Tiefentladung
Unter Tiefentladung eines Akkumulators versteht man den Zustand nach Entnahme elektrischer Energie bis zur nahezu vollständigen Erschöpfung der Kapazität<ref name="Quelle 1" /> oder bis unter eine bestimmte Spannung. Da Tiefentladungen schädlich für den Akkumulator sein können, sollten sie nach Möglichkeit vermieden und der Akkumulator davor geschützt werden.<ref name="Quelle 9" />
Grundlagen
Bei der Tiefentladung wird eine Zelle eines Akkumulators mit beliebiger Stromstärke soweit entladen, dass die Spannung unter die Entladeschlussspannung absinkt.<ref name="Quelle 11" /> Durch die Tiefentladung können je nach Batterietyp unterschiedliche Schädigungen auftreten.<ref name="Quelle 10" /> Bei einer Reihenschaltung der Zellen können die Zellen mit der geringsten Kapazität sogar umgepolt werden. Je nach Akkutyp kann eine einzige Tiefentladung einen Akku zerstören.<ref name="Quelle 9" /> Wenn sich der angeschlossene Verbraucher bei zu geringer Spannungsversorgung nicht selbständig abschaltet, ist besondere Vorsicht geboten. Akkumulatoren können auch bei Nichtbenutzung, allein aufgrund von Selbstentladung, tiefentladen werden.<ref name="Quelle 10" />
Auftreten
Die Tiefentladung eines Akkumulators beginnt mit dem Unterschreiten der Entladeschlussspannung. Dies ist eine festgesetzte Spannung, bis zu welcher der Akkumulator entladen werden darf.<ref name="Quelle 7" /> Die Höhe der Entladeschlussspannung pro Zelle ist abhängig vom jeweiligen Akkumulatortyp.
| Akkumulatortyp | Typische Entladeschlussspannung für Einzelzellen |
|---|---|
| Lithium-Polymer-Akku | 3,30 Volt |
| Lithium-Ionen-Akku | 2,50 Volt<ref name="Quelle 15" /> |
| LiFePO Akku | 2,00 Volt |
| Bleiakkumulator 12-V-Akku |
1,75 Volt<ref name="Quelle 11" /> 10,5 Volt |
| Nickel-Zink-Akkumulator | 1,20 Volt |
| Wiederaufladbare Alkali-Mangan-Zellen (RAM-Zellen) | 1,00 bis 1,10 Volt |
| Nickel-Metallhydrid-Akku | 1,00 Volt |
| Nickel-Cadmium-Akku | 0,85 bis 1,00 Volt |
Gründe für eine Tiefentladung
Für die Tiefentladung eines Akkumulators gibt es verschiedene Gründe (Beispiele):<ref name="Quelle 14" />
- Akkumulator überaltert (Ende der Lebensdauer)
- Akkumulator wird nicht richtig aufgeladen
- Ladegerät nicht passend für den Akkumulator
- Ladegerät defekt
- Passive Stromentnahme durch Gerät
- Gerät wird beim Unterschreiten der Entladeschlussspannung nicht abgeschaltet und schaltet sich auch nicht selber ab
Bei der Verwendung in Kraftfahrzeugen kommen noch weitere Gründe hinzu (Beispiele):<ref name="Quelle 14" />
- Kurzschluss in der elektrischen Anlage
- Falscher Akkumulator eingebaut
- Fahrzeugbeleuchtung angelassen
- Betrieb größerer Verbraucher im Stand (Standheizung, Radio, Kühlbox etc.)
