AGM Batterien

TECHNIK

Wissenswertes Batterien

Die Einsatzbereiche von Batterien auf Yachten und Booten werden immer vielfältiger. Sie sollen für einen reibungslosen Start von Motoren sorgen. Sie müssen ausreichend Energie für notwendige Verbraucher wie Funk- und Navigationssysteme, Bugstrahlruder und Winschen, Heizung, Klimaanlagen und Kühlschränke vorhalten. Auch auf Entertainment (Radio, TV, Internet) wollen Eigner nicht verzichten. Wenn sie dann noch für einen modernen elektrischen- oder dieselelektrischen Antrieb entscheiden, benötigen sie auch hierfür einen Energiespeicher. Im maritimen Bereich werden hauptsächlich blei- oder lithiumbasierte Energiespeicher genutzt. Die verschiedenen Einsatzbereiche stellen unterschiedliche Anforderungen an die jeweiligen Batterien. 

Wann ist die Batterie ein Akkumulator (AKKU)?

Eine Batterie ist ein Speicher für elektrische Energie. Sobald diese Batterie wieder aufgeladen werden kann, ist sie genau genommen ein Akku.

Eigenschaften einer Batteriezelle

Kapazität (Ah=Amperstunden)
Eine Amperestunde ist die Ladungsmenge, die innerhalb einer Stunde durch einen Leiter fließt, wenn der elektrische Strom konstant 1 A (Ampere) beträgt.

Leistung (W=Watt)
Wenn ein Akku 1 Watt an elektrischer Leistung 1 Stunde zur Verfügung stellt, liefert der Akku 1 Wattstunde.

Energieinhalt (J/m³ oder J/kg)
Die in einer Batterie gespeicherte Energie (elektrische Arbeit) ist die Energie pro Masse oder pro Volumen - die typische Kenngröße von Batteriesystemen. Die spezifische Energieeinheit ist Ws/m³ oder Ws/kg (entspricht J/m³ oder J/kg).

Selbstentladung
Galvanischen Zellen unterliegen bei der Lagerung einer Selbstentladung. Die Geschwindigkeit der Selbstentladung hängt unter anderem vom Batterietyp und der Temperatur ab. Je niedriger die Lagertemperatur, desto geringer ist die Selbstentladung.

Batterie Typen

Bleibasierte Nass-, Gel- oder AGM-Akkus

Sogenannte „Nass-Batterien" mit Schraubverschlüssen zum Nachfüllen von destilliertem Wasser wurden ständig weiterentwickelt. Auf Grund ihres günstigen Preisleistungsverhältnisses gehören sie noch lange nicht zum alten Eisen - erfordern jedoch gegenüber der geschlossenen Bauart, wie sie heute im Auto Standard ist, eine gewisse Wartung.
Der Grund: Während des Ladevorganges entstehen Wasserstoff und Sauerstoff, die durch die Belüftungsöffnung entweichen. Dadurch wird der Stand des destillierten Wassers im Akku vermindert und muss regelmäßig ergänzt werden. Der Akku muss sich daher an einem gut zugänglichen und belüfteten Ort befinden.
Vereinfacht wird die Wartung durch so genannte „geschlossene" (wartungsfreie) Akkus. In ihren Zellen ist ein Wasser-Reservoir eingebaut, das für drei Jahre ausreicht. Danach beginnen der Wasserstand und damit ihre Kapazität entsprechend zu sinken, bis sie langsam ihren Geist aufgibt. „Wartungsfrei" heißt im Zweifel also nicht „muss nicht gewartet werden", sondern „kann nicht gewartet werden".  

Nass-Akku-Typen

Typ „SLI“ ist die Abkürzung für starting, lighting, ignigtion (Start-, Beleuchtungs-, Zündung). Dieser Typ besteht aus dünnen Bleiplatten, hat einen geringen Innenwiderstand und lässt eine hohe Stromentnahme zu. Nachteil SLI bietet wenig Ladezyklen. Die maximale Entladung liegt bei circa 40 Prozent. Es besteht Gasungsgefahr, Einsätze in Neigungsanwendung sind nicht möglich und die Lebensdauer ist gering. Dafür ist der Anschaffungspreis niedrig.
Typ „EFB“ ist die Abkürzung für enhanced flooded battery (verbesserte geflutetete Batterie). Sie wird als Starter und teilweise Verbraucherbatterie genutzt. EFB besteht aus dünne Bleiplatten. Zusätzliche dünner Polyester-Scrim zwischen den Platten verlängern die Lebensdauer. Der Innenwiderstand ist gering, eine hohe Stromentnahme ist möglich. Sie haben circa doppelt so viele Ladezyklen wie der Typ „SLI“, die maximale Entladung liegt bei rund 40 Prozent. Es besteht Gasungsgefahr, Einsätze in Neigungsanwendung sind nicht möglich. Typ „EFB“ hat eine längere Lebensdauer als der Typ SLI.

