Erstellt von Marcus Rönz | 27.01.2023
Springe zum gewünschten Bereich innerhalb dieser Seite: StartInhaltsverzeichnisähnliche ThemenKommentare Die meisten nutzen in ihrer Solaranlage Bleiakkus. Dabei gibt es Unterschiede zwischen Kfz-Starterbatterien und zyklenfeste Solarakkus. Darauf gehe ich genauer in diesem Artikel ein. Ebenso etwas zum Aufbau, dem Ladevorgang, Lebensdauer Erhöhung und den technischen Daten. Auch zeige ich, welche technischen Weiterentwicklungen es zum Säureakku gibt.
Inhaltsverzeichnis:
- Typen und Aufbau eines Bleiakkumulators
- Kapazität eines Bleiakkus
- Laden und Entladen, Gasen und Spannung
- Ladefunktionen: Bulk, Absorption, Float
- Alte Bleiakkus reanimieren: Akku fit bekommen
Typen und Aufbau eines Bleiakkumulators
Egal ob das Elektrolyt flüssig ist, in Gelform oder in Vliesmatten. Der Aufbau ist bei den meisten Akkus der gleiche.Alle einzelnen Zellen sind in Serie (Reihenschaltung - Reihenschaltung und Parallelschaltung) geschaltet. Die Anzahl der Zellen bestimmt dann die Spannung des Akkus. Ein 6V Akku hat 3 Zellen. Für einen 12V Akku werden 6 Zellen benötigt.
Ein Isolator, der die Batteriesäure von den Bleiplatten trennt, lässt nur den Ionenfluss zu.
Die drei häufigsten Blei-Akkus sind Blei-Vlies, Blei-Gel und verschiedene Typisierte Blei-Säure Akkus (Kalzium). Letztere Blei-Säure Akkus müssen oftmals gewartet werden: Auffüllen von destilliertem Wasser. Ebenfalls sind diese unempfindlicher bei Gasung - Blei-Vlies und Blei-Gel sind wartungsfrei und oft führt Gasung zur Zerstörung des Akkus. Dazu mehr weiter unten.
Lesetipps:
- Akku Mix: unterschiedliche Kapazitäten in Reihenschaltung und Parallelschaltung
- Test 12V 100Ah LiFePo4 Batterie
- Unter 0 Grad-Test 12V 100Ah LiFePo4 Batterie mit Batterieheizung
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Im nachfolgenden Bild wird der Aufbau vereinfacht dargestellt.
Bleiakku: vereinfachter Aufbau
Querschnitt eines 3-zelligen Bleiakkus. Je Zelle ca. 1,5 Volt = 6V Akku. Die Kapazität hängt u.a. von der Größe, dem verwendeten Material (Blei) und des Elektrolyts ab.
Kapazität eines Bleiakkus
Wie du sicher bereits bemerkt hast, ist die Kapazität von der Größe abhängig. Die Kapazität kann hingegen trotzdem noch je nach Bautyp variieren. Dies hängt auch vom verwendeten Material und dem Elektrolyt ab. Aber auch die Temperatur spielt eine wesentliche Rolle.Die volle Kapazität eines Akkus wirst du nie nutzen können, da die Spannung immer weiter sinkt. Verschiedene Geräte funktionieren dann nicht mehr. Geht es in Richtung Tiefentladung, bei 12V Blei-Säure Akkus fängt diese Tiefentladung um die 10,5V bis 11,8V in der Regel an. Auch das ist Abhängig von Temperatur und Stromentnahme. Der Akku kann bei tiefer Entladung beschädigt werden - die Bleiplatten oder das Kalziumgitter nehmen dann Schaden. Ebenso gibt es die Sulfatierung. Weiter unten zeige ich Gegenmaßnahmen.
Besser machen das neuere Lithium-Ionen Technologien, die zudem besser in Photovoltaikanlagen genutzt werden können, als Blei.
