VRLA-Batterie - VRLA battery

AGM-Batterie
Eine 12-V-VRLA-Batterie, die normalerweise in kleinen unterbrechungsfreien Stromversorgungen und Notleuchten verwendet wird

Eine ventilregulierte Blei-Säure- Batterie ( VRLA ) , allgemein als versiegelte Blei-Säure- Batterie ( SLA ) bekannt , ist eine Art von Blei-Säure-Batterie, die durch eine begrenzte Menge an Elektrolyt ("verhungerter" Elektrolyt) gekennzeichnet ist, die in einem Plattenseparator absorbiert wird oder zu einem Gel geformt; Proportionierung der negativen und positiven Platten, so dass die Sauerstoffrekombination innerhalb der Zelle erleichtert wird ; und das Vorhandensein eines Entlastungsventils, das den Batterieinhalt unabhängig von der Position der Zellen zurückhält.

Es gibt zwei Haupttypen von VRLA-Batterien, absorbierende Glasmatten ( AGM ) und Gelzellen ( Gelbatterien ). Gelzellen fügen dem Elektrolyten Quarzstaub hinzu und bilden einen dicken Kitt wie Gel. AGM-Batterien (Absorbent Glass Mat) verfügen über ein Glasfasergewebe zwischen den Batterieplatten, das dazu dient, den Elektrolyten aufzunehmen und die Platten zu trennen. Beide Arten von VRLA-Batterien bieten Vor- und Nachteile sowohl gegenüber gefluteten Blei-Säure-Batterien (VLA) als auch untereinander.

Aufgrund ihrer Konstruktion können die Gelzellen- und AGM-Typen von VRLA in jeder Ausrichtung montiert werden und erfordern keine ständige Wartung. Der Begriff „wartungsfrei“ ist irreführend, da VRLA-Batterien noch gereinigt und regelmäßig Funktionstests unterzogen werden müssen. Sie werden häufig in großen tragbaren Elektrogeräten, netzfernen Stromversorgungssystemen und ähnlichen Funktionen eingesetzt, bei denen große Speichermengen zu geringeren Kosten als bei anderen wartungsarmen Technologien wie Lithium-Ionen benötigt werden .

Geschichte

Die erste Blei-Säure-Gel-Batterie wurde 1934 von der Elektrotechnischen Fabrik Sonneberg erfunden . Die moderne Gel- oder VRLA-Batterie wurde 1957 von Otto Jache von Sonnenschein erfunden . Die erste AGM-Zelle war die Cyclon, die 1972 von der Gates Rubber Corporation patentiert und jetzt produziert wurde von EnerSys . Der Zyklon ist eine spiralförmig gewickelte Zelle mit dünnen Bleifolienelektroden. Eine Reihe von Herstellern griffen die Technologie auf, um sie in Zellen mit herkömmlichen flachen Platten zu implementieren. Mitte der 1980er Jahre führten zwei britische Unternehmen, Chloride und Tungstone, gleichzeitig AGM-Batterien mit einer Lebensdauer von zehn Jahren mit Kapazitäten von bis zu 400 Ah ein, angeregt durch eine britische Telekom-Spezifikation für Batterien zur Unterstützung neuer digitaler Börsen. Im gleichen Zeitraum erwarb Gates ein weiteres britisches Unternehmen, Varley, das auf Flugzeug- und Militärbatterien spezialisiert ist. Varley hat die Cyclon-Bleifolientechnologie angepasst, um Flachbatterien mit außergewöhnlich hoher Leistung herzustellen. Diese erhielten die Zulassung für eine Vielzahl von Flugzeugen, darunter die Business Jets BAE 125 und 146, den Harrier und sein Derivat AV8B sowie einige F16-Varianten als erste Alternativen zu den damaligen Standard- Nickel-Cadmium-Batterien (Ni-Cd) .

Grundprinzip

Schnittdarstellung einer Autobatterie von 1953

Blei-Säure-Zellen bestehen aus zwei Bleiplatten, die als Elektroden dienen und in einem Elektrolyten aus verdünnter Schwefelsäure suspendiert sind . VRLA-Zellen haben die gleiche Chemie, außer dass der Elektrolyt immobilisiert ist. Bei AGM wird dies mit einer Glasfasermatte erreicht; Bei Gelbatterien oder "Gelzellen" liegt der Elektrolyt in Form eines pastenartigen Gels vor, das durch Zugabe von Kieselsäure und anderen Geliermitteln zum Elektrolyten entsteht.