Gel- und AGM-Akku

Die Zellen dieser Energiespeicher sind hermetisch verschlossen (zugeschweißt), jedoch mit Überdruckventilen ausgerüstet. Die während des Ladens entstehenden Wasserstoff und Sauerstoff können nicht wie bei dem „geschlossenen" Nass-Akkus entweichen, sondern werden durch eine Nebenreaktion zu Wasser zurückgewandelt („Rekombination"). Dadurch sind diese Akkus vollkommen wartungsfrei – solange, die beim Laden entstehende Menge an Wasserstoff und an Sauerstoff nicht größer wird als die (begrenzte) Rekombinationsfähigkeit des Akkus.

Gel-Akku

Die Flüssigkeit, der „Elektrolyt", besteht aus einem Gemisch aus Schwefelsäure und Wasser und wird durch Zusatz von Kieselgel gebunden, „geliert". Aus diesem Grunde sind Gel-Akkus auslauf- und kentersicher, wartungsfrei sowie deutlich länger lagerfähig als Nass-Akkus.
Durch die geleeartige Konsistenz des Elektrolyten wird auch die Selbstentladung deutlich reduziert. Gel-Akkus überstehen deutlich mehr als neun Monate ohne Nachladung. Aus dem gleichen Grund setzen Gel-Akkus beim Laden oder Entladen dem Fluss der Ionen einen zum „Nass-Akku" vergleichsweise höheren Widerstand entgegen. Dies hat zur Folge, dass Gel-Akkus weniger in der Lage sind, in kurzer Zeit hohe Ströme abzugeben. Sie sind deshalb zum Starten des Motors nicht geeignet, sondern reine Verbraucher-Akkus.
Sie bieten eine hohe Anzahl von Ladezyklen benötigen aber längere Ladezeiten. Eine maximale Entladung von 60 bis 70 Prozent ist möglich und die Gel-Batterien eignen sich für den Einsatz mit Neigungsanwendung.  

AGM-Akkus

Absorbent Glass Mat (AGM) ist die modernste Variante des Bleiakkumulators. In ihm wird der Elektrolyt in Glasfaservlies gebunden. Dadurch erreicht man eine niedrige Selbstentladung, erneutes Aufladen ist erst alle sechs Monate notwendig, wenn der Akku nicht über 20 Grad Celsius gelagert wird. AGM-Akkus sind kenter- und auslaufsicher und sie eignen sich praktisch für jede Neigungsanwendung, was besonders auf Booten und Yachten von Vorteil ist.
Weitere Vorteile: Im Gegensatz zum Gel bremst das Vlies den Fluss der Ionen deutlich weniger. Dadurch lassen sich AGM-Akkus schneller mit stärkerem Strom als Gel-Batterien aufladen und durch den geringeren Innenwiderstand können entsprechend größere Ströme an die Verbraucher geliefert werden. AGM-Batterien sind komplett wartungsfrei und geeignet für den Einsatz mit Neigungsanwendung. Vorteilhaft ist auch die hohe Zahl möglicher Ladezyklen. 

Ladetechnik für Blei-Akkus

Ein wichtiger Faktor bei der Wartung und Pflege eines Blei Akkus ist die richtige Art der Ladung. Diese hat immense Auswirkung auf die Lebensdauer und die Leistungsfähigkeit des Akkumulators. Hier kann vieles falsch gemacht werden und schon kleine Unachtsamkeiten, wie das Verwechseln des Plus- mit dem Minuspol, können den Akku zerstören. Aber auch die Abstimmung zwischen Ladegerät und Akku ist von Bedeutung.
Voraussetzung sind die technischen Angaben aus dem Datenblatt des Akkus sowie ein modernes elektronisch geregeltes Ladegerät mit individuell einstellbarer IUoU-Ladekennlinie. Damit ist auch sichergestellt, dass nach vollständiger Ladung des Akkus das Ladegerät in einen sogenannten „Ladeerhaltungsmodus“ umschaltet.
Bei größeren Abständen zwischen Akku und Ladegerät ist eine sogenannte „Batterie Sense-Leitung“ (Fühlerleitung) sinnvoll, da sie die genaue Ladespannung des Akkus übermittelt.
Das Ladegerät sollte auch über die Anschlussmöglichkeit eines Temperatursensors verfügen, um die Ladekennlinie in Abhängigkeit der Akku-Temperatur anzupassen. 

