GAZ-Academy: Aufbau, Arten und Lebensdauer von Batterien

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Aufbau, Arten und Lebensdauer von Batterien

Inhalt:

  1. Batterieaufbau

  2. Bleibatteriearten

  3. Batteriebezeichnungen

  4. Definition Batterielebensdauer

  5. Brauchbarkeitsdauer

  6. Auslegung von Batterienalagen

 

Das Herz einer jeden batteriegestützten Ersatzstromversorgung, seien es USV-, SSV-, BSV- oder Sicherheitsbeleuchtungsanlagen, ist die Batterie. Die Funktion der Batterieanlagen ist grundlegend für die sichere Versorgung von Anlagenteilen bei Ausfall der Allgemeinstromversorgung. Als elektrochemische Bauelemente unterliegen deren Anwendungen speziellen Umgebungsbedingungen. Diese beeinflussen die Lebensdauer der eingesetzten Batterien entscheidend und sollten bei der Auslegung und Installation Beachtung finden.

Für den Einsatz als stationäre Batterieanlagen stehen unterschiedlichste Batteriearten zur Verfügung. Neben den vorrangig eingesetzten Bleibatterien haben auch Nickel-Cadmium oder Lithium-Batterien für spezielle Anforderungen ihr Einsatzgebiet.

1. Batterieaufbau

Jede Batteriezelle besteht aus positiven und negativen Elektrodenplatten. Diese sind, je nach Bauart der Batterie, verschieden ausgeführt. Bei Batteriezellen, welche gut für eine Kurzeitentladung mit relativ hohen Strömen geeignet sind, setzt man auf eine positive und eine negative Gitterplatte. Mit ihren dünnen, verzweigten Leiterbahnen nehmen diese die Ströme schnell auf und bieten mehr
Oberfläche. Bei Langzeitentladungen und Langlebigkeit setzt man auf eine materialstärkere Plattenausführung auf der positiven Elektrodenseite. Die Ausführung mit Panzerplatte / Röhrchenplatte (Pz), Großoberflächenplatte  (Gro) oder als Reinblei ermöglicht es mehr Leistung in Bezug auf die Entlade- und Lebensdauer umsetzten. Mit einem mehr an Material halten diese Elektroden den elektro-chemischen Prozessen in der Batterie länger stand.
 

Beide leitfähigen Elektroden werden mittels eines Separators mechanisch und elektrisch voneinander getrennt. Dieser besteht meist aus einem säurebeständigen Kunststoff. Mehrere dieser Platten werden zu einem Plattenblock zusammengefasst. Ein negativer und ein positiver Plattenblock ergeben zusammen eine Batteriezelle.

 

  Blei-Zelle Nickel-Camium-Zelle Lithium-Zelle
Nennspannung 2V 1,2V 3,6V und 3,7V

 

Die einzelnen Zellen werden bei Bleibatterien meist zu Blöcken mit 3 oder 6 Zellen verbunden. Diese entsprechen dann einer gängigen Blockspannung von 6V bzw. 12V.


Die Unterbringung der Zellen erfolgt heutzutage in geschlossenen Batterietrögen aus säurefesten Kunststoffgehäusen. An deren Oberseite sind Ventilöffnungen eingefasst, welche das kontrollierte Entweichen von Gasen während des Ladevorgangs erlauben.  
Ein wesentlicher Bestandteil von Batterien bildet der Elektrolyt. Er bildet das leitfähige Medium, in dem die Batteriezellen ruhen. Bei Bleibatterien kommt dabei meist eine mit Wasser verdünnte Schwefelsäure zum Einsatz.

 

2. Bleibatteriearten


Man unterscheidet bei Bleibatterien zwischen einer geschlossenen (VLA) und einer verschlossenen Bauweise (VRLA). Bei der geschlossenen Bauweise kann die Batterie an der Deckeloberseite geöffnet werden, um den enthaltenen Elektrolyt aus verdünnter Schwefelsäure zu prüfen und bei Bedarf nachzufüllen. Bei verschlossenen Batterien ist dies nicht möglich, da hier das Elektrolyt in einer Art Glasfasermatte oder in einem Gel gebunden ist.