Wenn sich eine Zelle entlädt, durchlaufen das Blei und die verdünnte Säure eine chemische Reaktion, die Bleisulfat und Wasser erzeugt. Beim anschließenden Laden einer Zelle werden Bleisulfat und Wasser wieder in Blei und Säure umgewandelt. Bei allen Konstruktionen von Blei-Säure-Batterien muss der Ladestrom an die Fähigkeit der Batterie angepasst werden, die Energie zu absorbieren. Bei zu großem Ladestrom kommt es zur Elektrolyse , bei der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird, zusätzlich zur beabsichtigten Umwandlung von Bleisulfat und Wasser in Bleidioxid, Blei und Schwefelsäure (die Umkehrung des Entladevorgangs). Wenn diese Gase entweichen können, wie bei einer herkömmlichen gefluteten Zelle, muss der Batterie von Zeit zu Zeit Wasser (oder Elektrolyt) hinzugefügt werden. Im Gegensatz dazu halten VRLA-Batterien erzeugte Gase in der Batterie, solange der Druck innerhalb eines sicheren Bereichs bleibt. Unter normalen Betriebsbedingungen können sich die Gase dann innerhalb der Batterie selbst rekombinieren, manchmal mit Hilfe eines Katalysators, und es wird kein zusätzlicher Elektrolyt benötigt. Übersteigt der Druck jedoch die Sicherheitsgrenzen, öffnen Sicherheitsventile, damit die überschüssigen Gase entweichen können und regulieren so den Druck wieder auf sichere Werte (daher „ventilgeregelt“ in „VRLA“).

Konstruktion

Jede Zelle in einer VRLA-Batterie verfügt über ein Überdruckventil, das aktiviert wird, wenn die Batterie beginnt, Druck von Wasserstoffgas aufzubauen, im Allgemeinen als Folge des Aufladens.

In die Zellabdeckungen sind typischerweise Gasdiffusoren eingebaut, die eine sichere Verteilung von überschüssigem Wasserstoff ermöglichen, der sich während der Überladung bilden kann . Sie sind nicht dauerhaft versiegelt, sondern als wartungsfrei gekennzeichnet. Sie können beliebig ausgerichtet werden, im Gegensatz zu normalen Blei-Säure-Batterien, die aufrecht gehalten werden müssen, um ein Verschütten von Säure zu vermeiden und die Ausrichtung der Platten vertikal zu halten. Die Zellen können mit horizontalen Platten ( Pfannkuchenform ) betrieben werden, was die Zykluslebensdauer verbessern kann.

Saugfähige Glasmatte (AGM)

AGM-Batterien unterscheiden sich von gefluteten Blei-Säure-Batterien dadurch, dass der Elektrolyt in den Glasmatten gehalten wird, anstatt die Platten frei zu fluten. Sehr dünne Glasfasern werden in eine Matte eingewebt, um die Oberfläche ausreichend zu vergrößern, um eine ausreichende Menge an Elektrolyt auf den Zellen während ihrer Lebensdauer zu halten. Die Fasern, aus denen die feine Glasmatte besteht, absorbieren nicht und werden von dem sauren Elektrolyten nicht angegriffen. Diese Matten werden 2–5% ausgewrungen, nachdem sie kurz vor der Fertigstellung in Säuren getränkt wurden.

Die Platten in einer AGM-Batterie können jede beliebige Form haben. Einige sind flach, während andere gebogen oder gerollt sind. Sowohl zyklenfeste als auch startfähige AGM-Batterien sind gemäß den Batteriecodespezifikationen des Battery Council International (BCI) in ein rechteckiges Gehäuse eingebaut .

AGM-Batterien sind in einem weiten Temperaturbereich widerstandsfähiger gegen Selbstentladung als herkömmliche Batterien.

Wie bei Blei-Säure-Batterien ist es zur Maximierung der Lebensdauer einer AGM-Batterie wichtig, die Ladespezifikationen des Herstellers zu befolgen und die Verwendung eines spannungsgeregelten Ladegeräts wird empfohlen. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Entladetiefe (DOD) und der Zyklenlebensdauer der Batterie, mit Unterschieden zwischen 500 und 1300 Zyklen je nach Entladetiefe.

