Elektrische Energie- und Startsysteme (2) 15.02.2017, 06:27

Bild Batterie mit 6 Zellen

Starterbatterien: Wartungsarme und wartungsfreie Batterien, Ladezustand, Unfallverhütung. Mit Vertiefungsfragen.

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Fahrzeugantriebe: Elektrische Energie- und Startsysteme (2) 

Ältere, herkömmliche Batterien haben einen Nachteil: Die Schwefelsäure, die schwerer als Wasser ist, kann sich im Elektrolyten absetzen, wenn über längere Zeit kein Lade- oder Entladestrom fließt. Diese Trennung von Flüssigkeiten nennt man »Schichten«. Ein solcher Vorgang beeinflusst die Kapazität, die Stromstärke und die Lebensdauer der Batterie. Außerdem verdunstet während der Ruhephasen laufend Wasser. Dies und die Gasentwicklung während des Ladens erfordert ein regelmäßiges Nachfüllen des Batteriewassers. Hierfür haben die Zellen abschraubbare Deckel. 

Voraussetzungen für eine lange Batterie-Lebensdauer  
• regelmäßiges Nachladen; dies geschieht im Fahrzeug automatisch, 
• keine Nachladungen mit Spannungen über 14,4 V, 
• keine mechanischen Beschädigungen, 
• Batterie keinen hohen Temperaturen aussetzen.  
Wird darauf nicht geachtet, ist mit einer stark verkürzten Lebensdauer der Batterie zu rechnen.

Wartungsarme und wartungsfreie Batterien 
Wartungsarme und wartungsfreie Batterien besitzen keine abschraubbaren Zellendeckel, sie sind optisch verschlossen. Durch bestimmte Maßnahmen erreicht man, dass das Schichten des Elektrolyten ganz entfällt und das Verdunsten von Wasser auf ein Minimum reduziert wird. Der noch vorhandene minimale Wasserverbrauch ist das Bewertungskriterium für die Bezeichnung »wartungsarm« und »wartungsfrei«. Aus Sicherheitsgründen sind jedoch auch bei diesen modernen Batterien alle Zellen mit Überdruckventilen versehen, durch die Gas entweichen kann, wenn es unter Druck steht; dies kann geschehen, wenn z. B. die Batterien nicht vorschriftsmäßig geladen wurden. Batterien mit Überdruckventilen bezeichnet man als VRLA-Batterien (engl. valve-regulated lead-acid battery  = »ventilgeregelte Blei-Säuren-Batterie«). Die VRLA-Batterie ist ein Bleiakkumulator in einer verschlossenen Bauform. 

Aufgrund des minimalen Wasserverbrauchs arbeitet eine wartungsfreie Batterie bis zu 8 Jahren lang, falls sie nicht zu stark entladen und nicht fachmännisch geladen wird. Die negativen Platten einer wartungsfreien Batterie können mit einer Paste aus einer Blei-Kalzium-Legierung (PbCa) legiert werden. Für die positiven Platten eignet sich eine Paste aus einer Blei-Zinn-Kalzium-Legierung (PbSnCa) zum Einlegieren. Calzium Ca verleiht den Gittern Stabilität und garantiert niedrige Gasungsraten. Zinn Sn ist für beides gut; es verleiht dem Gitter außerdem einen hohen Korrosionswiderstand und somit eine hohe Zyklenzahl (= hohe Lebensdauer). 

Gel-Technologie 
Bei dieser Batterieart ist die Schwefelsäure mit einem wasseranziehenden Gel, z. B. Silika-Gel vermengt. Dieses Gel ist ein amorphes Siliciumdioxid von gummiartiger bis fester Konsistenz und ist farblos mit einer großen inneren Oberfläche. Es ist stark hygroskopisch (wasseranziehend). Dadurch werden Gasdämpfe zurückgehalten und die Batterie kann nicht auslaufen, wenn sie umkippt. Damit ist auch der Transport solcher Batterien relativ ungefährlich.
(Amorph: Die Atome des SiO2 bilden keine geordneten Strukturen). 

AGM-Technologie  
Bei diesen Batterien wird der Elektrolyt nicht eingedickt, sondern ein Mikro-Glas-Vlies (Absorbent Glas Mat) saugt den Elektrolyten auf und verhindert so sein Austreten.  

