Vragen en antwoorden / Batterijen

Batterijen of accu's. Wat is het verschil? Hoe lang zijn er al batterijen? Welke soorten batterijen zijn er? Welke soorten lood-zuur batterijen zijn er? Hoe lang gaat een batterij mee? Als ik een batterij niet oplaad en niet aangesloten heb loopt hij toch leeg. Hoe komt dat? Wat wordt met Ah waarde precies bedoeld? Hoe weet ik hoeveel er nog in mijn batterij zit? Meer capaciteit en een hogere spanning. Hoe schakel ik de batterijen? Hoeveel batterijen heb ik nodig? Wat is nu precies geheugenwerking van batterijen? Batterijen of accu's. Wat is het verschil? Er is in feite helemaal geen verschil. De officiële technische term is batterij. In de automobielindustrie wordt echter nog gesproken over een accu. Dit is een afkorting van het woord accumulator dat vrij vertaald opslagmedium betekent.   Hoe lang zijn er al batterijen? Geschiedenis. Elektrische tractie, het aandrijven van een voertuig door middel van galvanische cellen werd voor het eerst door Robert Davidson gedemonstreerd in Aberdeen, Schotland in 1837. Een galvanische cel ontstaat als twee verschillende metalen elektroden in een geleidend bad worden gehangen. Door de natuurlijke verschillen in elektrische potentiaal tussen de metalen zal, indien de stroomkring gesloten wordt, een stroom gaan lopen. Dit principe is op een wel heel aardige manier te demonstreren met behulp van een eenvoudige universeelmeter op de laagste stand gelijkspanning en een familielid met amalgaam vullingen in zijn of haar gebit als proefkonijn. Houdt één meetpen op de vulling en de andere op de tong in de buurt van de vulling en zie..... de meter slaat uit. Leuk voor verjaardagen! De meetpen en de vulling dienen als elektroden van de galvanische cel. De eerste cellen maakten veelal gebruik van koper en zink als elektroden, en worden naar de uitvinder "Daniell cellen" genoemd. Galvanische cellen hebben een veel te lage energie inhoud en zijn dus niet geschikt als modern opslagmedium voor elektrische energie. Op 26 mei 1860 introduceerde Gaston Planté zijn loodaccumulator aan de Franse academie van wetenschappen. Zijn batterij maakte gebruik van lood en loodoxide als elektroden en zwavelzuur als elektrolyt. De lood-zuur batterij zoals wij die veelvuldig toepassen was geboren. Toch duurde het nog zeker 20 jaar voordat de techniek zo verbeterd was, dat een bruikbare accu geproduceerd kon worden. In 1911 vond Charles Kettering de elektrische startmotor uit. De eerste auto's hadden een startmotor van 6 Volt en een accu met geringe capaciteit. Halverwege de vorige eeuw werden vooral in Noord Amerika de automotoren steeds groter en werden de auto's van hoe langer hoe meer elektrische accessoires voorzien. De 6 Volt installatie was niet meer toerijkend, waarna besloten werd op 12 Volt over te gaan. 12 Volt loodaccu's worden in enorme aantallen over de hele wereld gefabriceerd en zijn daarom ook goedkoop.   Welke soorten batterijen zijn er? Vrij snel na de uitvinding van de lood-zuur batterij werden nikkel-ijzer en nikkel-cadmium batterij uitgevonden. Deze batterijen hebben een lagere spanning per cel en een lagere energie inhoud dan de lood-zuur batterij, maar hebben het voordeel dat ze pas na lange tijd zonder lading hun capaciteit verliezen. Nikkel-cadmium batterijen zijn uit milieu overwegingen verdwenen. Soms zie je er nog die uit oude telefooncentrales zijn gekomen en daar als noodvoorziening dienden. Nikkel-ijzer en nikkel-cadmium zijn voor aandrijving van voertuigen te groot, te