- Lichtmaschine defekt
- Lichtmaschinenregler defekt
- Überlastung des Bordnetzes durch zusätzlich eingebaute Verbraucher
- Steuergerätefehler
- Häufige Kurzstreckenfahrten
- starker Frost bei geringer Ladung
Auswirkungen
Blei-Akku
Bei Bleiakkumulatoren sind die Auswirkungen vom Akkutyp abhängig.<ref name="Quelle 3" /> Starterbatterien sind für ständige Tiefentladung nicht geeignet, da bei einer Tiefentladung die aktive Masse der Plusplatten zu stark beansprucht wird.<ref name="Quelle 2" /> Die Tiefentladung kann bei Bleiakkumulatoren zur Sulfatierung der aktiven Masse und somit zu einem Kapazitätsschwund führen. Des Weiteren kommt es, bedingt durch die niedrigere Säuredichte und eine höhere Temperatur, zu einer Korrosion der Elektroden.<ref name="Quelle 13" /> Bleiben tiefentladene Bleiakkumulatoren über einen Zeitraum von mehreren Tagen in diesem Zustand, kommt es durch Rekristallisation zu einer grobkristallinen Bleisulfatbildung.<ref name="Quelle 7" /> Aus diesem Grund sollten tiefentladene Bleiakkumulatoren auf keinen Fall längere Zeit ungeladen gelagert werden, da dies zu irreversiblen Schäden am Akku führt.<ref name="Quelle 4" /> Bei mehrfachen Tiefentladungen kommt es zu einer irreversiblen Verhärtung der aktiven Massen in den Elektroden und zu einer stark erhöhten Abschlammung der aktiven Masse aus der positiven Elektrode.<ref name="Quelle 13" /> Dies führt letztendlich zu Kurzschlüssen zwischen den Platten aufgrund sogenannter Durchwachsungen.<ref name="Quelle 7" />
Blei-Gel-Akku
Gel-Batterien sind tiefentladungssicherer, sie überstehen Tiefentladungen deutlich besser als gewöhnliche Bleiakkumulatoren.<ref name="Quelle 6" /> Die Tiefentladung ist bei Gel-Akkumulatoren deshalb in begrenztem Umfang möglich.<ref name="Quelle 8" /> Bei Traktionsbatterien werden extra dicke Plusplatten (sog. Panzerplatten) verbaut und Spezialseparatoren verwendet. Dieser Akkumulatortyp ist weniger empfindlich gegen Tiefentladung.<ref name="Quelle 9" />
Lithium-Akku
Bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren führt eine Tiefentladung auf unter 2,4 V zu irreversibler Schädigung und zu Kapazitätsverlust. Sinkt die Spannung einer Zelle auf unter 0,5 V, sollte sie nicht mehr verwendet werden. Es ist sehr wahrscheinlich, dass sich Kupferbrücken ausgebildet haben, welche dann zu einem Kurzschluss führen. In diesem Zustand wird die Zelle instabil und erhitzt sich sehr stark, wodurch Brandgefahr entsteht. Tiefentladene Lithium-Ionen Akkus sollten aus Sicherheitsgründen nicht weiterverwendet werden.<ref name="Quelle 5" />
NiCd-Akku
Nickel-Cadmium-Akkumulatoren sind robust gegenüber Tiefentladung.<ref name="Quelle 8" /> Sie können auch mehrere Jahre in entladenem Zustand gelagert werden, ohne Schaden zu nehmen.<ref name="Quelle 12" />
Erkennungsmerkmale eines tiefentladenen Akkumulators
Zunächst erkennt man die Tiefentladung durch eine Spannungsmessung des Akkumulators. Liegt die Batteriespannung unter der Entladeschlussspannung, wurde der Akkumulator tiefentladen.<ref name="Quelle 13" />
Bei Bleiakkumulatoren kann man die Tiefentladung auch durch Messen der Säuredichte feststellen.<ref name="Quelle 3" /> Liegt die Säuredichte deutlich unter 1,1 kg/l, so wurde die Batterie tiefentladen.<ref name="Quelle 10" /> Einen tiefentladenen Bleiakkumulator mit starker Sulfatation und vollständig verbrauchter Schwefelsäure erkennt man beim Laden: der anfangs hohe Ladestrom des Akkumulators sinkt sehr schnell auf sehr kleine Werte ab.