Lithiumbasierte Akkus

Lithium-Ionen-Akkus unterscheiden sich wesentlich in ihrem jeweiligen chemischen Aufbau (eingesetztes Elektrodenmaterial und Elektrolyten). Daraus resultiert eine unterschiedliche Energiedichte, Zellspannung, Temperaturempfindlichkeit, Lade- und Entladeschlussspannung und auch ein maximal erlaubter Lade- oder Entladestrom.

Die Angabe des genauen Lithium Akku Typs, zum Beispiel Lithium-Polymer- oder Lithium-Eisenphosphat-Akku, ist aus diesem Grund nicht unwichtig und sagt mehr aus als die unspezifische Angabe „Lithium-Ionen-Akku“.

Alle Lithium-Ionen-Akkus haben folgende Gemeinsamkeiten:
Die Zellen sind gasdicht versiegelt, sie können lageunabhängig betrieben werden, die Energiedichte liegt in der Größenordnung von 150 Wh/kg (30-40Wh/Kg bei Blei), die temperaturabhängige Selbstentladungsrate liegt im Bereich von nahezu Null bis acht Prozent pro Monat. Allerdings verkraftet die Zellchemie in der Batterie keine Über- oder Tiefentladung.

Lithium-Akkus eignen sich als Starter-, Verbraucher- oder Batterien für den Elektroantriebe. Ihre Vorteile:
Hohe Anzahl von Ladezyklen, sehr geringer Innenwiderstand, sehr hohe Stromentnahme möglich, sehr kurze Ladezeit, Entladung je nach Lithium Typ bis zu 98 Prozent möglich, geeignet für Einsatz in Neigungsanwendung, komplett wartungsfrei.

Aufgrund ihrer Eigenschaften werden Lithium-Akkus gern im Bereich mobiler Anwendungen eingesetzt. Mit ihnen lassen sich leichte und kleine elektrische Energiespeicher mit einer hohen Energiedichte realisieren.  Um gängige Akku-Spannungen wie 12V oder 24V zu erreichen, werden mehrerer Lithium-Zellen in Reihe geschaltet und arbeiten im Verbund. Jede Lithium-Zelle ist aber nach wie vor ein eigenständiger Akku, der auch individuell geladen und überwacht werden muss. Diese Aufgabe übernimmt ein sogenanntes integriertes Batteriemanagementsystem (BMS). Es sorgt dafür, dass jede Zelle individuell überwacht und Zelltoleranzen ausgeglichen werden. Auch die Temperaturüberwachung übernimmt das BMS.
Dies ist einer der grundsätzlichen Unterschiede gegenüber den Blei-Akkus!  

Ladetechnik für Lithium-Akkus

Für den Ladeprozess ist eine auf den Lithium-Akku abgestimmte Ladespannung (z.B. 14,4 V) erforderlich. Das integrierte BMS übernimmt vollständig die Kontrolle über die Ladung des Akkus. Der Lithium-Akku hat einen sehr niedrigen und gleichbleibenden Innenwiederstand und kann damit dauerhaft verhältnismäßig hohe Ströme aufnehmen. Die Ladezeit ist daher über die Höhe der vom Ladegerät zur Verfügung gestellten Stromstärke abhängig.

Batteriemanagementsystem (BMS)

Lithium-Akkus haben aufgrund ihrer hohen Energiedichte sehr viele Vorteile, bergen aber auch viele Risiken. Unzureichende Überwachung und Kontrolle der einzelnen Zellen (Tiefentladung, Überladung, Überhitzung, hohe Stromentnahme bei minus Graden) können schnell zu irreparablen Schäden bis hin zum Brand des Akkus führen.
Das BMS sorgt dafür, dass jede einzelne Zelle überwacht und kontrolliert wird. Werden in dem Akku Grenzwerte über- oder unterschritten, hat das BMS die Aufgabe durch die integrierte Sicherheitsabschaltung Gefahren sicher zu verhindern.
Im normalen Betrieb des BMS bei Lithium-Akkus kommt auf Basis der Temperaturkontrolle, Spannungsdiagnose und der Ladezustandsermittlung eine Ladungs- und Entladungs-Steuerung inklusive Balancierung bei ungleichen Ladungszuständen der Einzelzellen zum Einsatz.
Die meisten BMS-Systeme haben eine Datenschnittstelle, über die Informationen zum Zustand der Batterie ausgelesen werden. Dies können Temperatur (°C), Spannung (V), Strom (A), Ladezustand (SOC), Alterungszustand (SOH), etc. sein. 

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