephase benötigt, in der notwendigerweise die Gasungsspannung überschritten wird. Wartungsfreie verschlossene Bleibatterien werden heute mit Überdruckventilen ausgestattet, die die in der Zelle entstehenden Gase bei Überschreiten eines Überdruck-Grenzwerts entweichen lassen, bis dieser Grenzwert unterschritten wird.

Ein Überdruck in der Zelle entsteht immer dann, wenn die Gasungsspannung in der Nachladephase bewußt überschritten wird oder das Ladegerät defekt ist und deshalb über die Gasungsspannung hinaus geladen wird. Wenn über die gesamte Lebensdauer einer Batterie (bei ortsfesten und Traktionsbatterien über 5 bzw. sogar über 10 Jahre) kein Wasser nachgefüllt werden soll, darf beim regulären Betrieb der Batterie so gut wie gar kein Wasser zersetzt werden, das als Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch über das Sicherheitsventil die Zelle verläßt.

Es ist bekannt, den Elektrolyten mit einem Vlies als Separator oder durch Gelieren des Elektrolyten festzulegen, wobei sich nach anfänglichem Wasserverbrauch kleine Hohlräume und Risse im festgelegten Elektrolyten zwischen den Platten bilden, über die der Sauerstoff von der positiven zur negativen Platte gelangen und dort vom Blei reduziert werden kann, um schließlich mit den Protonen des Elektrolyten zu Wasser zu rekombinieren. Die Rekombinationsreaktion verläuft jedoch sehr langsam. Statt der üblichen Blei-Antimon-Gitterlegierung ist man daher zu Blei- Kalzium-Gitterlegierungen übergegangen, bei denen sich die Wasserstoffüberspannung erhöht und bei gleicher Ladespannung weniger Wasser zersetzt wird.

Um Blei-Kalzium-Batterien vollzuladen, ist eine Nachladephase mit konstantem Strom bei ansteigender Spannung erforderlich. Dabei nimmt man in Kauf, daß sich bei jedem Volladen ein kleiner Wasserverlust ergibt. Da der Wasserverlust von Zelle zu Zelle unterschiedlich ist, ergeben sich Spannungsunterschiede zwischen den Zellen, wodurch die Ungleichmäßigkeit der Zellen im Gesamtverbund verstärkt wird. Dieses führt spätestens nach zweihundert bis dreihundert Lade-Entlade-Zyklen zum Frühausfall einzelner Zellen und zur Unbrauchbarkeit der gesamten Batterie.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß die Volladung auf die volle Kapazität möglich ist, ohne daß ein Wasserverlust in der Zelle entstehen muß.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs erwähnten Art gelöst, wenn in der Nachladephase jeweils abwechselnd unter Gasentwicklung geladen wird, bis in der Zelle ein unterhalb des Grenzwertes des Überdruckventils liegender Überdruck aufgebaut ist und anschließend eine ein- oder mehrstündige Ladepause vorgenommen wird, in der sich der Überdruck in der Zelle zumindest zu einem überwiegenden Teil wieder abgebaut hat.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht in der Nachladephase, in der beim Laden die Gasungsspannung überschritten wird, eine intermittierende Ladung mit relativ kurzen Ladezeiten und relativ langen Ladepausen vor, wobei eine Vielzahl der Lade- Pausen-Zyklen, vorzugsweise zwischen acht und zwanzig Zyklen, durchlaufen wird. Die Ladezeit darf dabei maximal so lang sein, daß der durch die Gasung entstehende Überdruck noch eben unterhalb des Grenzwertes des Überdruckventils bleibt. Die jeweils anschließende Pause, in der der Ladestrom jedenfalls stark abgesenkt oder gar ausgestellt wird, sollen so lang sein, daß sich der Überdruck praktisch vollständig durch Rekombination des entstandenen Gases zu Wasser wieder abbaut, jedenfalls ein überwiegender Teil des Überdruckes abgebaut wird.