Das Tiefentladen von Lithium-Ionen-Akkus kann beim nachfolgenden Laden zu Zellenkurzschlüssen führen und ist daher potenziell brandgefährlich.<ref>https://www.elektroniknet.de/elektronik/power/gefaehrdungspotenzial-von-li-ionen-zellen-92479.html Elektroniknet/BMZ Batterien-Montage-Zentrum GmbH: Text zu Gefährdungen bei Li-Ion-Akkus, abgerufen am 8. Feb. 2019</ref> Sind bereits Zellen kurzgeschlossen, verringert sich die Ladeschlussspannung und es besteht die Gefahr einer Überladung, die ebenfalls gefährlich ist. NiCd-Batterien können bei Tiefentladen durch Umpolung der schwächsten Zellen leiden und dadurch sogar Zellenkurzschlüsse haben. Das erkennt man an der untypischen Leerlaufspannung nach kurzem Laden.
Maßnahmen zur Vorbeugung
Akkumulatoren müssen, je nach Typ, vor Tiefentladung geschützt werden.<ref name="Quelle 9" /> Hierfür gibt es einen speziell auf den jeweiligen Akkutyp abgestimmten Tiefentladeschutz. Dieser schaltet die Verbraucher automatisch ab, sobald die Akkuspannung einen eingestellten Grenzwert unterschreitet.<ref name="Quelle 1" /> Akkumulatoren sollten je nach Typ nicht mehr als 80 % entladen werden, deshalb verhindert rechtzeitige Ladung der Akkumulatoren eine Tiefentladung.<ref name="Quelle 2" />
Bei Akkumulatoren, die in Fahrzeugen eingebaut werden, sowie in Batterieanlagen werden spezielle elektronische Lastabwurfrelais eingebaut. Diese Relais messen mittels einer eingebauten Elektronik die Bordnetzspannung und schalten bei Bedarf die Verbraucher ab.<ref name="Quelle 4" />
Bei so genannten Akkupacks schaltet z. T. bei einer Tiefentladung eine interne Sicherung den Akkumulator ab, somit kann er nicht noch weiter entladen werden.
Regeneration der Akkumulatoren
Bleiakkumulator: Tiefentladene Bleiakkumulatoren sollte man mit einem kleinen Ladestrom über einen längeren Zeitraum aufladen. Im Anschluss an die Vollladung muss der Akkumulator, um eine Mangelladung zu verhindern, mit einer Ausgleichsladung weiter aufgeladen werden.<ref name="Quelle 13" /> Bei dieser Art der Ladung wird die Sulfatierung der aktiven Masse bei „leichten Fällen“ wieder behoben. Hierbei kann es vorkommen, dass die Ladespannung auf über drei Volt ansteigt und trotzdem kein Ladestrom fließt. Wenn der Schaden an den Zellen nicht zu groß ist, kommt es während des Ladevorgangs zum Durchbruch des isolierenden Bleisulfats. Danach fließt ein Ladestrom und die Ladespannung sinkt wieder auf normale Werte von 2,7 Volt pro Zelle.<ref name="Quelle 7" /> Bei starker Sulfatation mit vollständig verbrauchter Schwefelsäure wird die Batterie unbrauchbar.<ref name="Quelle 13" />
Li-Ion-Akkumulator: Tiefentladene Lithium-Ionen-Akkus stellen beim nachfolgenden Laden eine Gefahr dar (Kurzschluss, Brand). Sie sind in der Regel nicht regenerierbar. Bei elektronischen Ladegeräten von Lithium-Ionen-Batterien (Akkupacks) kann es passieren, dass die Ladegeräte den Akkumulator nicht wieder laden, da an den externen Kontakten keine Spannung anliegt, wenn die interne Schutzelektronik den entladenen Akku von den Kontakten trennt, bis von außen eine ausreichende Ladespannung anliegt. Die Ladegeräte beginnen jedoch bei entladenem Akku mit sehr kleinem Ladestrom, was manchmal nicht ausreicht, die Elektronik zurückzusetzen.