Gel-Batterie

Gebrochene Gelbatterie mit weißen Bechern des gelierten Elektrolyten auf den Platten

Ursprünglich wurde in den frühen 1930er Jahren eine Art Gelbatterie für tragbare Ventil-(Röhren-)Radio-LT-Versorgung (2, 4 oder 6V) durch Zugabe von Kieselsäure zur Schwefelsäure hergestellt. Zu dieser Zeit wurde das Glasgehäuse durch Zelluloid und später in den 1930er Jahren durch andere Kunststoffe ersetzt. Frühere "nasse" Zellen in Glasgefäßen verwendeten spezielle Ventile, um 1927, 1931 oder 1932 ein Kippen von der vertikalen in eine horizontale Richtung zu ermöglichen. Die Gelzellen leckten weniger wahrscheinlich, wenn das tragbare Set grob gehandhabt wurde.

Eine moderne Gelbatterie ist eine VRLA-Batterie mit geliertem Elektrolyt ; die Schwefelsäure wird mit pyrogener Kieselsäure vermischt , wodurch die resultierende Masse gelartig und unbeweglich wird. Im Gegensatz zu einer gefluteten Blei-Säure-Nassbatterie müssen diese Batterien nicht aufrecht gehalten werden. Gel-Batterien reduzieren die bei Nassbatterien übliche Elektrolytverdunstung, das Verschütten (und die nachfolgenden Korrosionsprobleme ) und weisen eine höhere Stoß- und Vibrationsfestigkeit auf . Chemisch sind sie fast identisch mit nassen (nicht versiegelten) Batterien, außer dass das Antimon in den Bleiplatten durch Kalzium ersetzt wird und eine Gasrekombination stattfinden kann.

Anwendungen

Viele moderne Motorräder und Geländefahrzeuge (ATVs) auf dem Markt verwenden AGM-Batterien, um die Wahrscheinlichkeit des Verschüttens von Säure bei Kurvenfahrten, Vibrationen oder nach Unfällen sowie aus Verpackungsgründen zu verringern. Die leichtere, kleinere Batterie kann bei Bedarf für das Design des Motorrads in einem ungewöhnlichen Winkel eingebaut werden. Aufgrund der höheren Herstellungskosten im Vergleich zu gefluteten Blei-Säure-Batterien werden AGM-Batterien derzeit in Luxusfahrzeugen eingesetzt. Da Fahrzeuge schwerer werden und mit mehr elektronischen Geräten wie Navigation und Stabilitätskontrolle ausgestattet werden , werden AGM-Batterien verwendet, um das Fahrzeuggewicht zu senken und eine bessere elektrische Zuverlässigkeit im Vergleich zu überfluteten Blei-Säure-Batterien zu bieten.

BMWs der 5er-Reihe ab März 2007 enthalten AGM-Batterien in Verbindung mit Geräten zur Rückgewinnung von Bremsenergie durch regeneratives Bremsen und Computersteuerung, um sicherzustellen, dass die Lichtmaschine die Batterie beim Verzögern des Fahrzeugs auflädt. Fahrzeuge, die im Autorennen eingesetzt werden, können aufgrund ihrer Vibrationsfestigkeit AGM-Batterien verwenden.

Zyklen AGMs sind ebenfalls in üblicherweise verwendeten Wegrasterfeld Solarenergie und Windkraftanlagen als Energiespeicherbank und in Großamateur Robotik , wie die FIRST und IGVC Wettbewerben.

AGM-Batterien werden routinemäßig für Fernsensoren wie Eisüberwachungsstationen in der Arktis verwendet . AGM-Batterien werden aufgrund ihres Mangels an freiem Elektrolyten in diesen kalten Umgebungen nicht reißen und auslaufen.

VRLA-Batterien werden häufig in Elektrorollstühlen verwendet, da sie durch die extrem geringe Gas- und Säureabgabe viel sicherer für den Innenbereich sind. VRLA-Batterien werden auch in der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) als Backup verwendet, wenn der Strom ausfällt.

VRLA-Batterien sind auch die Standard-Energiequelle in Segelflugzeugen, da sie einer Vielzahl von Fluglagen und einem relativ großen Umgebungstemperaturbereich ohne nachteilige Auswirkungen standhalten können. Allerdings müssen die Laderegime bei variierender Temperatur angepasst werden.