zwaar en veel te duur. Met de toenemende belangstelling voor elektrisch aangedreven voertuigen, is de vraag naar batterijen met een hoge energie dichtheid (vermogen per kg gewicht) sterk toegenomen. Het gevolg is dat de laatste decennia een hele reeks van nieuwe batterijsystemen zijn ontwikkeld, waarvan de meeste zo ingewikkeld zijn, dat ze wellicht nooit op commerciële basis geproduceerd zullen worden. Een technologie die hier zeker een uitzondering op maakt is de lithium ionen batterij. Deze batterijen hebben bij gelijk gewicht, een tot 5 maal grotere capaciteit dan lood-zuur batterijen en worden momenteel massaal toegepast in mobiele telefoons en notebook computers. Lithium ionen batterijen voor aandrijftechniek van voertuigen worden nu nog in heel kleine hoeveelheden geproduceerd en zijn daardoor nog extreem duur. Naast de hierboven beschreven lithium ionen batterijen zijn ook nikkel metaal hydride batterijen in opkomst. Ze worden net als de hierboven omschreven lithium ionen batterijen ook in draagbare computers, GSM telefoons en allerlei andere batterij gevoede apparaten gebruikt. De automobielindustrie heeft de laatste jaren veel geld geïnvesteerd in deze technologie toegepast in elektrische en hybride auto's. Zeer recentelijk is echter duidelijk geworden dat de resultaten hierbij zodanig tegenvallen dat een aantal grote autofabrikanten het project hebben gestopt en weer verder gaan met lood-zuur batterijen Voor de meeste toepassingen zijn lood-zuur batterijen momenteel de technisch en economisch gezien meest verstandige keuze. Bij een lood-zuur batterij bestaat de positieve elektrode uit loodoxide of sulfide, en de negatieve elektrode uit lood. De platen loodoxide en lood worden van elkaar gescheiden door separatoren. Als elektrolyt wordt zwavelzuur gebruikt. Ten opzichte van de andere technologieën hebben lood-zuur batterijen de volgende voordelen: - De hoogste celspanning - Inzetbaar bij lage en hoge stromen - Groot temperatuurbereik - Rendement beter dan 80% Ze zijn echter letterlijk lood zwaar en is de energie-inhoud per Kg gewicht laag. De opbouw van een lood-zuur batterij hangt af van de toepassing. Een startaccu moet een korte tijd een heel hoge stroom kunnen leveren. Hiervoor is deze accu uitgevoerd met veel dunne platen met een relatief groot oppervlak. Hierdoor kan het elektrochemische proces op veel plaatsen tegelijkertijd plaatsvinden en er dus een hogere stroom lopen. Batterijen voor verlichting en voor lichte tractie moeten en lagere stroom heel lang kunnen produceren. Hiervoor hebben ze minder platen nodig dan startaccu's maar de platen zijn wel dikker.   Welke soorten lood-zuur batterijen zijn er? De uitdrukking "we koken ten slotte allemaal gewoon met water", is in batterijland nog niet zo doorgedrongen. Vaak worden heel nieuwe termen bedacht door marketing specialisten die alleen worden ingehuurd als ze kunnen aantonen al meerdere generaties volkomen atechnisch te zijn. Het resultaat is dat het lijkt alsof een geheel nieuwe, baanbrekende technologie wordt gepresenteerd, terwijl het toch gewoon gaat om een bekend stuk elementaire batterijtechniek. Er bestaan een aantal productie technieken en principes waar alle fabrikanten het mee moeten doen. De betere fabrikanten gebruiken nauwkeuriger productietechnieken en zuivere grondstoffen. De meest eenvoudige indeling van de verschillende soorten lood-zuur batterijen is de volgende: De natte batterij. Bij deze batterij is het elektrolyt vloeibaar. Het kan het er