Lesetipp: PV Heimspeicher - Lithium Akku oder Blei Akku?
Verschiedene Akkutypen mit integrierten Schaltkreisen haben ein Tiefentladeschutz. Z.b. gesicherte Lithium-Ionen Akkus, aber auch Solarladeregler oder Wechselrichter (Spannungswandler) haben meist einen Tiefentladeschutz.
Wir können im Schnitt rund 30 bis 50 Prozent des (zyklenfesten) Akkus entladen, insofern er komplett voll ist. Zwar könnte man tiefer entladen, das jedoch wirkt sich extrem auf die Lebensdauer aus. Für unsere Solaranlagen sollten wir daher eine Überdimensionierung der Akkukapazitäten einkalkulieren. Die Lebensdauer verlängert sich, wenn der Akku möglichst immer Vollgehalten wird (nur Blei Akku!). Zu jedem Akku gibt es auch ein Datenblatt, welches die mögliche Zyklenanzahl in Abhängigkeit der Entladetiefe (DOD) und Temperatur erläutert.
Gründe für eine Tiefentladung:
- Akku wurde lange nicht mehr aufgeladen
- Ende der Lebensdauer
- Kurzschluss / Zellenkurzschluss
- Direkt angeschlossene Verbraucher ohne Tiefentladeschutz
- Defekt des Ladegerätes
- erhöhter Zelleninnenwiderstand durch Korrosion/Sulfatierung
Und auch das Training von Akkus ist möglich. Verschiedene Geräte helfen dabei, Ablagerungen (Sulfatierung) an den Platten zu lösen und den Akku in Sachen Kapazität und Power, fit zu bekommen.
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Die beste Möglichkeit Sulfatierung zu vermeiden, ist nur gering zu entladen.
Dazu gab es bereits einen Artikel: Lebensdauer von Nassbatterien verlängern
Höhe der Spannung und die Kapazität
Ein kleines Diagramm was dir zeigt, bei welcher Spannung die Akkukapazität ist. Denn bei der Akkuspannung können etwaige Rückschlüsse auf die Restkapazität gezogen werden. Dies gilt für den 12V Bleiakku! Bei 6 Volt halbiert sich das.Achtung: Die Kapazität ist abhängig von der Temperatur! Herstellerangabe ist zu beachten und liegt meist bei 20 oder 25 Grad Celsius.
Bleinassakku (engl.: Sealed Lead Acid / Flooded Lead Acid Battery):
100% bei 12,70+ Volt
75% bei 12,40 Volt
50% bei 12,20 Volt
25% bei 12,00 Volt
0% bei 11,80 Volt
Gel Akku (engl.: Gel battery)
100% bei 12,85+ Volt
75% bei 12,65 Volt
50% bei 12,35 Volt
25% bei 12,00 Volt
0% bei 11,80 Volt
AGM Akku (engl.: AGM battery / Absorbed Glass Matt)
100% bei 12,80+ Volt
75% bei 12,60 Volt
50% bei 12,30 Volt
25% bei 12,00 Volt
0% bei 11,80 Volt
Laden und Entladen, Gasen und Spannung
Für jeden Akkutyp gibt es die passenden Ladegeräte oder Laderegler. Wichtig ist auch die Auswahl der passenden/richtigen Ladekennlinie. Darüber gab es bereits einen Artikel: Ladekennlinien, Akkus richtig aufladenIm Thema 5 Fehler bei der Solaranlage vermeiden, habe ich ebenfalls etwas zum Lade- und Endladestrom von Bleiakkus geschrieben.
Bei jedem Akku gibt es eine vom Hersteller genannte Ladeschlussspannung und maximalen Ladestrom. Oft ist dies im Datenblatt des jeweiligen Akkus ersichtlich oder auf der jeweiligen Webseite.
Datenblatt Ladung: 6V und 12V Blei-Vlies Akku
Hier zwei Fotos vom aufgedruckten Datenblatt des 6V und 12V Blei Akkus. Beides sind Vlies Akkus (Glass Mat).
