Blei-Säure-Batterien gibt es seit Jahrzehnten als zuverlässige Energiespeicher für verschiedene Anwendungen, von der Stromversorgung von Kraftfahrzeugen bis hin zu Notstromquellen. Ihre inhärenten Eigenschaften und Leistungsparameter machen sie zu einer festen Größe in der Welt der Batterien, und das wird sicher auch so bleiben. In diesem Artikel werden wir einige wesentliche Aspekte untersuchen, die Blei-Säure-Batterien definieren und ihre Feinheiten und Anwendungen beleuchten.
Einführung
Was die Energiespeicherung anbelangt, so haben Blei-Säure-Batterien ihre Bedeutung behalten, auch wenn neuere Technologien wie Lithium-Ionen- und Festkörperbatterien das Rampenlicht für sich beanspruchen. Ihre Stärke, Kosteneffizienz und Anpassungsfähigkeit sorgen dafür, dass sie in vielen Industriezweigen eingesetzt werden. Ein wenig Wissen über einige wichtige Eigenschaften und Leistungsparameter von Blei-Säure-Batterien hilft sowohl Experten als auch Laien, fundierte Entscheidungen über deren Verwendung zu treffen.
1. Nennspannung
Die Nennspannung einer Batterie bezieht sich auf die Standardausgangsspannung, die die Batterien bei der Stromerzeugung liefern. Die Standard-Blei-Säure-Batterien haben 2 Volt pro Zelle, wobei die üblichen Konfigurationen zwischen 6 und 12 Zellen liegen. Dies macht 12-V-Batterien zu einer der am häufigsten verwendeten Batterien in Kraftfahrzeugen und anderen Anwendungen. Nennspannungen sind wichtig, um die Kompatibilität mit den Geräten zu gewährleisten, die sie versorgen.
Die Kenntnis der Nennspannung ist wichtig, um den Ladezustand zu bestimmen, die verbleibende Kapazität abzuschätzen und den ordnungsgemäßen Betrieb in verschiedenen Anwendungen sicherzustellen. Dieser standardisierte Wert dient zwar als Richtschnur für Konstruktionsüberlegungen, doch ist es von entscheidender Bedeutung, das tatsächliche Spannungsverhalten bei der realen Nutzung von Batterien zu berücksichtigen.
2. Kapazität
Die Kapazität ist eine wichtige Kennzahl, die die Energiemenge beschreibt, die eine Batterie speichern und abgeben kann. Sie wird in Amperestunden (Ah) ausgedrückt und gibt an, wie lange die Batterie hält. Blei-Säure-Batterien können je nach Größe, Konfiguration und Design unterschiedliche Kapazitäten aufweisen. Dieser Parameter bestimmt, wie lange eine Batterie eine Belastung aushalten kann, bevor sie wieder aufgeladen wird.
Die Kapazität von Blei-Säure-Batterien hängt von der Entladegeschwindigkeit und der Temperatur ab. Ihre Kapazität nimmt im Allgemeinen bei langsamen Entladungen ab, während sie bei hohen Entladungsraten zunimmt. Außerdem wird die Kapazität von Blei-Säure-Batterien bei extremen Temperaturen, insbesondere bei Kälte, verringert.
3. Selbstentladungsrate
Die Selbstentladungsrate von Blei-Säure-Batterien bezieht sich auf den Verlust der gespeicherten Energie in dieser Batterie im Laufe der Zeit, auch wenn sie nicht benutzt wird oder nicht an eine Last angeschlossen ist. Dies geschieht aufgrund chemischer Reaktionen, die in den Zellen dieser Batteriezellenstruktur stattfinden. Die internen Eigenschaften von Blei-Säure-Batterien weisen im Vergleich zu einigen anderen Batterietypen eine relativ hohe Selbstentladungsrate auf.
Die Selbstentladungsrate von Blei-Säure-Batterien wird beispielsweise durch Faktoren wie Temperatur und Alter der Batterie beeinflusst. Hohe Temperaturen beschleunigen den Selbstentladungsprozess. Infolgedessen verringern sie die Leistung der Batterien und verkürzen ihre Lebensdauer. Um dieses Problem auszugleichen, haben neue Blei-Säure-Batterie-Designs sowie Technologien bessere Materialien mit verbesserten Konstruktionsmethoden integriert.