Bewertung des Ladezustands 
Häufig sind Startprobleme der Anlass, den Ladezustand der Batterie zu überprüfen. Bei Batterien mit verschlossenen Zellen ist dafür zunächst die Klemmenspannung ein Maß.  
Bei den modernen Batterien mit verschlossenen Zellen bietet sich nur die Ruhespannung als Kriterium für den Ladezustand an. Als Ruhespannung bezeichnet man die Klemmenspannung der Batterie, wenn kein Verbraucher angeschlossen ist und die Batterie mindestens 2 bis 3 Stunden Ruhezeit hinter sich hat. Die Zusammenhänge zwischen Ladezustand, Säuredichte und Ruhespannung zeigt Bild 7. Batterien mit einer Ruhespannung unter 12,5 V sollten schnellstmöglich nachgeladen werden. Dafür bieten verschiedene Hersteller spezielle Prüfgeräte an (Herstellerangaben beachten). 

Bild 7

Bei herkömmlichen Batterien können der Säurestand und die Säuredichte kontrolliert werden. 

Unfallverhütung  
Bei Fahrzeugbatterien ist auf Gefahrenquellen zu achten. Aufschriften mit entsprechenden Symbolen weisen auf diese Gefahren hin (Bild 8).  
Gefahrenstellen und Gefahrensituationen können sein:  – die Batterielagerung
– das Laden der Batterie im Fahrzeug oder in einem Laderaum,
– die Starthilfe mit einer Fremdbatterie oder mit einem Fremdfahrzeug (Servicefahrzeug), und
– beschädigte Batterien. 

Bild 8: Warn- und Gebotshinweise

Knallgas kann eine Explosion verursachen, Bild 9 
Besteht in einer Zelle ein Kurzschluss, dann teilt sich die Ladespannung beim Laden auf die restlichen unbeschädigten Zellen auf. Diese erhalten dann mehr als 2,4 V und entwickeln Knallgas. Die defekte Zelle wird extrem heiß und entzündet das entstehende Knallgasgemisch H2 + O2

Bild 9 

Eine Zelle ist undicht: Ein niederer Säurestand führt zu einem hohen Zellenwiderstand Ri. Dieser bewirkt beim Laden oder beim Starten eine hohe Spannung zwischen Zelleneingang und -ausgang und es bildet sich Knallgas aus H2 und O2 (Bild 9). Wenn ein Batterieanschluss sehr heiß wird, weil sein Kabelschuh sich gelockert hat, besteht die Gefahr einer Knallgasexplosion.  
Auch eine zu hohe Ladespannung kann zu Knallgasbildung führen, wenn ein ungeeignetes oder falsch eingestelltes Ladegerät verwendet wird.

Rechenbeispiel

ln einer nach Bild 9 defekten Batterie beträgt der Gesamt-Innenwiderstand 5 x 1 mΩ + 1 x 12 mΩ = 17 mΩ.                                                                                                         
Wenn der angeschlossene Starter trotz defekter und somit leistungsschwacher Batterie noch 300 A aufnimmt, beträgt in jeder intakten Zelle der Spannungsfall UV = I • Ri = 300 A • 1 mΩ (= 0,001 Ω) = 0,3 V.  
ln der defekten Zelle entsteht der Spannungsfall UV = I • Ri = 300 A • 17 mΩ (= 0,017 Ω) = 5,1 V. Diese Spannung übersteigt die Höhe der Gasungsspannung deutlich. (Die Gasungsspannung liegt bei ca. 2,35 bis 2,4 V. Bis zu diesem Wert wird der Strom praktisch verlustlos für die Umwandlung von Bleisulfat in Blei bzw. Bleidioxid verbraucht).

Dasselbe würde passieren, wenn man diese Batterie an einen leistungsstarken Schnelllader anschlösse und eine zu hohe Stromstärke vorgäbe. Schnellladegeräte können mehrere hundert Ampere abgeben. 

Anmerkung zu Bild 9: In der Technik ist es üblich, in Schaltplänen die »technische« Stromrichtung einzuzeichnen. Was es mit dieser und der »physikalischen Stromrichtung« auf sich hat, darüber erfahren Sie mehr in WIKIPEDIA.