Den Ausfall von Blei-Säure-Batterien verstehen und verhindern

Ventilregulierte Blei-Säure-Batterien (VRLA) sind das Rückgrat von unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen (USV) und stellen in Notfällen wichtige Notstromversorgung bereit. Um die Integrität dieser Notstromsysteme aufrechtzuerhalten, ist es jedoch wichtig, die Faktoren zu verstehen, die zu einem vorzeitigen Ausfall von Blei-Säure-Batterien führen. Dieser Artikel befasst sich mit den verschiedenen Elementen, die sich auf die Langlebigkeit von VRLA-Batterien auswirken, und unterstreicht die Bedeutung der richtigen Pflege, Verwendung und Wartung der Batterie für eine Verlängerung ihrer Lebensdauer.

Hauptfaktoren, die die Batterielebensdauer beeinflussen

• Lebensdauer

• Temperatur

• Überladung

• Unterladung

• Thermal Runaway

• Dehydrierung

• Kontamination

• Katalysatoren

Lebensdauer:

Gemäß der Definition von IEEE 1881 bezieht sich die Batterielebensdauer auf die Dauer des effektiven Betriebs unter bestimmten Bedingungen, typischerweise gemessen an der Zeit oder Anzahl der Zyklen, bis die Kapazität der Batterie auf einen bestimmten Prozentsatz ihrer ursprünglichen Nennkapazität abfällt.

In USV-Systemen (Unterbrechungsfreie Stromversorgungen) werden Batterien im Allgemeinen über den Großteil ihrer Lebensdauer in einem Erhaltungsladezustand gehalten. In diesem Zusammenhang bezieht sich ein „Zyklus“ auf den Prozess, bei dem die Batterie verwendet (entladen) und dann wieder vollständig aufgeladen wird. Die Anzahl der Entlade- und Ladezyklen, die eine Blei-Säure-Batterie durchlaufen kann, ist begrenzt. Jeder Zyklus verkürzt die Gesamtlebensdauer der Batterie geringfügig. Daher ist es bei der Batterieauswahl von entscheidender Bedeutung, die wahrscheinlichen zyklischen Anforderungen auf der Grundlage der Zuverlässigkeit des lokalen Stromnetzes zu verstehen, da sie das Risiko eines Batterieausfalls erheblich beeinflussen.

Temperatur:

Die Temperatur beeinflusst maßgeblich, wie gut und wie lange eine Batterie funktioniert. Bei der Untersuchung, wie sich die Temperatur auf den Ausfall von Blei-Säure-Batterien auswirkt, ist es wichtig, den Unterschied zwischen Umgebungstemperatur (der Temperatur der Umgebungsluft) und Innentemperatur (der Temperatur des Elektrolyten) zu verstehen. Während die Umgebungsluft oder die Raumtemperatur die Innentemperatur beeinflussen können, erfolgt die Änderung nicht so schnell. Beispielsweise kann sich die Raumtemperatur im Laufe des Tages stark ändern, während sich die Innentemperatur möglicherweise nur geringfügig ändert.

Batteriehersteller empfehlen oft eine optimale Betriebstemperatur, typischerweise etwa 25 °C. Es ist zu beachten, dass sich die Angaben im Allgemeinen auf die Innentemperatur beziehen. Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Batterielebensdauer wird oft als „Halbwertszeit“ quantifiziert: Bei jedem Anstieg um 10 °C über die optimalen 25 °C halbiert sich die Lebenserwartung der Batterie. Das größte Risiko bei hohen Temperaturen ist die Austrocknung, bei der der Elektrolyt der Batterie verdampft. Auf der anderen Seite können kühlere Temperaturen zwar die Lebensdauer der Batterie verlängern, aber ihre unmittelbare Energieverfügbarkeit verringern.

Überladung:

Unter Überladung versteht man den Vorgang, bei dem eine Batterie zu stark aufgeladen wird, was zu möglichen Schäden führen kann. Dieses Problem kann auf menschliche Fehler zurückzuführen sein, beispielsweise auf falsche Einstellungen des Ladegeräts oder auf eine Fehlfunktion des Ladegeräts. Bei USV-Systemen ändert sich die Ladespannung je nach Ladephase. Typischerweise wird eine Batterie zunächst bei einer höheren Spannung geladen (sogenannte „Massenladung“) und dann bei einer niedrigeren Spannung gehalten (bekannt als „Erhaltungsladung“). Übermäßiges Laden kann die Lebensdauer einer Batterie erheblich verkürzen und in schweren Fällen zu einem thermischen Durchgehen führen. Für Überwachungssysteme ist es von entscheidender Bedeutung, Fälle von Überladung zu erkennen und Benutzer darauf aufmerksam zu machen.

Unterladung:

Eine Unterladung liegt vor, wenn eine Batterie über einen längeren Zeitraum weniger Spannung erhält als nötig und der erforderliche Ladezustand nicht aufrechterhalten werden kann. Eine andauernde Unterladung eines Akkus führt zu einer verringerten Kapazität und einer kürzeren Akkulebensdauer. Sowohl Überladung als auch Unterladung sind kritische Faktoren für den Ausfall einer Batterie. Es sollte sorgfältig gehandhabt werden, um eine korrekte Spannungsversorgung sicherzustellen, um die Gesundheit und Langlebigkeit der Batterie zu erhalten.

