Antriebsbatterien effizient und schonend laden

Ri-Ladeprozess von Fronius optimiert Betriebskosten für elektrische Flurförderzeuge

Der Batterieladetechnik-Spezialist Fronius Perfect Charging bietet mit dem Ri-Ladeprozess das weltweit fortschrittlichste, effizienteste und schonendste Verfahren zum Laden von Blei-Säure-Batterien. Anders als herkömmliche Technologien folgt dieser keiner fixen Kennlinie, sondern passt die Ladung individuell an Alter, Temperatur und Zustand der angeschlossenen Batterie an. Dies erhöht die Energieeffizienz, senkt dadurch die Stromkosten und verlängert gleichzeitig die Lebensdauer der Batterien.

Die Blei-Säure-Batterie ist nach wie vor der meist genutzte Energiespeicher in Flurförderzeugen mit Elektromotor. In ihr wird beim Aufladen elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Wird ein Verbraucher angeschlossen, so wird die chemische Energie wieder in elektrische Energie zurückgewandelt. Im Laufe der Zeit unterlagen die Ladeverfahren ständigen Veränderungen: von den Anfängen der ersten 50-Hz-Transformatorladegeräte mit ungeregeltem Ladeprozess über Hochfrequenz- (HF-) Ladegeräte mit geregeltem Ladeprozess bis hin zu mikroprozessorgesteuerten mit komplexen Ladealgorithmen. Das heute bekannteste und am meisten verbreitete Ladeverfahren in der Intralogistik ist das IUI-Ladeverfahren.

Fronius hat mit dem Ri-Ladeprozess ein neues Konzept zum Laden von Blei-Säure-Antriebsbatterien auf den Markt gebracht. Anders als andere Verfahren richtet sich dieses nach dem Innenwiderstand der Batterie – kurz Ri. Dies ist ein spezifischer Wert, der sich während des Ladens und Entladens durch die sich wandelnde Säurekonzentration und andere Effekte verändert. Die größte Änderung tritt im oberen und unteren Ladezustandsbereich der Batterie auf. Für den erhöhten Innenwiderstand im niedrigen Ladezustandsbereich sind die hauptverantwortlichen Komponenten das aktive Material sowie der Elektrolyt. Mit steigendem Ladezustand ist hauptsächlich der stark stromabhängige Polarisations-Widerstand für die Erhöhung des Innenwiderstandes verantwortlich. Er wird gegen Ende der Ladung hochohmig, da kein aktives Material mehr für die Umwandlung in Blei und Bleioxid bereit steht.

Überladung sorgt für Energieverluste

Herkömmliche IUI-Ladeprozesse bestehen in der Regel aus drei Abschnitten, in denen die Batterie zunächst mit konstantem Strom (I), dann mit konstanter Spannung (U) und schließlich wieder mit konstantem Strom geladen wird. Der letzte Abschnitt, die sogenannte Nachladephase, trägt nur noch minimal zur Vollladung der Batterie bei, da jetzt nur noch nur wenig Energie in Ladung umgesetzt wird. Stattdessen fließt die Energie in die Elektrolyse von Wasser, die eine Gasbildung an den Elektroden der Batterie bewirkt. Das gezielte Überladen ist wichtig, um einer Säureschichtung vorzubeugen und Kapazitätstoleranzen der Einzelzellen auszugleichen.

Durch die bei der Überladung auftretenden Energieverluste erwärmt sich die Batterie. Dies hat einen negativen Einfluss auf ihre Lebensdauer, denn alle chemischen Reaktionen laufen dann beschleunigt ab. Die Gründe für diese Ladeverluste sind bislang vorgefertigte Ladekennlinien, bei denen die Batterie – unabhängig von der Säurekonzentration und damit dem Ladezustand – mit einem vorgegebenen, unter Umständen zu hohen Ladestrom beaufschlagt wird.