uitlopen als bij een ongeluk de accu scheurt. De droge batterij. Bij de droge batterij is het elektrolyt ofwel gelvormig ofwel in heel dunne glasbuisjes gevangen. Als deze batterij openbarst, zal er geen vloeistof uitlopen. Binnen deze globale indeling kennen we nog een aantal specifieke types. Deze zijn: De startaccu. Nagenoeg altijd in natte technologe, wat te herkennen is aan de dopjes voor het bijvullen van het gedemineraliseerd water. De deep cycle batterij. Deze batterij kan dieper ontladen worden dan een standaard batterij. Ook hierbij geldt echter dat een diepe ontlading de levensduur niet ten goede komt. Deep cycle batterijen worden hoe langer hoe meer toegepast. We onderscheiden de volgende typen: Natte Lood zuur: - Natte deep cycle / Traktie batterijen Onderhoudsarm - Lood antimoon / Calsium/ calsium batterijen Onderhoudsvrij - AGM Droge deep cycle batterijen - Gel We gaan op alle vier soorten nader in. Natte Loodzuur. Deze Batterijen zijn er in twee soorten Traktie en Semie Traktie, en zijn zogenaamde open batterijen tijdens het laden ontstaat gasvorming dat explosie gevaarlijk kan zijn. Tevens kan het gas materialen in de directe omgeving fors doen corroderen. Batterijen dienen daarom in een separate gevenileerde ruimte te worden geplaatst. Voordeel van dit type batterij is de lange levensduur ca 1500 cycles bij zelfs 80% ontlading is haalbaar met dit type batterij. Nadeel is dat batterijen regelmatig dienen te worden gecontroleerd en met gedestileerd water dienen te worden bijgevuld. Tevens is er altijd kans op lekkage van zuur aanwezig en daarom zeker geen optie voor bijvoorbeeld zeilboten.   Onderhoudsarme batterij. Over het algemeen worden lood/antimoon en calcium/calcium platen gebruikt. Deze batterijen zijn geheel gesloten en worden niet bijgevuld. Het verlies aan water is 250% lager dan de Natte loodzuur batterij, hij gaat 40% langer mee dan een Semie Tractie batterij en de zelfontlading is de helft. Wel moeten we bij de calcium/calcium batterij voor het laden een speciale lader gebruiken die is voorzien van een temperatuursensor en een zeer hoge laadspanning kan afgeven. Als een calcium/calcium batterij eenmaal volledig leeg is geweest is hij niet meer te gebruiken! AGM batterij. De naam van dit type accu is de afkorting van Absorptive Glass Microfibre. Tussen de platen van de accu zijn lagen glasmat aangebracht waarbij het elektrolyt als het ware gevangen zit in heel dunne glazen buisjes. De zuurstof die wordt gevormd bij het uitgassen wordt in de batterij aan de negatieve pool teruggevormd in water. Deze batterijen kunnen heel hoge stromen verdragen, zijn lichter en hebben een lange levensduur. Ze kunnen niet zo goed tegen hogere temperaturen ( 45oC), moeten met een speciale laadcurve in minimaal 5 uur geladen worden en zijn relatief kostbaar. Gel batterij Bij de gel batterij is het elektrolyt geleiachtig van substantie. Ook hier wordt de gevormde zuurstof teruggevormd in water en moet de accu nooit bijgevuld te worden. De eigenschappen van de gel batterij komen sterk overeen met de AGM batterij. Opmerking. Zowel de calcium/calcium, de AGM als de gel batterij worden ook wel V.R.L.A. accu's genoemd. V.R.G is de afkorting voor "Valve Regulated Lead Acide". Deze naam geeft aan dat de batterijen voorzien zijn van een ventiel. Dit is voor de veiligheid, zodat bij een te hoog opgelopen druk in de accu gas kan ontsnappen. AGM en GEL batterijen zijn uitermate geschikt voor tractie toepassingen. Ze hebben een lange levensduur, zijn kleiner, kunnen in elke stand gemonteerd worden, kunnen niet lekken maar zijn relatief duur.   