Bauart Geschlossene Bauart / VLA Verschlossene Bauart / VRLA
Bezeichnung OPzS OGi GroE OPzV OGiV
Elektrolyt flüssig flüssig flüssig AGM GEL AGM GEL

 

3. Batteriebezeichnungen


Die Batteriebezeichnungen bei stationären Bleibatterien geben uns Auskunft über die Bauart der Batterie.

 

Einsatzort Ausführung der positiven Platte Bauart
O GI PZ Gro V E
ortsfest positive Platte als Gitterplatte ausgeführt positive Platte als Panzerplatte ausgeführt postitive Platte als Großflächenplatte ausgeführt verschlossene Bauweise viel Eletkrolyt-Vorrat

 


Die Batteriearten unterscheiden sich hinsichtlich Baugröße und Leistungsdichte. Daraus resultierend werden die Batterien verschiedensten Einsatzansprüchen gerecht. Ein wesentliches Hauptkriterium jedoch ist vor allem die mögliche Nutzungsdauer der Batterieanlage.

 

4. Definition der Batterielebensdauer

 

Design-Lebensdauer
(Theorie)

Haltbarkeit
(Labor)

Brauchbarkeitsdauer
(Praxis)

unter Berücksichtigung der Auslegung und Ausführung der einzelnen Komponenten und den lebensdauerbegrenzenden Parametern aus den Haltbarkeitstests abgeleiteter Wert unter definierten, teilweise genormten und teilweise beschleunigenden Bedingungen ermittelte Werte auf Basis von Felderfahrungen unter optimalen Bedingungen ermittelte Werte; beschreibt den Zeitraum in dem eine bestimmte spezifizierte Kapazität oder Leistung genutzt werden kann

 Definition verschiedender Lebensdauereinteilungen für Batterien gem. ZVEI Merkblatt Nr. 23



Die nachfolgenden PDFs geben Ihnen eine gute Übersicht verschiedener Batterietypen nach möglichen Anwendungsfällen und Brauchbarkeitsdauer:


5. Brauchbarkeitsdauer

Bei der Auswahl der Batterieanlage hinsichtlich der Lebensdauer sollte der Brauchbarkeitsdauer besondere Aufmerksamkeit zuteil werden. Der ZVEI hat – in seiner Ausgabe Nr. 19 – einige Punkte dazu zusammengefasst. Grundlegend ist die Brauchbarkeitsdauer die praxisbezogene Lebenserwartung unter optimalen Betriebsbedingungen. Diese ist abhängig von der Bauart und Güte der verwendeten Batterie sowie den Umgebungs- und Anwendungsbedingungen, sowie den durchgeführten Wartungen.

Eine heutzutage häufige Fehlerquelle unserer Meinung nach, ist die Umgebungstemperatur. Dabei gibt es 2 Extreme: zu hohe oder zu kalte Umgebungstemperaturen. Wobei aus unserer Erfahrung heraus, vielerorts Anlagen mit zu hohen Umgebungstemperaturen die meisten Probleme bereiten. Bereits geringe Temperaturabweichungen nach oben, können zu einer deutlich verkürzten Lebenserwartung der Batterie führen. Die Leistungsangaben der Hersteller, bezüglich Lebenserwartung und Leistungsausbeute, beziehen sich auf den Temperaturbereich von 20°C.

 


Auszug aus dem aktuellen GAZ-Planungshandbuch.
Dieses können Sie sich hier kostenfrei herunterladen oder per Post bestellen!

 

Weitere wichtige Punkte, welche die Brauchbarkeitsdauer negativ beeinflussen können, sind:

  • Eine zu geringe Erhaltungsladung kann zu einem schnellen Kapazitätsverlust führen. Eine zu hohe Erhaltungsladung kann zu verstärkter Korrosion, Wasserzersetzung und damit verbundener Gasung der Batterie führen. Abhilfe schafft hier eine fachgerechte Inbetriebnahme Ihrer Batterieanlage und damit verbundes Einstellen der richtigen Ladespannungen an der Batterieladeeinrichtung gemäß den Umgebungsbedingungen.

 

  • Eine Wechselstrombelastung mit <30Hz führen zu einer Temperaturerhöhung der Batterie und daraus resultierend ebenfalls zu verstärkter Korrosion, Wasserzersetzung und damit verbundener Gasung der Batterie. Unter 30Hz wird die Batterie zyklisch hoch belastet und in Folge dessen nicht mangelhaft geladen.

