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f+h fördern und heben 7-8/2015

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BATTERIELADETECHNIK

BATTERIELADETECHNIK Batterien effizient und schonend laden Technische Hintergründe zum Ri-Ladeprozess von Fronius Die Ladeverfahren der Antriebs- Akkumulatoren von Elektro- Flurförderzeugen unterliegen ständigen Veränderungen. In diesem Zusammenhang bemerkenswert ist das neu entwickelte Ri-Ladeverfahren von Fronius, da bei diesem Verfahren während des Ladeprozesses auf den aktuellen Batteriezustand eingegangen wird. Seit Jahren steht die Effizienzoptimierung elektromotorisch angetriebener Flurförderzeuge im Fokus der Entwickler und Anwender. Dabei sind vor allem die Konzepte und Technologien zur Energiespeicherung respektive das Laden der Antriebsbatterien ein Hauptthema. Als das am häufigsten angewendete Ladeverfahren in der Intralogistik gilt bis dato das IUI-Ladeverfahren. Der österreichische Entwickler und Hersteller von Batterieladesystemen Fronius, Wels, ist seit fast 70 Jahren auf diesem Gebiet tätig und hat mit dem „Ri-Ladeprozess“ ein neues Konzept zum Laden einer Blei-Säure-Antriebsbatterie entwickelt. Wie sich dieses Ladeverfahren von den herkömmlichen Verfahren unterscheidet und welche Vorteile sich daraus in Bezug auf Energieeffizienz und Ladewirkungsgrad ergeben, wird in der Folge erläutert. Der innere Widerstand (R i ) einer Blei- Säure-Batterie ist ein batteriespezifischer Wert, der sich während des Ladens und Entladens vor allem durch die sich ändernde Säurekonzentration im Ladungsspeicher verändert. Darüber hinaus haben weitere Effekte wie Diffusionsprozesse, Polarisationsüberspannung oder die Umwandlung von Bleisulfat in Bleioxid, Einfluss auf den Innenwiderstand. Die größte Änderung des Innenwiderstands 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. Aktives Material bezeichnet dabei jene Komponenten, die auf der Anode (Pluspol) und der Kathode (Minuspol) an der Ladung und Entladung „aktiv“ teilnehmen, also umgewandelt werden. Mit steigendem Ladezustand ist vor allem der stark stromabhängige Polarisationswiderstand für die Erhöhung des Innenwiderstands verantwortlich. Er wird gegen Ende des Ladeprozesses hochohmig, da kein aktives Material (Bleisulfat) mehr für die Umwandlung in Blei und Bleioxid bereit steht. Der schematische Verlauf des Innenwiderstands R i bei Blei-Säure-Batterien über den Ladezustand ist in Bild 01 ersichtlich. Dabei gibt „SOC“ (State of Charge) den 22 f+h 7-8/2015

BATTERIELADETECHNIK Ladezustand der Batterie an. Äußere Einflüsse wie Temperatur, Alterung und andere Effekte bleiben hier unberück sichtigt. Auswirkungen des Ladeverfahrens auf die Verlustleistung Nachdem das Verhalten des Innenwiderstands während des Ladevorgangs betrachtet wurde, sind nun der Ladeprozess und dessen Einfluss auf die erzeugte Verlustleistung P Verlust am Innenwiderstand von Interesse. Der Großteil der Ladungsmenge (70 bis 80 Prozent) wird während der als „I-Zweig“ bezeichneten Hauptladephase mit konstantem Strom eingeladen bis eine definierte Spannungsgrenze (meist 2,4 V pro Zelle) erreicht ist. Die Höhe des Ladestroms wird in Abhängigkeit der Batteriekapazität gewählt und am Ladegerät eingestellt, z. B. 20 A bei einer 100-Ah-Batterie. Die durch den konstanten Ladestrom am Innenwiderstand erzeugte Verlustleistung lässt sich somit folgendermaßen beschreiben: P Verlust = I² × R i . Eine schematische Darstellung der Verlustleistung P Verlust über den Innenwiderstand bei konstantem Ladestrom I zeigt Bild 02. Ladeverluste aber sind unerwünscht. Sie sind eine Ursache für die Batterieerwärmung, die – vor allem im Bereich über 40 °C – von negativem Einfluss auf die Lebensdauer einer Batterie auf Blei-Schwefelsäure- Basis ist, weil dann alle chemischen Reaktionen beschleunigt ablaufen. Die Gründe für diese Ladeverluste sind bislang vorgefertigte Ladekennlinien, bei denen die Batterie mit einem vorgegebenen, u. U. zu hohen Ladestrom beaufschlagt wird − unabhängig von der Säurekonzentration und damit vom Ladezustand der Batterie. Bei dem neu entwickelten Ri-Ladeprozess von Fronius wird der Ladestrom I nicht konstant zugeführt, sondern in Abhängigkeit des Innenwiderstands R i 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 R i nur ein Viertel der Verlustleistung P Verlust . Eine schematische Darstellung der Anpassung des Ladestromes I an den Innenwiderstand R i und die Auswirkung auf die Verlustleistung P Verlust ist in Bild 03 zu sehen. Auswirkungen des Ladeverfahrens auf den Ladewirkungsgrad Um eine Vollladung der Batterie zu erzielen, muss mehr Ladung Q zu über das Ladegerät zugeführt werden, als Ladung Q auf von der Batterie aufgenommen wird. Das Verhältnis der beiden Ladungen nennt man den Ladefaktor L F , den Kehrwert wird als Ladewirkungsgrad η Laden oder Coulombscher Wirkungsgrad bezeichnet. Folgen Sie uns auch online! www.foerdern-und-heben.de www.facebook.com/intralogistik www.twitter.com/foerdern_heben www.google.com/+Foerdern-und-hebenDe 01 Schematischer Verlauf des Innenwiderstands R i bei Blei-Säure-Batterien über den Ladezustand – SOC = State of Charge Mit f+h bleiben Sie stets auf dem Laufenden f+h 7-8/2015 23

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