Billige Ladegeräte, die mit einer hohen Spannung pulsen, können bei Blei-Vlies oder Blei-Gel schon während des Ladens ein Gasen auslösen. Hier lieber ein Prozessor-gesteuertes, hochwertiges Ladegerät nutzen. Das hilft vor allem bei der Verlängerung der Lebensdauer. Wer mit dem Labornetzteil etc. lädt, sollte einen geringen Strom einstellen (ideal oft 1/10 der Kapazität, bei einem 4Ah Akku also 400mA).
Wartungsfreie Akkus wie Blei-Gel oder Blei-Vlies, haben oftmals nicht die Möglichkeit zum auffüllen von destilliertem Wasser. Bei einigen geht dies aber - ein Gasen sollte trotzdem vermieden werden. Bei alten Blei-Säure ist dies nicht so problematisch, da hier nachgefüllt werden kann und muss.
Bei der Gasung bildet sich Wasserstoff und Sauerstoff, da eine Elektrolyse stattfindet (Herstellung von Wasserstoff). Akkus sollten daher entweder mit geöffneten Fenster oder gleich draußen geladen werden.
Und dem Blei-Säure Akku kommt das Gasen sogar zugute. Die Säure mischt sich dadurch und die Säureschichtung wird vermieden (Sulfatierung ebenfalls geringer). Zudem gibt es ein Ausgleich der einzelnen Zellen. Mehr dazu weiter unten bei der Absorption-Ladung.
Fülle auf keinen Fall Batteriesäure (Schwefelsäure), sondern nur Destilliertes oder Ionisiertes Wasser nach. Die manchmal mitgelieferte Batteriesäure ist nur für trocken vorgeladene Nassakkus zum erstmaligen beleben gedacht.
Wird der Füllstand geringer, so verdunstet das Wasser, nicht aber die enthaltene Schwefelsäure. Es gibt auch Prüfgeräte zur Säuremessung, z.b. den sog. Säureheber. Dieser zeigt jedoch auch den Ladezustand des Akkus an (es muss im aufgeladenen Ruhezustand gemessen werden). Ebenfalls ist die passende Umgebungstemperatur (meist 20 Grad Celsius) zu beachten.
Sicherheit beim Laden
Bei einigen meiner Kollegen der Solaranlagen-Fanatiker, habe ich Blei-Säure Akkus in Kellern, Wohnung oder Schränken gesehen. Wenn hier keine ordentliche Lüftung stattfindet, entsteht Knallgas / Wasserstoff.
Tipp: Nimm dies bitte ernst und schaue dir die Sicherheitsbestimmungen im Datenblatt von Ladegeräten und des jeweiligen Akkus an. Wikipedia ist auch eine gute Quelle um nachzublättern. Alle Akkus die Gasen können, gehören in einen belüfteten Raum. Darin kein offenes Feuer, rauchen oder Funkenschlag! Zudem kann man sich eine Abluftanlage günstig selber bauen.
Ladeschlussspannungen und Stromstärke:
Auf einigen Akkus ist ein Datenblatt aufgedruckt oder beigelegt. Diese zeigen, mit wie viel Strom und Spannung du laden darfst. Anbei nochmal der Hinweis zum Artikel der Ladekennlinie (Stichwort Gleichstromladung).
Bei einigen Dingen stimme ich mit der Wikipedia überein - also warum abschreiben. Lies hier mehr zum Ladeverfahren und Ladeschlussspannung.