Hoe lang gaat een batterij mee? De fabrikanten spreken van het einde van de levensduur als de capaciteit van de accu is teruggelopen tot 80% van de capaciteit in nieuwstaat. Vele factoren spelen een rol bij de levensduur van een batterij. We noemen de meest belangrijke: Ontlading. Een zeer grote invloed heeft de mate waarin de batterij wordt ontladen. Hieronder volgt een tabel van een willekeurige semi tractie batterij die dit effect duidelijk weergeeft. Ontlading in % van capaciteit Levensduur in aantal ontladingen 100% 350 80% 500 60% 800 40% 1400 20% 2500 De tabel laat duidelijk zien dat we de levensduur van een accu sterk kunnen verbeteren door ervoor te zorgen niet te diep te ontladen. Voor de berekening van de benodigde capaciteit voor de toepassing moet hiermee rekening gehouden worden. Zuiverheid van de gebruikte metalen. Een extreem zuiver metaal is duurder dan een metaal met lichte verontreinigingen. Fabrikanten van goedkope batterijen zijn eerder bereid hier wat concessies te doen dan de gerenommeerde merken, althans dat hopen we. Temperatuur. Lood-zuur batterijen verliezen bij lage temperatuur een deel van hun capaciteit. Dit hebben we allemaal wel eens ervaren toen onze auto op een zeer ongelegen moment, en natuurlijk in de winter, niet meer wilde starten. Hoge temperaturen van boven de 50 0C zijn nadelig voor de levensduur van de batterij. Laadcyclus. Natte lood-zuur batterijen, calcium/calcium batterijen, AGM of Gel, allemaal moeten ze met een andere karakteristiek geladen worden om een optimale levensduur te garanderen. Heel vaak worden laders gebruikt met meerdere uitgangen. Deze laders hebben slechts één besturingscircuit en twee uitgangsdiodes. Als met deze lader twee verschillende soorten batterijen geladen worden zal de besturing niet weten welke batterij stroom vraagt. Het resultaat is dat één van de batterijen na een korte tijd op is of aanzienlijk vermindert in capaciteit. Zie voor dit onderwerp ook het hoofdstuk laders. Conclusie. De levensduur van een batterij wordt opgegeven als het aantal ontladingen. De mate waarin de batterij is ontladen en de kwaliteit en instellingen van de lader hebben een heel grote invloed op de levensduur. Afhankelijk van het soort batterij en de kwaliteit zal de levensduur liggen tussen 200 en 1000 ontladingen. De verliezer in deze wedstrijd is de goedkope startaccu. De absolute winnaar de Tractiebatterij. Nemen we echter ook onderhoud en de flexibiliteit van plaatsen van batterijen mee dan Is AGM Deep cycle het optimal alternatief !   Als ik een batterij niet oplaad en niet aangesloten heb loopt hij toch leeg. Hoe komt dat? Zelfontlading van batterijen We hebben het allemaal wel eens meegemaakt. De auto, motorfiets, of ander van een startmotor voorzien apparaat heft een tijd stil gestaan en prompt is de accu dood. Dit probleem wordt veroorzaakt door zelfontlading. Normaal ontlaadt een batterij zich doordat er extern een gesloten stroomkring op wordt aangesloten. Zelfontlading vindt plaats zonder externe stroomkring en wordt veroorzaakt doordat loodoxide in de nabijheid van zwavelzuur langzaam uiteenvalt. De snelheid van zelfontlading hangt af van de zuurconcentratie, de temperatuur en het ontwerp van de batterij. Als vuistregel kunnen we stellen dat een natte lood-zuur batterij 1% capaciteit verliest per dag. De enige manier om dit probleem tegen te gaan is gebruik te maken van een druppellader die de batterij constant op volle lading houdt.   