4. Effizienz der Ladung
Der Ladewirkungsgrad ist einer der wichtigsten Leistungsparameter, der angibt, wie effektiv eine Batterie während des Ladens elektrische Energie umwandeln kann. Blei-Säure-Batterien haben einen relativ guten Ladewirkungsgrad. Moderne Konzepte erreichen etwa 85-95 %. Der Zeit- und Arbeitsaufwand für das Aufladen des Akkus ist ein Indikator für diese Effizienz. Dies unterstreicht die Bedeutung des wiederholten Aufladens als Bestandteil von Anwendungen.
Die Ladeeffizienz von Blei-Säure-Batterien wird von vielen Faktoren beeinflusst, darunter Spannung, Stromstärke und Ladetemperatur. Eine Überladung führt zu einer Verringerung der Ladeeffizienz, da mehr Energieverluste durch Wärme und Gase in der Batterie entstehen. Hohe Entladungsraten verringern die Ladeeffizienz, da sie zu einem höheren Innenwiderstand und einer ineffizienten Energieübertragung führen.
5. Interner Widerstand
Der Innenwiderstand trägt noch weiter zur Energieeffizienz einer Batterie bei. Während des Entladens und Aufladens kann es zu ungleichmäßigem Energieverlust kommen, da sich die internen Widerstände erhöhen und dadurch Wärme erzeugt wird. Blei-Säure-Batterien zeichnen sich durch mäßige interne Widerstände aus, was ihre Leistung bei hohen Stromanforderungen beeinträchtigt, die u. a. durch Faktoren wie Elektrolyt-/Elektrodenmaterialwiderstände verursacht werden. Dieser Widerstand führt zu Spannungsabfällen innerhalb der Batterie, die sowohl bei Lade- als auch bei Entladevorgängen auftreten.
Ein hoher Innenwiderstand hat viele Auswirkungen. Beim Entladen wird die Ausgangsspannung der Batterie durch einen hohen Innenwiderstand beeinträchtigt, der sich auf Geräte oder Systeme auswirkt, die auf die Leistung der Batterie angewiesen sind. Auch bei hohen Stromflüssen wird durch diese Art von Innenwiderstand Wärme erzeugt; dadurch entstehen auch Energieverluste sowie die Beschleunigung der Batteriedegradation.
6. Kaltstart-Ampere (CCA)
Einer der kritischsten Leistungsparameter bei Blei-Säure-Batterien, insbesondere bei solchen für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, ist die Kaltstartleistung (Cold Cranking Amps, CCA). CCA ist ein Maß dafür, wie viel Strom bei niedrigen Temperaturen geliefert werden kann und gibt an, wie lange man diesen Strom aufrechterhalten kann, ohne eine akzeptable Mindestspannung einzuhalten.
Die erste Leistung einer Batterie veranschaulicht gut, wie eine ziemlich gute Batterie einen Motor unter kalten Bedingungen in Gang setzen kann. Batterien mit höheren CCA-Werten liefern mehr Strom an den Anlasser und ermöglichen so eine zuverlässige Zündung des Motors auch bei schwierigen Witterungsbedingungen wie z. B. einer erhöhten Viskosität des Motoröls.
7. 20-Stunden-Tarif und 10-Stunden-Tarif
Die 20-Stunden-Rate und die 10-Stunden-Rate werden bei der Messung der Kapazität von Blei-Säure-Batterien über verschiedene Zeiträume verwendet.
“C20” ist die Entladungsrate einer Bleibatterie für 20 Stunden. Dieser Wert bezieht sich auf die Kapazität oder Energie, die er hat, um 20 Stunden lang einen gleichmäßigen Strom zu liefern, während er seine Spannung beibehält. Dies ist vor allem bei der Bestimmung der Kapazität von Deep-Cycle-Bleibatterien der Fall, deren Anwendungen über einen langen Zeitraum anhaltend niedrige Ströme erfordern.
Ebenso misst die 10-Stunden-Rate, bezeichnet als “C10”, die Batteriekapazität über eine Entladezeit von 10 Stunden. Diese Art von Rate wird hauptsächlich in kleineren Blei-Säure-Batterien verwendet. Sie kann angeben, wie effektiv oder ineffizient die Batterie bei Anwendungen ist, die höhere Entladungsraten als die 20-Stunden-Rate erfordern.
Solche Tarife standardisieren die Messung und Angabe von Batteriekapazitäten, so dass sowohl Verbraucher als auch Hersteller fundierte Entscheidungen bei der Auswahl von Batterien unter Berücksichtigung ihrer Anforderungen treffen können. Außerdem können einige Batterien zwar höhere Entladungen bei schnelleren Raten verkraften, dies wirkt sich jedoch auf ihre Kapazität aus, da diese von Faktoren wie dem Innenwiderstand und den chemischen Prozessen innerhalb der Batterie abhängt.