 

  • Moderne Ladegeräte beinhalten einen so genannten Tiefentladeschutz, da das Entladen der Batterie über eine Tiefentladegrenze zu beschleunigter Alterung der Batterie führen kann.

 

  • Ebenfalls zu einer beschleunigten Alterung der Batterie trägt eine hohe Zyklen-Belastung bei, wie sie zum Beispiel bei Solarspeichern im Pufferbetrieb vorkommt.


Unabhängig von den Umgebungsbedingungen unterliegen Batterien weiteren, allgemeinen Alterungsprozessen, welche zum Abbau und damit zu einer Reduzierung der inneren Leitungsquerschnitte führen. Dies kann im schlimmsten Fall dazu führen, dass die Batterie den geforderten Strombelastungen auf Dauer nicht mehr standhalten kann und sich durch den erhöhten Stromfluss negativ erwärmt. Dies kann bis hin zur thermischen Überlastung und Zerstörung der Batterieanlage führen.

Nach dem ZVEI wird das Ende der Brauchbarkeitsdauer erreicht, wenn 80% der projektierten Kapazität unterschritten wird.

Da es sich bei der Batterie nicht um ein statisches Bauteil handelt und viele Faktoren auf die Batterieanlage einwirken, muss dies bei der Auslegung der Batterien mit beachtet werden. Bei sicherheitsrelevanten Batterieanlagen ist seitens der NORM DIN EN 50171 Pkt. 6.12 eine so genannte Alterungsreserve mit einzuplanen, sodass die Batterieanlage über die gesamte, angestrebte Lebensdauer die angeschlossene Leistung sicher versorgen kann.

 

 

6. Auslegung von Batterieanlagen

1. Schritt

Wo wird die Batterie eingesetz, wie sind die Umgebungsbedingungen? Legen Sie den benötigten Batterietyp fest.

2. Schritt

Fassen Sie die Gesamtanschlussleistung zusammen. Legen Sie fest, wie lang die Überbrückungszeit der Batterieanlage benötigt wird, also über welche Dauer die angeschlossenen Leistung versorgt werden muss.

 

3. Schritt

Suchen Sie anhand des Batteriedatenblatts des Herstellers die richtige Batterie aus. Beachten Sie dabei, dass die Angaben im Datenblatt bei verschiedenen Herstellern variieren können. Legen Sie fest, bis zu welcher Entladeschlussspannung die Batterien entladen werden dürfen. Die Entladeschlusspannung gibt an, bis zu welcher Schwelle die Batterien entladen werden können, ohne einen dauerhaften Schaden davon zu tragen. Diese bewegt sich bei OGiV-Batterien meist im Rahmen von 1,8V pro Zelle, bzw. 10,8V bei einem 12V Block und kann bei den Herstellern variieren. Ebenfalls sollten Sie darauf achten, ob die Angaben als Strom- oder Leistungsangaben für Zelle oder Block auf dem Datenblatt erfolgt.

 

4. Schritt

Mit den festgelegten Werten und Batteriedaten können Sie nun Ihre Batterie bestimmen.

 

Im Beispiel nehmen wir an, dass unsere Batterieanlage bei 216V eine Leistung von 2000W über min. 3h versorgen soll.
Dazu müssen wir im ersten Schritt die benötigte Batterieleistung inkl. aller Reserven und Verluste berechnen.

 

Da die Leistungsangaben in der Tabelle für einen Batterieblock gelten, müssen wir unsere benötigte Blockleistung berechnen. Bei einer 216V Anlage sind dies 18Block. Mit der ermittelten, benötigten Blockleistung und der Überbrückungszeit, können wir nun die richtige Batterie auswählen.

 

 


Anhand der getroffenen Batterieauswahl können Sie nun alle weiteren Schritte in Ihrem Projekt bearbeiten. Dazu gehören Auslegung der Ladeeinrichtung und die Berechnung der benötigten Be-und Entlüftung Ihres Batterieraumes, die Dimensionierung der Batterieaufstellfläche und Traglast des Batteriebodens sowie einen Batterieschrank oder Gestell zur Aufnahme der Batterie selbst.

 

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Weiterführende Informationen dazu, erhalten Sie in unserem aktuellen GAZ-Planungshandbuch. Dieses können Sie sich hier kostenfrei herunterladen oder per Post bestellen!
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