Kleine Tabelle mit Ladeschlussspannung von Akkus:
- NiCd, NiMH Akku: Ladeschlussspannung bei 1,45V
- LiIon Akku (4,2V): Ladeschlussspannung bei 4,1 bis 4,2V
- Blei-Säure Akku: Ladeschlussspannung bei 2,42V pro Zelle
- --> 12V Blei-Säure Akku: Ladeschlussspannung bei 14,52V
- --> 6V Blei-Säure Akku: Ladeschlussspannung bei 7,26V
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Und auch der Ladestrom (in Ampere) sollte nicht zu hoch ausfallen, da es die Bleiplatten schadet. Im schlimmsten Fall entsteht ein Zellenkurzschluss und damit die permanente Entladung der jeweiligen Zelle. Bei Vlies oder Gel Akkus kann das zwar nicht passieren, aber auch hier werden die Bleiplatten angegriffen.
Meide also Schnellladegeräte, die mit hohen Strömen laden. Lieber mit einem geringen Strom laden. Beispielsweise sollte mit 1/20 bis 1/10 (ein Zehntel) der Kapazitätsangabe geladen werden. Für einen 7,2AH Akku also mit 360mA bis 720mA. Die Anweisungen des Herstellers haben trotzdem Vorrang und oft findest du im Internet auch gut dokumentierte PDF Dateien des Herstellers zu einem Akku.
Bevor wir zum Ende kommen, hier noch den neusten Online Rechner von mir zum Thema Ladezeit von Akkus berechnen:
Ladezeit von Akkus berechnen - Online
Ladefunktionen: Bulk, Absorption, Float
Gute Ladegeräte und Laderegler gehen meist drei Prozesse beim aufladen durch. Bulk, dann Absorption, als letztes Float. Schauen wir, was das ist.Bulk: Volle Power! (Konstantstrom Ladung)
Ist der Akku nahezu leer, wird mit dem Bulk-Charge alles an Strom drauf gehauen. Ein Limit gibt es jedoch und das ist der Strom. Dabei wird die Spannung so weit angehoben, dass die gewünschte Stromstärke erreicht wird. Man spricht hierbei auch von einer Konstantstrom Ladung. Zwischendurch misst das Ladegerät die Spannung des Akkus und schaltet bei erreichen der Ladeschlussspannung auf die nächste Absorptionsphase um.
Absorption: Gasung und Restladung
In dieser Ladephase wird die Ladeschlussspannung gehalten, sodass der Akku meist auch Gasen kann. So werden die Einzelzellen miteinander ausgeglichen und die letzten mAh aufgeladen.
Nun wird das Ladegerät entweder nach einer gewissen Zeit oder beim unterschreiten eines bestimmten Stroms abschalten. Je voller ein Akku wird, desto geringer wird dessen Ladestrom.
Das Ladegerät geht nun in den Float-Charge über.
Float: Erhaltungsladung
Die Erhaltungsladung ist geringer als die Ladeschlussspannung. Ebenfalls wird vom Ladegerät die eingestellte Spannung gehalten - ggf. lädt es die Verluste nach.
Gut zu wissen: Die Lebensdauer wird mit einem guten Ladegerät / Laderegler erhöht. Kauf dir also keinen Billigschrott - du zahlst sonst bei verschlissenen Akkus wieder drauf.
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Akkus wieder fit bekommen
Vom Schrottplatz hatte ich einige Kfz Starterbatterien bekommen. Eben für meine Solaranlage. Meide Akkus unter 12V Spannung! Falls du aber doch solche Batterien hast, ist der innere Zustand wichtig. Ein 12V Bleiakku mit 10V hat entweder einen Zellenkurzschluss oder ist bereits tiefentladen.Meine alte Mopedbatterie (12V) hing sehr lange irgendwo bei 9 Volt, hat jedoch keinen Zellenkurzschluss gehabt. Das Ladegerät angeschlossen, 5 Minuten später war diese "voll". Stimmt nicht, denn die Spannung sank sofort wieder. Misst man den Ladestrom, ist dieser minimal.
Nun gibt es mehrere Möglichkeiten, wenn kein Zellenkurzschluss besteht.