Selbstverständlich ist es möglich, die Lade- und Pausenzeiten dieser Zyklen aufgrund einer Druckmessung innerhalb der Zelle zu steuern. Da der hierfür erforderliche meßtechnische Aufwand nur in der Minderzahl der Anwendungsfälle gerechtfertigt sein dürfte, wird es in der Praxis vorteilhaft sein, die Ladezeiten und Pausenzeiten nach Erfahrungswerten für den gewünschten Erfolg einzustellen.

Nach den vorliegenden Erfahrungswerten ist es daher zweckmäßig, wenn die Ladezeit in der Nachladephase jeweils zwischen 5 und 60 Minuten liegt und die Pausenzeiten zwischen 1 und 4 Stunden liegen. Vorzugsweise nimmt die Ladezeit in der Nachladephase mit zunehmender Anzahl der Lade-Pausen-Zyklen ab und beträgt bei den letzten Zyklen ca. 10 Minuten. Für die Pausenzeit ist je nach Gitterlegierungen zwei bis drei Stunden ein günstiger Wert.

Die Anzahl der Lade-Pausen-Zyklen in der Nachladephase beträgt vorzugsweise zwischen acht und zwanzig.

Für PbCa-Batterien werden bevorzugt etwa neun Ladungen vorgenommen, von denen die erste 50 Minuten, die beiden folgenden 15 Minuten und die übrigen jeweils 10 Minuten dauern, wobei jeweils eine 2stündige Pause eingelegt wird.

Für PbSb-PbCa-Hybrid-Bleiakkumulatoren werden vorzugsweise dreizehn Ladungen vorgenommen, von denen die erste 30 Minuten und die übrigen 10 Minuten andauern, wobei jeweils eine 2,5 stündige Pause eingelegt wird.

Für Blei-Antimon-Akkumulatoren haben die Erfahrenswerte ergeben, daß sich die Nachladephase so lang erstreckt, daß eine Anwendung in der Praxis nur in Ausnahmefällen möglich erscheint.

Das erfindungsgemäße Ladeverfahren sieht in der Nachladephase somit eine Vielzahl von Lade-Pausen-Zyklen vor, bei denen die Ladezeit überwiegend 10 bis 15 Minuten und die Pausenzeit jeweils etwa 2 bis 3 Stunden beträgt. Daraus ergibt sich, daß sich die Nachladephase regelmäßig über mehr als einen Tag (bis zu 2½ Tage) hinzieht, so daß in der Praxis die Nachladung nur am Wochenende vorgenommen werden wird, wenn regelmäßig aus den Batterien keine elektrische Leistung entnommen wird.

Aus der DE-PS 33 28 994 ist eine intermittierende Ladung von Akkumulatoren bereits bekannt. Diese intermittierende Ladung ist jedoch für die Hauptladephase vorgesehen, bei einer IU-Ladung in der Ladephase mit konstanter Spannung, wobei impulsförmig der Ladestrom für größenordnungsmäßig 1 Minute so erhöht wird, daß die Gasungsspannung überschritten wird. Diese Ladung hat den Zweck, für eine Durchmischung des flüssigen Elektrolyten zu sorgen, da sich bei einer Konstantspannungsladung unterhalb der Gasungsspannung eine für die effiziente Ladung schädliche Säureschichtung ausbildet. Das Problem des Wasserverlustes bei wartungsfreien verschlossenen Batterien ist bei diesem bekannten Verfahren nicht angesprochen, vielmehr ist bei diesem Verfahren der Wasserverlust durch Gasung in Kauf genommen worden. Die angegebenen Größenordnungen für das Unterschreiten der Gasungsspannung von 4 bis 16 Minuten sind viel zu klein, um eine merkbare Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser zu bewirken, selbst wenn das bekannte Verfahren bei wartungsfreien, verschlossenen Batterien angewandt werden würde.

In der nachstehenden Tabelle sind Anwendungsbeispiele für die Ladung von PbCa-, Hybrid- und PbSb-Batterien angegeben.

