Die Akkueigenheiten T.3

E-Bike, Pedelec, Elektrofahrrad
Antworten
doran

Die Akkueigenheiten T.3

Beitrag von doran »

Batterie heißt eigentlich nur Vielzahl von gleichen Teilen u Dingen, in der E.-Technik meint man damit eine Vielzahl von galvanischen Zellen - in Reihe geschaltet.
Bei der Artellerie versteht man darunter mindestens 3 Geschütze gleicher Bauart u Kaliber. Die Batterie ( Primärelement als auch galvanisches Element) ist nicht ladbar. Sie verbraucht sich bis zu ihrer inneren Zerstörung. Die älteste u einfachste "Batterie" ist die Zink-Kohle Batterie. Ihr Minuspol besteht aus Zink, ihr Pluspol aus Kohle (Graphit) dazwischen ein Elektrolyt, eine Lösung von Salmiaksalz ( Ammonium-Chlorid ) 100gr. Salz auf 1Liter destilliertes Wasser. Dabei entstehen + 0,74Volt - Kohle gegen Wasserstoff u - 0,76Volt - Zink gegen Wasserstoff. Zwischen Kohle u Zink ca.1,5 Volt, die klassische " Taschenlampen-Batterie" . Um Wasserstoffgasbläschen (Depolarisation) zu verhindern, gibt man "Braunstein" ( Mn - O2 ) hinzu. Die Metallelektrode wird negativ (Elektronenüberschuß) im Umkehrschluß wird der Elektrolyt positiv mit " Rumpf-Atomen", gleich Ionenüberschuß. Die Elektronen fließen über den äußeren Stromkreis (z.B. Birnchen / Motor .) Die Ionen über den inneren Stromkreis des Elementes. Dabei wird das Zink mehr u mehr verbraucht, ( zerfressen) Mit verminderter Zink-Restfläche sinkt die verfügbare Elektronenmenge - die Spannung sinkt, das Birnchen brennt dunkler, der Elektrolyt zerfrisst schlußendlich die Umhüllung. ( wenn nicht auslaufsicher) Da der Zinkbecher zerfressen wird, ist ein weiteres Verwenden ausgeschlossen. ( Mülleimer ) Bei anderen "Primärelementen" ( Batterien) laufen die Prozesse vergleichbar ab, - mit anderen Stoffen.