Beim Ri-Ladeprozess hingegen wird der Ladestrom nicht konstant zugeführt, sondern in Abhängigkeit des Innenwiderstandes geregelt. Somit ergibt sich bei einem hohen Innenwiderstand ein kleiner Ladestrom – und umgekehrt. In der Praxis lässt sich mit dieser Methode bereits in der Hauptladephase eine Energieeffizienzsteigerung gegenüber herkömmlichen IUI-Ladeverfahren erreichen. Allerdings bewirkt die Anpassung des Ladestroms nicht nur eine Minimierung der Verluste am Innenwiderstand, sondern hat auch weitere positive Auswirkungen.

Höherer Ladewirkungsgrad durch angepassten Ladestrom

Um eine Vollladung der Batterie zu erzielen, muss mehr Ladung über das Ladegerät zugeführt werden als von der Batterie aufgenommen wird. Das Verhältnis der beiden Ladungen nennt man üblicherweise den Ladefaktor, den Kehrwert bezeichnet man als Ladewirkungsgrad. Der typische Ladefaktor liegt bei gängigen IUI-Ladeverfahren etwa zwischen 1,12 und 1,25. Während der Lebenszeit der Batterie kann er sich aber stark ändern. Ausschlaggebend für den hohen Ladefaktor ist die Elektrolyse von Wasser, die als Nebenreaktion auftritt. Fronius legte bei der Entwicklung des Ri-Ladeprozesses Wert darauf, diese in der Hauptladephase so gering wie möglich zu halten, um so den größten Teil des Ladestromes für die Hauptreaktion zu verwenden. In der Nachladephase, in der mit steigendem Ladezustand die Hauptreaktion zum größten Teil zum Erliegen gekommen ist, wird der Ladestrom gezielt in die Nebenreaktion und damit in die Umwälzung des Elektrolyten verlagert. Dadurch lässt sich der benötigte Ladefaktor auf ein Minimum reduzieren.

Mit typischen Entladeprofilen sind mit dem neuen Ri-Ladeprozess Ladefaktoren zwischen 1,05 und 1,12 erreichbar, was einem Wirkungsgrad zwischen 88 und 95 Prozent entspricht. Sowohl die verringerte Verlustleistung als auch der gesteigerte Ladewirkungsgrad ergeben sich durch die Anpassung des Ladestroms über den Innenwiderstand der Batterie: Ist dieser höher und damit die Stromaufnahmefähigkeit der Batterie geringer als zu Beginn des Ladens, wird der Ladestrom geringer und die Ladeverluste vermieden. Wird der Innenwiderstand im Verlauf des Ladens kleiner, steigt also die Stromaufnahmefähigkeit, erhöht sich der Ladestrom automatisch, um dann im weiteren Ladeverlauf wieder geringer zu werden, wiederum in Abhängigkeit vom ansteigenden Innenwiderstand. Die Batterie bekommt also nur den Ladestrom, den sie wirklich benötigt.

Energie gespart und Lebensdauer verlängert

Dieses Vorgehen ermöglicht in der Hauptladephase Steigerungen der Energieeffizienz von durchschnittlich 8 Prozent gegenüber Hochfrequenz-Ladegeräten mit herkömmlichem IUI-Ladeverfahren. Die benötigte Energiemenge sinkt damit um durchschnittlich bis zu 6,5 Prozent, in der Spitze sogar bis zu 10 Prozent. Der Wirkungsgrad der Batterieladesysteme mit Ri-Ladeprozess beträgt 93 Prozent, der Ladewirkungsgrad sowie der Prozesswirkungsgrad von der Steckdose bis zum Flurförderzeug steigen um jeweils bis zu 10 Prozent. Anwender können damit die Energiekosten für das Laden von Antriebsbatterien deutlich senken.

Der Autor

Jürgen Binder, Prozessentwickler für Batterieladetechnologie bei der Fronius International GmbH in Wels, Österreich (Bild: Fronius)