Batterieaufladung Bei Batterieladegeräten den gesamten Wirkungsgrad im Blick behalten

Der österreichische Spezialist für Batterieladesysteme Fronius hat eine ressourcenschonende Generation von Ladegeräten für Antriebsbatterien entwickelt. Die Batterielebensdauer werde damit deutlich verlängert, wie es heißt. Der neuartige Ri-Ladeprozess zeichne sich durch maximale Energieeffizienz aus.

Firmen zum Thema

Da es sich beim Batterieladen um zwei nacheinander geschaltete Prozesse handelt, sollte man als Logistikentscheider den Gesamtwirkungsgrad betrachten.
Da es sich beim Batterieladen um zwei nacheinander geschaltete Prozesse handelt, sollte man als Logistikentscheider den Gesamtwirkungsgrad betrachten.
(Bild: Fronius)

Es ist leider eine Tatsache: Mehr als die Hälfte aller Ladegeräte in Europa, die zum Laden von Flurförderzeug-Batterien gebraucht werden, basieren auf der alten 50-Hertz-Trafotechnik. Deren Wirkungsgrade sind aus heutiger Sicht erschreckend niedrig. Der Gerätewirkungsgrad beträgt durch den Leistungsverlust um die 80 %. Noch geringer ist der Ladewirkungsgrad. Er beträgt rund 70 %. Beide zusammen ergeben einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 56 %. Im Klartext heißt das: Von 100 % aus der Steckdose entnommener Energie gehen bei vollgeladener Fahrzeugbatterie im Durchschnitt 44 %, also knapp die Hälfte, an Energie verloren. Das ist in Zeiten wachsenden Bewusstseins für Ressourcenschonung kaum noch vertretbar.

Total Cost of Ownership merklich reduziert

Ein Schritt in die richtige Richtung – wenn auch nur ein kleiner – waren anfänglich Ladegeräte für Antriebsbatterien mit Inverter- beziehungsweise Hochfrequenztechnik (HF-Technik). Diese verfügt über eine gewisse Intelligenz, kontrolliert die Batterie und überwacht den Ladevorgang während der gesamten Ladung. Aber mit einem Gesamtwirkungsgrad von ungefähr 68 % haben diese Ladegeräte einen immer noch vergleichsweise hohenStromverbrauch. Die Ursachen hierfür sind die großen Ladeverluste zu Beginn des Ladens und die Überladung am Ende des Ladevorgangs.

Bildergalerie

Ein bedeutender Richtungswechsel zu mehr Effizienz war die Entwicklung der „Selectiva“-Batterieladesysteme mit „Active Inverter Technology“ für den Bereich Intralogistik aus dem Hause Fronius. Mit dieser seit 2005 bewährten Technik, die auf der Hochfrequenz-Technik basiert und einen Gesamtwirkungsgrad von rund 74 % erreicht, ließen sich erhebliche Stromkosten sparen, der Wartungsaufwand der Batterien ging zurück, die Batterien hielten länger, man sparte wegen der geringen Baugröße wertvollen Lagerplatz und half der Umwelt, indem die CO2-Emissionen deutlich verringert wurden. Alles in allem reduzierte man die Total Cost of Ownership (TCO) merklich.

Großer Anteil der Energie- an den Gesamtkosten

In Zeiten, in denen die Intralogistik in vielen Unternehmen einen wachsenden Kostenfaktor darstellt, findet verstärkt ein Wandel zu mehr Effizienz statt. Außerdem sind innerhalb der Logistikkette neue Anforderungen an Unternehmen zu verzeichnen, wie zum Beispiel das Thema Nachhaltigkeit. Vielfach haben gerade die Energiekosten einen großen Anteil an den Gesamtkosten. Um diese Kosten weiter wirkungsvoll zu reduzieren, haben die Fronius-Spezialisten eine neue „Selectiva“-Generation mit dreiphasigen Anschlüssen für 24-, 48- und 80-Volt-Antriebsbatterien entwickelt, wie sie in Elektrostaplern, Schmalgangstaplern oder Elektroschleppern genutzt werden. Die neuen Systeme – erkennbar am jetzt schwarz-roten Design – wurden 2013 auf der Fachmesse Logimat in Stuttgart der Öffentlichkeit erstmals vorgestellt. Sie bestechen durch maximale Energieeffizienz, maximale Batterielebensdauer und maximale Sicherheit und werden die Ladesystem-Landschaft dank des neuen Ri-Ladeprozesses von Fronius verändern.

Beim Aufladen und Entladen von Batterien wird durch den inneren Widerstand der Zellen (Ri) Wärme freigesetzt, wodurch ein Teil der zum Aufladen aufgewandten Energie verloren geht. Das Verhältnis der entnehmbaren zu der beim Laden aufzuwendenden Energie wird als Ladewirkungsgrad bezeichnet. Mit anderen Worten: je geringer die Ladeverluste sind, desto höher ist der Ladewirkungsgrad. Genau hier setzten die Fronius-Spezialisten an.