VRLA-Batterien werden aufgrund ihrer Leistungsdichte, der Vermeidung von Gasbildung, der reduzierten Wartung und der erhöhten Sicherheit in der US-amerikanischen Atom-U-Boot-Flotte verwendet.

AGM- und Gelzellenbatterien werden auch für Freizeitschifffahrtszwecke verwendet, wobei AGM häufiger verfügbar ist. AGM-Tiefzyklus-Schiffsbatterien werden von einer Reihe von Anbietern angeboten. Sie werden in der Regel wegen ihres geringen Wartungsaufwands und ihrer auslaufsicheren Qualität bevorzugt, obwohl sie im Vergleich zu herkömmlichen gefluteten Zellen im Allgemeinen als weniger kostengünstige Lösung angesehen werden.

In Telekommunikationsanwendungen werden VRLA-Batterien, die den Kriterien des Telcordia Technologies- Anforderungsdokuments GR-4228 , Valve-Regulated Lead-Säure (VRLA) Battery String Certification Levels Based on Requirements for Safety and Performance entsprechen, für den Einsatz in der Außenanlage (OSP) empfohlen ) an Orten wie Controlled Environmental Vaults (CEVs), Electronic Equipment Enclosures (EEEs) und Hütten sowie in unkontrollierten Strukturen wie Schränken. Im Vergleich zu VRLA in der Telekommunikation ist die Verwendung von VRLA Ohmic Measurement Type Equipment (OMTE) und OMTE-ähnlichen Messgeräten ein relativ neues Verfahren zur Bewertung von Telekommunikationsbatterieanlagen. Der richtige Einsatz von ohmschen Prüfgeräten ermöglicht Batterieprüfungen, ohne dass Batterien außer Betrieb genommen werden müssen, um kostspielige und zeitaufwändige Entladeprüfungen durchzuführen.

Vergleich mit gefluteten Blei-Säure-Zellen

VRLA-Gel- und AGM-Batterien bieten mehrere Vorteile im Vergleich zu VRLA-gefluteten Blei-Säure- und herkömmlichen Blei-Säure-Batterien . Die Batterie kann in jeder Position montiert werden, da die Ventile nur bei Überdruckfehlern arbeiten. Da das Batteriesystem rekombinant ausgelegt ist und die Emission von Gasen bei Überladung verhindert, werden die Anforderungen an die Raumlüftung reduziert und während des normalen Betriebs werden keine Säuredämpfe freigesetzt. Die Emissionen von Flooded-Cell-Gas sind in allen Bereichen mit Ausnahme der kleinsten begrenzten Bereiche von geringer Bedeutung und stellen eine sehr geringe Bedrohung für einen Privatanwender dar. Eine auf Langlebigkeit ausgelegte Nassbatterie führt zu niedrigeren Kosten pro kWh. Bei einer Gelbatterie ist das Volumen an freiem Elektrolyt, das bei Beschädigung des Gehäuses oder beim Entlüften freigesetzt werden könnte, sehr gering. Es besteht keine Notwendigkeit (oder Möglichkeit), den Elektrolytstand zu überprüfen oder durch Elektrolyse verlorenes Wasser nachzufüllen, wodurch Inspektions- und Wartungsanforderungen reduziert werden. Nassbatterien können durch ein Selbstbewässerungssystem oder durch Nachfüllen alle drei Monate gewartet werden. Die Notwendigkeit, destilliertes Wasser hinzuzufügen, wird normalerweise durch Überladung verursacht. Ein gut reguliertes System sollte nicht häufiger als alle drei Monate aufgeladen werden müssen.

Ein zugrunde liegender Nachteil bei allen Blei-Säure - Batterien ist die Anforderung für einen relativ langen Aufladezeit Zeitzyklus von einem inhärenten entstehenden dreistufiges Ladeverfahren: bulk Ladung, Absorptionsladung und (Wartung) Erhaltungsladestufen. Alle Blei-Säure-Batterien, unabhängig vom Typ, lassen sich schnell auf etwa 70 % ihrer Kapazität aufladen, wobei die Batterie innerhalb weniger Stunden einen großen Stromeingang akzeptiert, der bei einem Spannungssollwert bestimmt wird (mit einer Ladequelle, die die Design C-Rate bulk Stufe Strom für eine gegebene Ah Batterie).