Bei den Akkus haben wir andere Verhältnisse. Hier wird wechselnd Energie hineingesteckt u entnommen. Die zugeführte Energie wandelt einen Stoff um in einen Anderen mit höherer potentieller Energie. Heißt: es muß "Bindungsenergie" zugeführt werden. Strom x Spannug x Zeit gleich zugeführte Bindungsenergie, abzüglich ca. 40 % Wirkungsgrad . Deshalb muß der Standard - Akku mit 10% Ladestrom nicht 10 h sondern etwa 14 h geladen werden. Der "entstandene" chemische Stoff ist nicht stabil - wenn er kann, kippt er in einen niederenergetischeren Zustand (Stoff ) zurück, man spricht von innerer Entladung ohne äußeren Verbraucher. Mit angeschlossenenem äußeren Verbraucher (Motor) fließt massiv Strom. Analog dazu wandelt sich im Innern der Stoff zum niederenergetischen Ausgangsstoff zurück .
Die dabei auftretenden Defekte (Großmolekülbildung) bewirken ein stetiges Abnehmen der elektrochemisch wandelbaren Molekülemenge. Die Kapazität nimmt ab - der Akku altert. Bei Pedelec-Akkus bemerkt man das schleichend nach gut 2 Jahren , dann haben die Akkus ca. 10 - 15 % ihrer Anfangskapazität eingebüßt. Der Alterungspropzeß ist nicht gleichmäßig, er beschleunigt sich mit zunehmendem Alter. Die Hersteller sind bemüht dies zu verbessern. ( das frühe Altern ärgert jeden Pedelecbesitzer sobald er es bemerkt - bedeuted es im Endeffekt daß er nach gut 5...6 Jahren einen oder 2-Akkus austauschen muß , voraussichtlich mit dazugehörigem Ladegerät - oder die Reichweite schmilzt dahin. Billig wird das nicht!
Die Ionen fließen innen , die Elektronen außen ( wie bei der "Batterie") Dies findet solange statt, bis der gesamte Stoff in den niederenergetischen Stoff zurückgewandelt ist. Der Akku ist bis zur Tiefentladungsgrenze entladen. Wir erhalten ein homogenes Molekülfeld . Wird nun geladen bis der gesamte Stoff wieder zurückgewandelt ist, so
erhalten wir wieder ein homogenes Molekülfeld. ( Ladeschlußspannung der Idealzustand) Wird nicht bis zur "Grenze" ent/geladen so bleiben Restmoleküle des vorherigen Zustandes übrig. Sie bilden mit der Zeit Makromoleküe, lösen sich nicht mehr auf - stehen für den Energiewechsel nicht mehr zur Verfügung - die Kapazität sinkt, man spricht vom Memoryeffekt. Prinzipiell entsteht er immer - die Entwickler versuchen ( mit Erfolg) ihn zu minimieren. Die Werbung tönt "kein Memoryeffekt" . Er wird nie gegen Null gehen, nur idealerweise so gering daß er bedingt als vernachlässigbar gelten kann.
Da der Ladungsträger-Austausch vorwiegend über die Fläche abläuft , sind Großmolekulare-Kristallstrukturen gefürchtet. Beim Bleiakku setzt kristalline Sulfatbildung ein . Im Umgangsdeutsch spricht man von "Sulfatierung" . Dies entsteht bei Dauerladungen mit geringem Strom u langen Standzeiten, ebenso bei der Motorradbatterie während der Winterpause. Mit sogenannten "Refreschern" (Fitmacher) kann man diesem Übel teilweise beikommen. Begrenzt bilden sich Kristalle zurück - Neubildung wird fast vermieden. Diese Refrescher pulsen z.B. einen Last-Strom von 90 A für ca. 5 ms. ( 5/1000 sec.) im Abstand von ca. 30 sec. je nach Bauart. Das hält den Akku frisch. Für Pdelec-Akkus gibt es das noch nicht - kann sich aber morgen ändern.
Den Ablauf beim Laden u Entladen eines Bleiakkus kann man so darstellen. ( wer mal Chemie gehabt hat, - hat's leichter )
.
Blei Bleioxid Bleisulfat

Pb + 2.H2SO4 + PbO2 nach PbSO4 + 2.H2O + PbSO4

neg.Elektrode Schwefelsäure pos. Elektrode neg.Elektrode Wasser pos. Elektrode

Beim Laden wandelt sich der "Stoff" von rechts nach links ( Energiezufuhr)
" Entladen " " " " " links " rechts ( Energieabgabe)