Sie bemängelten, dass die Ladeverluste durch vorgefertigte Ladekennlinien entstehen, bei denen die Batterie zu Beginn des Ladens mit einem vorgegebenen, unter Umständen zu hohen Ladestrom beaufschlagt wird, ohne auf den Ladezustand der Batterie einzugehen. Um dies zu ändern, schufen die Österreicher den Ri-Ladeprozess mit individueller Kennlinie.

Batterie-spezifischer Innenwiderstand bestimmt Ladespannung

Der Innenwiderstand der Batterie „Ri“ ist ein batterie-spezifischer Wert, der sich während des Ladens und Entladens durch die sich ändernde Säurekonzentration und parasitäre Effekte wie Diffusionsprozesse, Polarisationsüberspannung oder der Umwandlung von Bleisulfat in Bleioxid verändert. Das Besondere dieser einmaligen Ri-Kennlinie ist, dass durch die Messung des Innenwiderstands die Ladespannung bestimmt wird. Diese sorgt dafür, dass sich der Ladestrom von selbst dem Verlauf der Innenwiderstands-Kurve der Batterie anpasst. Das bedeutet: Ist der Innenwiderstand 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, denn die Batterie ist nun vollgeladen, und deshalb nimmt die Stromaufnahmefähigkeit ab. Das bedeutet, dass jeder Ladezyklus pro Batterie ein Einzelfall mit individueller Kennlinie ist.

Batterieinformationen zum richtigen Laden nutzen

Damit das Ladegerät den Anfangswert und den weiteren Verlauf der Ladespannung vorgeben kann, wird der aktuelle Zustand der Batterie fortwährend ermittelt. Dabei wird geprüft, um welche Batterie es sich handelt, ob die Batterie alt oder neu ist, wie hoch die Temperatur der Batterie ist und wie weit sie entladen ist. Anhand dieser Informationen aus der Batterie passt die Ladegerätesoftware die einzelnen Ladephasen an, indem der Spannungsverlauf kontinuierlich gehalten und der Ladestrom entsprechend der Innenwiderstands-Kurve nachgeregelt wird.

Es handelt sich also bei dem Ri-Ladeprozess von Fronius um einen sich selbst regelnden Vorgang. Die Ladeverluste bei Ladebeginn schrumpfen durch den geringen Strombedarf auf ein Minimum. Die Folgen: Es wird Energie gespart und die Batterie erwärmt sich nur unwesentlich. Gegen Ladeende findet durch den Stromabfall kaum noch Überladung statt.

Dank der individuellen Ri-Ladekennlinie erreichen die neu entwickelten „Selectiva“-Geräte einen Ladewirkungsgrad, der bislang nicht vorstellbar war: stolze 90 %. Zusammen mit dem Gerätewirkungsgrad, den Fronius mit wirtschaftlich vertretbaren Mitteln auf 93 gebracht hat, ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad von 84 – ein bisher unerreichter Wert.

Besonders energieeffizient ist außerdem die Tatsache, dass man nur noch die Batteriespannung und die Ladezeit einstellen muss, denn viele Batterien, die an das Ladegerät angeschlossen werden, sind in der Praxis oft nur teilweise entladen. Durch die Vorgabe einer Ladezeit aber lässt sich das Laden zeitlich dehnen. So wird die Batterie durch die niedrigere Energiezufuhr und der damit verbundenen geringeren Erwärmung besonders schonend geladen. Bei Betrieben mit schwankender Auslastung der Flurförderzeuge werden dadurch schädliche Überladungen verhindert und die wertvollen Batterien nicht geschädigt. Zudem werden Spitzenströme vermieden, wenn am Ende einer Schicht mit dem Laden mehrerer Flurförderzeug-Batterien gleichzeitig begonnen wird. Spitzenströme aber treiben die Kosten nach oben.

Verbesserungen bei Sicherheit und Benutzerfreundlichkeit

Das Erreichen der maximalen Lebensdauer von Batterien ist nur ein Merkmal, das eindeutig für die neue Gerätegeneration mit Ri-Kennlinie von Fronius spricht. So gibt es noch eine Vielzahl von Produktverbesserungen gegenüber den Vorgängergeräten, wodurch die Zahl der starken Eigenschaften der bisherigen Baureihe „Selectiva“ weiter erhöht wurde.

Einige Stichworte: Die größte Variante (80 V mit 180 A) wiegt jetzt nur noch 30 statt 40 kg und weist kleinere Abmessungen auf. Ferner wurde das Lüftungskonzept überarbeitet. Das verringert die Verschmutzungen im Batterieladegerät weiter. Bei den Fronius-Entwicklern lag der Fokus auch auf entscheidenden Verbesserungen bei der Sicherheit, bei der Benutzerfreundlichkeit, beim Service und bei der Systemüberwachung.

* Weitere Informationen bei der Fronius International GmbH in A-4600 Wels (Österreich), Tel. (00 43-6 64) 6 02 41 64 36, ringwald.boris@fronius.com

(ID:42225267)