Sie erfordern jedoch dann eine längere Zeit in der strom Ausschleichen Zwischenabsorption Ladestufe nach der ersten Hauptladung ausgegeben, wenn die Batterie LA Ladungsaufnahmerate allmählich reduziert, und die Batterie nicht mit einer höheren C-Rate annehmen. Wenn der Absorptionsstufe Spannungs - Sollwert erreicht ist (und Ladestrom hat verjüngt), schaltet das Ladegerät an eine Ladespannung - Sollwert bei einer sehr niedrigen C-Rate auf unbestimmte Zeit die Batterie der voll geladenen Zustand zu halten (die Schwimmerstufe gleicht das normale Batterieselbst Entlastung im Laufe der Zeit).

Wenn das Ladegerät keine ausreichende Ladedauer und C-Rate der Absorptionsstufe liefert (es 'Plateau' oder Timeout, ein häufiger Fehler billiger Solarladegeräte) und ein geeignetes Erhaltungsladeprofil, werden die Kapazität und Lebensdauer der Batterie drastisch reduziert .

Um eine maximale Lebensdauer zu gewährleisten, sollte eine Blei-Säure-Batterie so bald wie möglich nach einem Entladezyklus vollständig aufgeladen werden, um eine Sulfatierung zu vermeiden , und bei Lagerung oder im Leerlauf durch eine Schwimmerquelle auf einem vollen Ladezustand gehalten werden (oder trocken ab Werk gelagert werden, heute eine ungewöhnliche Praxis).

Bei einem Entladezyklus sollte eine LA-Batterie bei einem DOD von weniger als 50% gehalten werden, idealerweise nicht mehr als 20-40% DOD; eine echte LA- Deep-Cycle-Batterie kann zu einem niedrigeren DOD (sogar zu gelegentlichen 80%) gebracht werden, aber diese höheren DOD-Zyklen bedeuten immer einen Preis für die Langlebigkeit.

Die Lebensdauer von Blei-Säure-Batterien variiert mit der gebotenen Sorgfalt, bei bester Sorgfalt können sie 500 bis 1000 Zyklen erreichen. Bei weniger sorgfältiger Verwendung kann eine Lebensdauer von nur 100 Zyklen erwartet werden (alles hängt auch von der Nutzungsumgebung ab).

Da den Platten Kalzium hinzugefügt wird, um den Wasserverlust zu reduzieren, lädt sich eine versiegelte AGM- oder Gel-Batterie schneller wieder auf als eine überflutete Blei-Säure-Batterie mit VRLA- oder konventioneller Bauart. Im Vergleich zu gefluteten Batterien sind VRLA-Batterien anfälliger für thermisches Durchgehen während missbräuchlicher Aufladung. Der Elektrolyt kann nicht mit einem Hydrometer getestet werden, um eine falsche Aufladung zu diagnostizieren, die die Batterielebensdauer verkürzen kann.

AGM-Autobatterien sind in einer bestimmten BCI-Größengruppe typischerweise etwa doppelt so teuer wie Batterien mit überfluteten Zellen; Gel-Batterien bis zum Fünffachen des Preises.

AGM- und Gel-VRLA-Batterien:

  • Haben eine kürzere Aufladezeit als überflutete Blei-Säure-Batterien.
  • Überladung nicht tolerieren: Überladung führt zu vorzeitigem Ausfall.
  • Haben eine kürzere Nutzungsdauer im Vergleich zu einer ordnungsgemäß gewarteten Nassbatterie .
  • Entladen Sie deutlich weniger Wasserstoffgas.
  • AGM-Batterien sind von Natur aus sicherer für die Umwelt und sicherer im Gebrauch.
  • Kann in jeder Ausrichtung verwendet oder positioniert werden.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Bücher und Papiere

  • Ventilgeregelte Blei-Säure-Batterien. Herausgegeben von Patrick T. Moseley, Jürgen Garche, CD Parker, DAJ Rand. p202
  • Vinal, GW (1955 Jan 01) Akkumulatoren. Eine allgemeine Abhandlung über die Physik und Chemie von Sekundärbatterien und ihre technischen Anwendungen. Energy Citations Database (ECD): Dokument #7308501
  • John McGavack. Die Absorption von Schwefeldioxid durch das Kieselsäuregel . Eschenbach-Druck. Unternehmen, 1920.

Patente