Wat wordt met Ah waarde bedoeld? De capaciteit van een batterij wordt opgegeven in Ah. Dit is de stroom vermenigvuldigd met de tijd waarin de accu deze stroom kan leveren. Voor start accu's wordt deze waarde opgegeven bij 20 uur ontlading. Een 80 Ah accu kan dus 4 A stroom gedurende 20 uur leveren voordat hij weer opgeladen dient te worden. Bij tractie en semi-tractie batterijen is deze waarde gebaseerd op 5 uur ontlading. Dit laatste maakt aardig wat verschil uit zoals we hieronder zullen verklaren. De capaciteit van een batterij is geen constante waarde maar hangt af van een groot aantal factoren. We noemen de belangrijkste: Ontlaadstroom in A Capaciteit in Ah 10 130 20 100 30 86 40 77 50 71 60 66 70 56 80 54 Ontlaadstroom. Bij een hogere stroom neemt de capaciteit van een batterij af. De volgende tabel geeft een indruk van de capaciteit van een 100 Ah ( 5 uur waarde) semi-tractie batterij. De batterij van dit voorbeeld heeft bij 20 A ontlaadstroom een capaciteit van 100Ah. Zouden we deze capaciteit opgeven bij een ontlading met 10 A, dan is de capaciteit ineens veel hoger. Volgens de tabel 130 Ah. Ontladen we deze batterij met 100A dan is de capaciteit nog maar 54 Ah. Bij de aanschaf van batterijen moeten we er dus goed op letten bij welk ontlaadtijd de capaciteit (Ah waarde) is opgegeven; 5 uur of 20 uur. De batterij met 100 Ah capaciteit bij 20 uur is aanmerkelijk kleiner en terecht voordeliger dan een batterij met dezelfde capaciteit bij 5 uur. Vorm van de ontlaadstroom. Als de stroom niet constant is maar pulserend heeft dit een nadelige invloed op de capaciteit van de batterij. Onderhoud. Bij natte lood-zuur batterijen zal er bij het laden water verdwijnen. Wordt dit niet bijgevuld, dan zal een deel van de platen boven het niveau van het elektrolyt uitsteken waardoor de capaciteit vermindert. Leeftijd. Met het aantal laad- en ontlaad cycli, loopt de capaciteit terug. De fabrikanten beschouwen een batterij aan het einde van zijn leven als de capaciteit tot 80% is teruggelopen. Temperatuur. De capaciteit van een batterij is afhankelijk van de temperatuur. Hoe hoger de temperatuur, des te hoger de capaciteit. Bij lagere temperatuur loopt de capaciteit terug. Als onze accu in de auto wat ouder is en ons in de winter plotseling laat staan weten we nu ten minste waarom.   Hoe weet ik hoeveel er nog in mijn batterij zit? Wat zou het prettig zijn, om een metertje te hebben dat de restcapaciteit van de accu exact aangeeft. Ik denk hierbij aan de vervanger van de tankmeter in de brandstoftank. Zelf heb ik de onaangename gewoonte mijn auto zover leeg te rijden dat de meter echt op leeg staat en de elektronica me al een aantal malen nerveus heeft gewaarschuwd dat het nu toch wel tijd wordt om te gaan tanken. In mijn auto wordt mij zelfs verteld hoever ik nog kan gaan. Dit systeem is verbazingwekkend exact. Bij batterijen is dit heel wat moeilijker. De capaciteit is niet constant en afhankelijk van heel wat factoren. Er zijn heel wat batterij capaciteitmeters te koop. De meest eenvoudige typen meten de accuspanning en geven dit aan met een aantal gekleurde LED's. Dit is de minst nauwkeurige methode, temeer omdat de spanning ook afhankelijk is van de stroomsterkte. Veel betere, maar ook veel duurdere systemen, zijn voorzien van een microprocessor die het aantal Ah laadstroom en ontlaadstroom berekent en de restwaarde aangeeft. De meest geavanceerde apparaten berekenen tevens de