Dieser "Wandel" ( Vollzyklen) kann bei Blei u Ni.Cd bis zu 1000 x stattfinden. ( Bleigelakkus 150-200 x) Nimh -Akkus u Lithium-Ionen zur Zeit 500 - 600 Zyklen mit steigender Tendenz. Moderne Eisen/Phosphat-Polymerakkus schaffen bis zu 2000 Zyklen, haben aber etwas weniger Kapazität pro Gewichtseinheit, als Lithium - Mangan- Polymere. Eine Lebensdauer unter 1000-Vollzyklen gilt als unbefriedigend - das wissen auch die Hersteller - sie fürchten Verdrossenheit der Kunden bei mangelhafter Lebensdauer. Wie man oben ersehen kann, ist die Masse des elektrochemisch wandelbaren Stoffes proportional der Kapazität des Akku's . Will man feiner differenzieren, muß man zuerst die verfügbare Oberfläche in Betracht ziehen, sie korreliert ( abhängig ) mit der Masse. Heißt: 2 massengleiche Akkus unterschiedlicher Oberflächen haben unterschiedliche Kapazitäten u Hochstromwerte.
Dies rührt daher daß der Strom sowohl aus dem Volumen generiert wird , im größeren Maße aber von der verfügbaren Oberfläche. Das erkärt warum man bei Fahrakkus
mehr u mehr auf elektrolytbeschichtete Folien setzte - zur Zeit auf doppelt beschichtete , damit steigt die elektrisch verwendbare Fläche u das Gewicht pro speicherbarer
Wattstunde ( Wh.) sinkt. Je größer die gespeicherte Energie / kg Gewicht, desto kritischer wird die Wärmeabfuhr beim Laden - etwas weniger auch beim Entladen. Es
fehlt Fläche zum "Abstrahlen" der Wärme. Überhitzt der Akku, entstehen thermisch bedingte Verformungen an den Folien mit der Folge von irreparabelen Schäden. Die Grenzen werden kontinuierlich nach mehr Kapazität verschoben. - ( Fortschritt) Bei Fahrakkus kommen mehr u mehr integrierte Über/Unterspannungs - Schutzschaltungen zum Einsatz. Mal sind sie in den Akku integriert, mal separat ausgeführt - brauchen später nicht mitgetauscht werden.
Wer auf der sicheren Seite sein will, ist damit gut bedient. Wer ausreizen will, kann die Grenze ein wenig nach außen verschieben ohne Schutzschaltung. So schalten
die meisten Unterspannungsschutzabschaltungen bei 18 -20 V ( 24 V-Akku) ab. Über die Schutzschaltungen, ihr für u wider lohnt sich ein besonderer Beitrag.
Die Akkus stellen das "schwächste Glied in der Kette" - rund ums Pedelec dar. Folgerichtig ist der Wandel hier am größten. Hat man aber die "Grundlagen" verstanden,
kann man dem Wandel folgen. Das Umsatzvolumen für Akkus betrug 2008 - weltweit ca. 6-Milliarden € mit steigender Tendenz, da bleibt genug für Entwicklung übrig.
Da Laptop u Fahrakkus parallele Eigenschaften besitzen, konnten die Pedelecakkuhersteller vom Entwicklungspotential der Laptopakkuhersteller profitieren. Die Firmen
hoffen auf die Verwendung im E.- Auto, mit folglich gigantischen Umsätzen, deshalb wird weltweit mit Hochdruck geforscht. Die Pedelecs in ihrem Kielwasser werden davon profitieren. Fahrakkus im Zweirad müssen lageunabhängig u auslaufsicher sein. Deshalb dickt man die Elektrolyte mit elektrisch neutralen Quellstoffen ein u
bringt sie auf Folien. ( Polymere) Neuere doppelbeschichtete Polymere erreichen heute Speicherwerte von 160 Wh./kg. Akkugewicht - ohne Gehäuse. Ein 12V - 17/Ah Bleigelakku wiegt 5,7kg. gleich 204Wh. das entspricht 35 Wh./kg. Gewicht. Heißt: Ein Fahrakku Li-Mn-Polymere von 480 Wh. wiegt 3 kg., in Bleigelausführung wiegt
er 13,7 kg. Trotzdem werden auch heute noch Bleigelakkus für Zweiräder verkauft, weil sie billiger sind. Preisverhältnis. Li / Blei = 4 / 1

Wer bis hier gelesen hat, wird auch moderne hochgezüchtete Fahrakkus besser einschätzen können. Die einzelnen Materialien werden sich ändern - das Prinzip aber bleibt ! Danke für die Ausdauer beim Lesen ... Gruß Doran
Benutzeravatar
Sporti
Site Admin
Beiträge: 4787
Registriert: Dienstag 14. Oktober 2008, 23:30
Wohnort: 42477 Radevormwald
Kontaktdaten:

Re: Die Akkueigenheiten T.3

Beitrag von Sporti »

Hallo Doran,
es soll doch so spezielle Ladegeräte geben, die die Accus wieder frisch machen können, angeblich sogar welche, die normalerweise völlig hinüber sind.

Leere Versprechen ?

Sporti
Webseite: http://fambalser.wix.com/balser
3D-Saxonetten Druckteile: https://www.thingiverse.com/sportidesign/designs
Sporti's Garage Filme:https://www.youtube.com/channel/UCa9fKgCiEQWCgFEA7RKaXxg?view_as=subscriber
doran

Re: Die Akkueigenheiten T.3

Beitrag von doran »