Ladeverfahren für wartungsfreie Batterien

Die Anzahl der Lade-Pausen-Zyklen in der Nachladephase ist diejenige, die in den gewählten Ausführungsbeispielen erforderlich war, um für den folgenden Entladungszyklus die volle Kapazität der Batterie zur Verfügung zu stellen.

Die erste Ladung in der Hauptphase erfolgte jeweils mit einem konstanten Strom 0,75 × I₅, wobei I₅ die Stromstärke ist, die (rechnerisch) erforderlich ist, um die Batterie in 5 Stunden auf Nennkapazität aufzuladen.

Die erste Konstantstromladung in der Hauptladephase wird bei Erreichen der Zellenspannung von 2,3 V, 2,27 V bzw. 2,25 V abgebrochen. Anschließend wird noch einmal eine längere Konstantstromladung mit verringertem Strom (0,08 × I₅) ausgeführt. Diese Stromstärke wird in allen Fällen auch in der Nachladephase verwendet.

Die Tabelle zeigt, daß die komplette Ladung mit der zeitaufwendigen Nachladephase ohne Schwierigkeiten an einem Wochenende durchgeführt werden kann, wenn die entsprechenden Batterien am Wochenende nicht eingesetzt werden müssen. Da die PbSb-Batterien mehr als 2½ Tage für die Gesamtladung benötigen, werden sie regelmäßig nicht im Zyklenbetrieb einsetzbar sein.

Werden die Akkumulatoren während der Arbeitstage täglich benötigt, wird über Nacht nur die Ladung mit der Hauptladephase ausgeführt, so daß die komplette Volladung nur am Wochenende erfolgt. Diese Betriebsart ist zweckmäßig.

Claims

1. Verfahren zum Laden von wartungsfreien, verschlossenen Akkumulatoren, insbesondere Bleiakkumulatoren, die mit Überdruckventilen ausgestattet sind, die öffnen, wenn der Druck in der Akkumulatorzelle einen Grenzwert überschreitet, wobei die Ladung in einer Hauptladephase und einer Nachladephase erfolgt und in der Nachladephase die Gasungsspannung überschritten wird dadurch gekennzeichnet, daß in der Nachladephase jeweils abwechselnd unter Gasentwicklung geladen wird, bis in der Zelle ein unterhalb des Grenzwertes des Überdruckventils liegender Überdruck aufgebaut ist und anschließend eine mindestens einstündige Ladepause vorgenommen wird, in der sich der Überdruck in der Zelle durch eine Rekombination der an den Elektroden entstandenen Gase H₂ und O₂ zumindest zu einem überwiegenden Teil wieder abgebaut hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1 insbesondere für Blei-Kalzium-Baterien, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladung in der Nachladephase jeweils mit konstantem Strom erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der konstante Strom 0,08 × I₅ beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladezeit in der Nachladephase zwischen 5 und 60 Minuten liegt und daß die Pausenzeiten zwischen 1 und 4 Stunden liegen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladezeit in der Nachladephase abnimmt und in den letzten Lade-Pausen-Zyklen ca. 10 Minuten beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pausenzeiten etwa 2 bis 3 Stunden betragen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nachladephase zwischen acht und zwanzig Lade-Pause-Zyklen durchlaufen werden.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nachladephase für PbCa-Batterien etwa neun Ladungen vorgenommen werden, von denen die erste 50 Minuten, die beiden folgenden 15 Minuten und die übrigen 10 Minuten dauern, wobei jeweils eine 2,5stündige Pause eingelegt wird.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für Hybrid-Bleiakkumulatoren (PbSb-PbCa) dreizehn Ladungen vorgenommen werden, von denen die erste 30 Minuten und die übrigen 10 Minuten andauern, wobei jeweils eine 3stündige Pause eingelegt wird.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für PbSb-Batterien 19 Ladungen vorgenommen werden, von denen die erste 20 Minuten und die übrigen 10 Minuten dauern, wobei jeweils eine dreistündige Pause eingelegt wird.