Thermal Runaway:

Das thermische Durchgehen stellt eine schwerwiegende Form des Versagens von Blei-Säure-Batterien dar. Wenn aufgrund eines internen Kurzschlusses oder falscher Ladeeinstellungen zu viel Ladestrom anliegt, erhöht die Hitze den Widerstand, was wiederum mehr Hitze erzeugt, die spiralförmig ansteigt. Bis die in einer Batterie erzeugte Wärme ihre Kühlkapazität übersteigt, kommt es zu einem thermischen Durchgehen, das dazu führt, dass die Batterie austrocknet, sich entzündet oder schmilzt.

Um dem entgegenzuwirken, gibt es mehrere Strategien, um ein thermisches Durchgehen bereits im Anfangsstadium zu erkennen und zu verhindern. Eine weit verbreitete Methode ist das temperaturkompensierte Laden. Bei steigender Temperatur wird die Ladespannung automatisch reduziert und ggf. der Ladevorgang gestoppt. Dieser Ansatz basiert auf Temperatursensoren, die an den Batteriezellen angebracht sind, um den Wärmepegel zu überwachen. Während einige USV-Systeme und externe Ladegeräte diese Funktion bieten, sind die entscheidenden Temperatursensoren häufig optional.

Dehydrierung:

Sowohl belüftete als auch VRLA-Batterien sind anfällig für Wasserverlust. Diese Dehydrierung kann zu einer verminderten Kapazität und einer verkürzten Batterielebensdauer führen, was die Notwendigkeit regelmäßiger Wartungskontrollen unterstreicht. Entlüftete Batterien verlieren durch Verdunstung ständig Wasser. Sie sind mit sichtbaren Indikatoren ausgestattet, um den Elektrolytstand zu überprüfen und bei Bedarf problemlos Wasser nachzufüllen.

Ventilregulierte Blei-Säure-Batterien (VRLA) enthalten im Vergleich zu belüfteten Typen viel weniger Elektrolyt und ihr Gehäuse ist normalerweise nicht transparent, was eine interne Inspektion schwierig macht. Idealerweise sollten sich in VRLA-Batterien die bei der Verdunstung entstehenden Gase (Wasserstoff und Sauerstoff) innerhalb der Einheit wieder zu Wasser verbinden. Bei übermäßiger Hitze oder übermäßigem Druck könnte das Sicherheitsventil des VRLA jedoch Gas ausstoßen. Während eine seltene Freisetzung normal und im Allgemeinen harmlos ist, ist eine kontinuierliche Gasaustreibung problematisch. Der Verlust von Gasen führt zu einer irreversiblen Austrocknung der Batterie, was dazu beiträgt, dass VRLA-Batterien im Allgemeinen eine etwa halb so lange Lebensdauer haben wie herkömmliche überflutete Batterien (VLA).

Kontamination:

Verunreinigungen im Batterieelektrolyt können die Leistung erheblich beeinträchtigen. Gerade bei älteren oder nicht ordnungsgemäß gewarteten Batterien sind regelmäßige Kontrollen und Wartungen unerlässlich, um verschmutzungsbedingte Probleme zu vermeiden. Bei ventilregulierten Blei-Säure-Batterien (VRLA) kommt es selten zu einer Verunreinigung des Elektrolyten, die häufig auf Herstellungsfehler zurückzuführen ist. Bei belüfteten Blei-Säure-Batterien (VLA) bestehen jedoch häufiger Bedenken hinsichtlich der Kontamination, insbesondere wenn dem Elektrolyten regelmäßig Wasser zugesetzt wird. Die Verwendung von unreinem Wasser wie Leitungswasser anstelle von destilliertem Wasser kann zu Verunreinigungen führen. Solche Verunreinigungen können erheblich zum Ausfall von Blei-Säure-Batterien beitragen und sollten sorgfältig vermieden werden, um die Batterieleistung sicherzustellen.

Katalysatoren:

In VRLA-Batterien können Katalysatoren die Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff erheblich verbessern, die Austrocknungseffekte verringern und dadurch die Lebensdauer verlängern. In manchen Fällen können Katalysatoren nach dem Kauf als zusätzliches Zubehör eingebaut werden und helfen möglicherweise sogar dabei, eine ältere Batterie zu revitalisieren. Es ist jedoch wichtig, mit Vorsicht vorzugehen; Jegliche Feldmodifikationen bergen Risiken wie potenzielles menschliches Versagen oder Kontamination. Solche Änderungen sollten nur von Technikern mit spezieller Werksschulung durchgeführt werden, um Schäden an der Batterie zu vermeiden.

Abschluss

Der vorzeitige Ausfall von Blei-Säure-Batterien kann durch richtiges Verständnis, Überwachung und Wartung weitgehend gemildert werden. Durch das Erkennen der Anzeichen potenzieller Probleme wie Überladung, Unterladung und thermisches Durchgehen kann die Lebensdauer von VRLA-Batterien erheblich verlängert werden. Für diejenigen, die weitere Informationen und Beratung suchen, bietet Dfun Tech umfassende Einblicke und Lösungen zur Erhaltung der Gesundheit und Effizienz von Blei-Säure-Batterien. Für jeden, der sich auf diese kritischen Notstromsysteme verlässt, ist es von entscheidender Bedeutung, das komplexe Gleichgewicht physikalischer und chemischer Faktoren zu verstehen, die sich auf die Batterieleistung auswirken.