Warnhinweis: Akkus können Gasen, es entstehen explosive Gase! Säure versaut dir Klamotten, Haut und Gesundheit. Augenschutz, Handschuhe, ordentliche Kleidung und Belüftung sind immer empfehlenswert!
1. Möglichkeit:
Kein Akkuladegerät nutzen, sondern eine einstellbare Festspannungsquelle. Beispiel Labornetzteil, DC-DC Wandler o.ä. und nahe an der Ladeschlussspannung längere Zeit (12h, je nach Akkukapazität) angeklemmt lassen. Der Akku wird dadurch ganz langsam hochgeladen und nimmt kaum Strom an, die Sulfatierung wird aber schrittweise aufgehoben.
2. Möglichkeit:
Der Re-EMF Charger. Eines der tollsten Bastelprojekte, die jeder sich selbst bauen sollte. Durch die hohe Frequenz beim Laden und dem Zusammenbrechen des Magnetfeld der Spule werden Spannungsspitzen in den Akku gepulst. Ebenfalls gibt es auch eine kurze Negativspannung. Nur mit diesem habe ich meine Mopedbatterie wieder hinbekommen. Mein Re-EMF Charger pulst mit ca. 8 kHz, je nach eingestellter Spannung und Ladezustand. Als Spannungsversorgung nutze ich ein 19V Notebook Ladegerät und einen DC-DC Wandler. Eingestellt auf 14,8V und gut. Gasungsspannung ist jedoch oft bei 14,4V!
Alternative zum bauen ist zumindest der Kauf eines Pulsladegerätes und wenn soweit fit, den Pulser (siehe unten).
3. Möglichkeit:
Geht nur bei Nass-Akkus, wo du die Zellstopfen aufschrauben kannst! Die Lösung ist eine deutlich höhere Spannung anlegen. Ideal ist das für Akkus, die stark sulfatiert sind und kaum Strom aufnehmen. Beachte, dass sich Knallgas bildet. Nur draußen oder im belüfteten Raum. Kein Feuer, Funken, Rauchen etc.!
Auch darfst du das nicht zu lang machen, da die Bleiplatten darunter leiden.
4. Möglichkeit:
Kurzschluss! Die meisten Kfz-Mechaniker werden das kennen. Eine alte Autobatterie kann für den Winter mit Kurzschlüssen (nur ganz kurz, aber öfters) wieder fit machen. Bei Starter-Batterien für Autos fließen sehr hohe Ströme (600A und mehr). Ebenfalls darf dies nie in einem Auto durchgeführt werden, da Steuergeräte oder Sicherungen zerstört werden können. Es besteht zudem Brandgefahr, da sich kurzgeschlossene Kabel aneinander Festschweißen können.
Um Akkus generell fit zu halten, gibt es verschiedene Geräte zu kaufen. Das verlangt jedoch einen bereits fitten Akku. Einer der schon das zeitliche gesegnet oder generell mechanische Schaden hat, geht dafür nicht.
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So lade ich meine Blei-Akkus:
Dies ist kein Tipp, sondern meine Vorgehensweise.
Leere Akkus lade ich mit etwas erhöhter Spannung (ca. 10-20%) wie die Ladeschlussspannung sein sollte. Aber auch nur so lang, bis ein Teil des Akkus aufgeladen wurde. Danach wechsel ich zur Ladeschlussspannung.
Das realisiere ich mit meinem selbstgebauten Ladegerät und lade damit auch verschiedene andere Batterien wie Zink-Kohle, NiMh,...
Der Vorteil ist, dass schneller geladen werden kann. Ähnliches Prinzip verwenden auch andere Ladegeräte. Die Hochstromladung perfektionieren neue Smartphones mit Schnellladefunktion für LiIon Akkus, z.b. statt 5V werden 20V angelegt. Aber, bitte nicht nachmachen, sondern einem Ladegerät überlassen! Hoher Strom bedeutet Wärme und kann Bleiplatten und enthaltene Gitterstrukturen schaden.