8. Lebensdauer der Schwimmer und Lebensdauer des Zyklus
Schwimmer- und Zyklenlebensdauer sind Schlüsselindikatoren für die Haltbarkeit von Bleiakkumulatoren und spiegeln ihre Leistung und Langlebigkeit unter verschiedenen Betriebsbedingungen wider.
Erhaltungsladungsdauer: Als Float-Lebensdauer wird die Zeit bezeichnet, in der eine Bleibatterie zuverlässig im Erhaltungsladezustand betrieben werden kann, ohne dass es zu einer nennenswerten Verschlechterung kommt. Bei der Erhaltungsladung bleibt die Batterie mit einer kontinuierlichen Erhaltungsladung bei niedrigerer Spannung verbunden, hat aber weiterhin einen Ladezustand. Erhaltungsladung wird für Anwendungen benötigt, die eine sichere und konstante Stromquelle benötigen, wie z. B. Notstromsysteme und Notbeleuchtung. Die Lebensdauer gibt an, wie lange die Batterien einen längeren Standby-Betrieb vertragen und dabei ihre Kapazität und Leistung beibehalten.
Zyklenlebensdauer: Die Zyklenlebensdauer ist die Anzahl der Lade- und Entladezyklen, denen eine Bleibatterie standhalten kann, ohne dass die Kapazität merklich abnimmt. Dieser Parameter ist nützlich für Anwendungen, die häufige Zyklen erfordern, wie z. B. die Speicherung erneuerbarer Energien und Elektrofahrzeuge. Eine höhere Zyklenlebensdauer zeigt die Toleranz gegenüber wiederholten Lade- und Entladezyklen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Kapazität und Leistung einer Batterie. Tiefere Entladungen als die empfohlenen beeinträchtigen die Lebensdauer des Zyklus.
Das Wissen um die Schwimm- und die Zykluslebensdauer hilft den Nutzern bei der Auswahl von Blei-Säure-Batterien, die ihren spezifischen Anwendungsanforderungen entsprechen. Die Ausgewogenheit von Float-Lebensdauer und Zyklus-Lebensdauer ist von großer Bedeutung für die Optimierung der Betriebslebensdauer und der Effizienz der Batterie in verschiedenen Szenarien.
9. Sicherheit Leistung
Die Sicherheit ist eine wichtige Komponente der Leistung von Blei-Säure-Batterien im Vergleich zu anderen, weniger anfälligen Batteriechemien bei thermischem Durchgehen, dennoch sind Blei-Säure-Batterien sicherheitsrelevant:
1. Begasung und Belüftung: Während des Ladevorgangs produzieren die Blei-Säure-Batterien Wasserstoff und Sauerstoff. In schlecht belüfteten oder engen Räumen sammeln sich diese Gase an, was eine Explosionsgefahr mit sich bringt. Es wäre am besten, eine angemessene Belüftung zu verwenden, um solche Gase abzuführen, ohne ein Explosionsrisiko darzustellen.
2. Auslaufende Säure: Blei-Säure-Batterien enthalten Schwefelsäure als Elektrolyt, so dass bei einer Beschädigung des Batteriegehäuses Säure auslaufen kann. Dies führt auch zu Verätzungsrisiken und möglichen Umweltgefahren.
3. Überladung: Bei einer Überladung kommt es zu einer verstärkten Gasproduktion, die zu Elektrolytverlust, Überhitzung und möglicherweise zur Beschädigung der Batterie führt. Unbeabsichtigte Kurzschlüsse aufgrund von Beschädigungen oder internen Fehlern führen zu Hitzeentwicklung, Elektrolytspritzern und möglichen Bränden.
4. Wartung: Ein Versagen der Batterie kann durch unsachgemäße Handhabung, z. B. durch Hinzufügen von nicht destilliertem Wasser oder falsche Lademethoden, Gasfreisetzung oder Auslaufen von Säure verursacht werden.
Eine sachgemäße Handhabung, Wartung und Lagerung sowie die Einhaltung der Herstellerrichtlinien können die Sicherheitsbedenken im Zusammenhang mit Blei-Säure-Batterien verringern.
10. Temperatur-Eigenschaften
Die Temperaturmerkmale beeinflussen die Leistung von Blei-Säure-Batterien in hohem Maße. Bei unterschiedlichen Temperaturen weisen diese Batterien ein unterschiedliches Verhalten auf: Lade- und Entladewirkungsgrad: Kälte behindert die chemischen Reaktionen innerhalb der Batterie in kurzer Zeit. Diese reduzierten chemischen Reaktionen führen zu einer schlechten Lade- und Entladeeffizienz der Batterie. Erhöhte Temperaturen können diese Reaktionen beschleunigen und den Kapazitätsverlust beschleunigen.