invloed van de stroomsterkte, de temperatuur en de veroudering op de capaciteit. Het resultaat is redelijk nauwkeurig. Heel prettig zij de capaciteitsmeters die de resterende tijd bij het huidige verbruik aangeven. Besluit men een serieuze capaciteitsmeter aan te schaffen dan dient dit instrument aan de volgende voorwaarden te voldoen: - Duidelijke uitlezing - Eenvoudig te programmeren - Rekening houden met de laadstroom ( Peukert formule) - Rekening houden met de veroudering van de accu's - Uitlezing van de resterende tijd bij huidig verbruik. - Uitlezing van de resterende laadtijd tot vol.   Meer capaciteit en een hogere spanning. Hoe schakel ik de batterijen? Alle lood-zuur batterijen zijn opgebouwd uit cellen met een spanning van 2 volt. De meeste batterijen worden geleverd in 6 of 12 volt. In deze batterijen zijn dus 3 of 6 cellen in serie geschakeld. Als een van de cellen van een batterij een veel lagere capaciteit heeft dan de anderen zal de totale capaciteit tot deze laagste waarde gereduceerd zijn. Als we batterijen met een verschillende capaciteit in serie schakelen zal de totale capaciteit die van de kleinste batterij zijn. Het is dus van belang om batterijen van dezelfde capaciteit en van hetzelfde fabrikaat in serie te schakelen. Ook bij normaal bedrijf zullen de in serie geschakelde gelijke cellen in capaciteit gaan verschillen. Om de capaciteit van alle cellen weer gelijk te krijgen kan gedurende een korte tijd een verhoogde laadspanning ( 15,1 tot 15,8 Volt) worden aangelegd. Als deze laadtoestand te lang duurt of de spanning te hoog is zal de batterij beschadigd raken. Het is dan ook niet aan te bevelen hiermee te experimenteren. Dit zogenaamde egaliseren is vooral bij VRLA batterijen met hogere spanningen van zeer groot belang. Willen we de capaciteit het systeem verhogen, dan moeten meerdere batterijen parallel geschakeld worden. Voorbeeld. We gaan uit van batterijen met een capaciteit van 100Ah, en een spanning van 12 Volt. Het systeem werkt met 24 Volt Om de gewenste capaciteit te halen hebben we 200 Ah nodig. De schakeling wordt als volgt. Hoeveel batterijen heb ik nodig? Deze heel vaak gestelde vraag is niet zo eenvoudig te beantwoorden. Uit vorige vragen en antwoorden weten we dat de capaciteit van een batterij niet constant is maar afneemt bij een hogere stroom. De heer Peukert heeft in 1897 en formule ontwikkeld, die het verband tussen capaciteit van een lood-zuur batterij en de ontlaadstroom redelijk benadert. De formule van Peukert houdt geen rekening met de temperatuur en de soort ontlading. (gelijkmatig of pulserend) Als een exacte berekening verlangd wordt, dienen de ontlaad/capaciteit curven van de toegepaste batterij bekend te zijn Uitgaande van pessimistische gegevens heb ik voor verschillende stroomsterktes de tijd berekend. Voor de tabellen gaan we uit van semi tractie batterijen waarvan de capaciteit bij 5 uur ontlading is gedefinieerd. In de tabel is duidelijk te zien welke enorme invloed de stroom op de capaciteit heeft.   Wat is nu precies geheugenwerking van batterijen? Heel vaak wordt gesproken over het geheugen effect van batterijen. Als een batterij een aantal malen tot hetzelfde niveau ontladen is, wordt de capaciteit automatisch tot dit punt gereduceerd. Je hoort dan ook wel eens zeggen dat je de ontlading zo veel mogelijk moet variëren. Deze verhalen komen uit de beginperiode van nikkelcadmium batterijen, waarbij dit fenomeen optrad. Lood-zuur batterijen kennen dit verschijnsel absoluut niet.