Siehe auch
Literatur
Fachbücher
- {{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}
- {{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}
Fachbroschüren
- Batterie-Ratgeber. Informationen rund ums Thema Batterie. Robert Bosch GmbH, Stuttgart.
Weblinks
- Andreas Jossen, Thi Binh Phan, Vojtech Svoboda: Tiefentladung von Batterien – Ursachen, Mechanismen, Lebensdauereinfluss (PDF; 441 kB). Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg.
Einzelnachweise
<references> <ref name="Quelle 1">Helmut Weik: Expert Praxislexikon Sonnenenergie und Solare Techniken. 2. vollständig bearbeitete und aktualisierte Auflage. Expert Verlag, Renningen 2006, ISBN 978-3-8169-2538-5, S. 330.</ref> <ref name="Quelle 2">Thomas Kaufmann: Flurförderzeuge. Optimale Planung und effizienter Einsatz. Beuth Verlag GmbH, Berlin-Wien-Zürich 2013, ISBN 978-3-410-22065-7, S. 74–75.</ref> <ref name="Quelle 3">Heinz-Albert Kiehne: Gerätebatterien. 3. völlig neubearbeitete Auflage. Expert Verlag, Renningen 2001, ISBN 3-8169-1470-5, S. 55–57, 128.</ref> <ref name="Quelle 4">Dietrich Naunin: Hybrid-, Batterie- und Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge. 4. Auflage. Expert Verlag, Renningen 2004, ISBN 978-3-8169-2625-2.</ref> <ref name="Quelle 5">Bundesinnungsverband für das Deutsche Zweiradmechaniker-Handwerk (Hrsg.): Umgang mit Lithium-Akkumulatoren bei Zweirädern. Bonn 2011.</ref> <ref name="Quelle 6">Solarlink GmbH (Hrsg.): Handbuch für verschlossene Gel-Blei-Batterien. Teil 1: Grundlagen, Konstruktion, Merkmale, Bad Bederkesa 2003, S. 18.</ref> <ref name="Quelle 7">GNB Industrial Power (Hrsg.): Handbuch für stationäre Bleibatterien. Teil 1: Grundlagen, Konstruktion, Betriebsarten und Anwendungen, Ausgabe 6, 2012, S. 65–67.</ref> <ref name="Quelle 8">Michael Trzesniowski: Rennwagentechnik, Grundlagen, Konstruktion, Komponenten, Systeme. 3. Auflage. Springer Vieweg Verlag, Wiesbaden 2012, ISBN 978-3-8348-1779-2, S. 808–816.</ref> <ref name="Quelle 9">Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme, Technologie-Berechnung-Simulation. 8. aktualisierte und erweiterte Auflage. Hanser Verlag, München 2013, ISBN 978-3-446-43526-1, S. 222–228.</ref> <ref name="Quelle 10">Bosch: Technische Unterrichtung Batterien. Robert Bosch GmbH, Stuttgart, VDT-UBE 410/1.</ref> <ref name="Quelle 11">Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal, 1989, ISBN 3-8085-3018-9, S. 487–488.</ref> <ref name="Quelle 12">VARTA: Gasdichte Ni-Cd-Akkumulatoren. VARTA Batterie AG (Hrsg.), Hannover.</ref> <ref name="Quelle 13">ZVEI: Anforderungen an Batterie-Entladeanzeiger für Blei-Antriebsbatterien zur Erreichung einer hohen Wirtschaftlichkeit. Merkblatt des Fachverbandes Batterien, Frankfurt am Main 2008.</ref> <ref name="Quelle 14">Robert Bosch GmbH. (Hrsg.): Batterie-Tipps. Bosch Berufsschulinfo, Stuttgart 2005, S. 1–2.</ref> <ref name="Quelle 15">Joachim Specovius: Grundkurs Leistungselektronik Bauelemente, Schaltungen und Systeme. 6. Auflage. Springer Vieweg Verlag, Wiesbaden 2013, ISBN 978-3-8348-2447-9, S. 361–367.</ref> </references>