●Selbstentladung: Unter extremen Umweltbedingungen können hohe Temperaturen die Selbstentladung eines Akkus beschleunigen, so dass er im Leerlauf schneller Energie verliert. Dies ist vor allem bei Anwendungen von Bedeutung, bei denen die Batterien über einen längeren Zeitraum gelagert werden.
●Elektrolyt: Extreme Temperaturen können die Viskosität von Elektrolyten beeinträchtigen und den Ionenfluss reduzieren, was die Gesamtleistung der Batterie verringert.
●Lebensdauer: Der Betrieb von Blei-Säure-Batterien bei extremen Temperaturen, insbesondere bei hohen Temperaturen, beschleunigt den Alterungsprozess und verkürzt die Lebensdauer der Batterie.
Ein angemessenes Temperaturmanagement, wie z. B. Isolierung oder Belüftung bei kalter Lagerung oder heißem Betrieb, würde eine optimale Leistung der Bleibatterie gewährleisten und ihre Lebensdauer verlängern.
11. JIS-Norm
Die japanische Industrienorm (JIS ) für Blei-Säure-Batterien, hauptsächlich JIS D5301, legt die Anforderungen und Spezifikationen für Autobatterien fest, die üblicherweise in Fahrzeugen eingesetzt werden. Die Norm deckt verschiedene Aspekte ab, darunter Abmessungen, Leistungsmerkmale, Kennzeichnung und Prüfverfahren.
JIS D5301 definiert Parameter wie Kapazität, Kaltstartleistung, Reservekapazität und Innenwiderstand. Sie enthält auch Kennzeichnungsvorschriften, die den Verbrauchern Informationen über die Leistungsfähigkeit einer Batterie geben.
Diese Norm ist harmonisch, da sie die Qualität der in Japan hergestellten und verkauften Autobatterien aufrechterhält, so dass die Verbraucher eine sachkundige Wahl treffen und die Kompatibilität mit ihren Fahrzeugen sicherstellen können. Diese Richtlinien werden von den Herstellern befolgt, die Batterien herstellen, die die vorgeschriebenen Leistungs- und Sicherheitskriterien erfüllen. Die Einhaltung der JIS-Norm verbessert die Zuverlässigkeit der Batterien, unterstützt die Industrievorschriften und trägt zum reibungslosen Betrieb von Fahrzeugen bei, indem sie standardisierte Batterien mit durchgängig gleichbleibender Leistung bietet.
12. EN-Norm
Die EN (Europäische Norm) legt die Verwendung von Blei-Säure-Batterien in Kfz-Startern fest. Sie umfasst einige Konstruktionsparameter, die Leistung, die Sicherheit und die Kennzeichnung einer Batterie.
Die Norm EN 50342 beschreibt Parameter wie Fassungsvermögen, Kaltstartverhalten, Leistungsreserven und Klemmenabmessungen. Außerdem werden Testmethoden zur Bewertung dieser Werte aufgeführt, damit sie für verschiedene Batteriemarken einheitlich und genau sind.
Die Norm soll sicherstellen, dass die Qualität, Sicherheit und Zuverlässigkeit von Starterbatterien auf diesem Markt gewährleistet ist. Die Einhaltung der Norm EN 50342 ermöglicht es den Herstellern, Batterien herzustellen, die die festgelegten Leistungs- und Sicherheitskriterien erfüllen, wodurch das Vertrauen der Verbraucher gestärkt und die Kompatibilität mit Fahrzeugen gewährleistet wird. Die Einhaltung der EN-Norm unterstützt die behördlichen Anforderungen und verbessert die Effizienz des Fahrzeugbetriebs durch die Bereitstellung standardisierter Batterien mit einheitlichen Leistungsmerkmalen.
Die Quintessenz
Blei-Säure-Batterien bleiben aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften und Leistungsparameter weiterhin relevant. Von der Nennspannung und der Kapazität bis hin zu den Sicherheitsleistungen und den Temperatureigenschaften haben sie ihre Zuverlässigkeit und Vielseitigkeit unter Beweis gestellt. Ob in Fahrzeugen, Notstromsystemen oder anderen Anwendungen, die Kenntnis dieser Parameter ist für die Maximierung der Effektivität und Langlebigkeit unerlässlich. Im Zuge des technologischen Fortschritts werden sich Blei-Säure-Batterien höchstwahrscheinlich weiterentwickeln und ihren Platz in der Welt der Energiespeicherung beibehalten.