Hallo Sporti,
Wenn der Akku "nachgelassen" hat, weil mehr u mehr "Bleischlamm" am Boden zu innerer Entladung
("sanfter Kurzschluß") führt - nach einigen Jahren - dann kann kein Refresher mehr helfen.
Man müßte den Akku entleeren , spülen u neu mit Säure füllen. Das hat man nach dem Kriege
gemacht , wenn es keine Neuen zu kaufen gab. Sind die Pole mehr u mehr sulfatiert , kann ein
"Aufbrechen" der kristallinen Makromoleküle durch Strompulse erfolgreich sein, aber bitte keine
Wunder erwarten. Was die Verhinderung von Sulfaten anbelangt sind diese Geräte durchaus erfolgreich. Man ereicht aber Ähnliches ,wenn man regelmäßig entlädt u lädt ...mit wechselnden
Strömen. Stehen oder laden als auch entladen mit geringen Strömen - weniger 1/20C = 5% begünstigen die Sulfatbildung) Ein Problem bei Akkus die mit Sonnenenergie - meist kleinen
Strömen geladen werden. Gruß Doran
Benutzeravatar
Dieter-K
Beiträge: 4818
Registriert: Freitag 17. Oktober 2008, 22:26
Wohnort: Gelsenkirchen, Ruhrgebiet

Re: Die Akkueigenheiten T.3

Beitrag von Dieter-K »

Lieber Doran,
über Akkus habe ich schon viel gelesen. Aber so umfassend, präzise und gut erklärt habe ich diese diffiziele Materie nirgends aufgefunden wie hier von Dir.

Akku, was heißt das für den Normalbürger? Kaufen, laden, benutzen und irgendwann entsorgen.
Mehr weiß man im allgemeinen nicht darüber.

Danke Dir für diese aufwändigen Beiträge - Dieter
doran

Re: Die Akkueigenheiten T.3

Beitrag von doran »

Hallo Dieter,
im Allgemeinen sind größere Kenntnisse über Akkus nicht vonnöten, fährt man jedoch ein Pedelec , so hat man eine nicht
ausgereifte u sich rasch wandelnde Technik vor sich. Da hilft etwas Hintergrundwissen über verschiedene Produktschwächen hinweg. Ich habe einige Pedelec-Fahrer gesehen , die infolge Fehlbedienung unnötig Probleme hatten
u irgendwann die Lust verloren haben. Ich wende mich in meinen Beirägen in erster Linie an technisch vorgebildete u
aufnahmefähige u aufnahmewillige Leute ( Schrauber) , mit der Überlegung daß Zusatzwissen den technischen Horizont
erweitert u die daraus resultierende Handlungsmöglichkeit erweitert. Daß dabei von dem Einen oder Anderen mal gemotzt
wird ,liegt in der Natur der Sache. Das Forum ist groß u bunt , soll auch so sein. Andererseits lese ich still mit wie mechanische Probleme behandelt werden. Blicke ich zurück, so habe ich dadurch eine ganze Menge über den Zweitakter u
die Saxo im Allgemeinen gelernt. Dieses wechselseitige Lernen von Anderen scheint mir der Haupt - Sinn u Zweck des Forums zu sein. Gruß Doran
Benutzeravatar
Sporti
Site Admin
Beiträge: 4787
Registriert: Dienstag 14. Oktober 2008, 23:30
Wohnort: 42477 Radevormwald
Kontaktdaten:

Re: Die Akkueigenheiten T.3

Beitrag von Sporti »

@Doran:

:handshake:

Sporti
Webseite: http://fambalser.wix.com/balser
3D-Saxonetten Druckteile: https://www.thingiverse.com/sportidesign/designs
Sporti's Garage Filme:https://www.youtube.com/channel/UCa9fKgCiEQWCgFEA7RKaXxg?view_as=subscriber
DiDi
Beiträge: 2095
Registriert: Montag 20. Oktober 2008, 19:27
Wohnort: 42 Remscheid

Re: Die Akkueigenheiten T.3

Beitrag von DiDi »

Hallo Doran,

ich hoffe das sich so mancher Schüler ob Haupt oder Gymnasiast auf diese Seite verirrt ,

alleine deswegen schon ,
wie Du eine Komplexe und Komplizierte Materie mit verständlichen Worten darstellst ,
hier kann man richtig etwas verstehen ,und lernen und besonders hoch ist dieses zu würdigen ,da es hierbei um Technische
Sachen geht die ja erst am Anfang Ihrer Zukunft stehen ,

so mancher Lehrer könnte hier für sicher auch noch einiges für sich zum vorteil verwenden ,

Verkehrt fände ich es auch nicht ,sich an den Firmen zu beteiligen die in der Akkutechnick die Nase vorne haben,

Danke für Deine Beiträge

Gruß
DiDi
Für den inneren Schweinehund gibt es eine Erklärung aus der Evolution ; er muss uns zugelaufen sein .
Antworten