Het principe van de batterij

HET PRINCIPE VAN DE BATTERIJ

Een batterij kan elektrische energie opslaan en chemische energie weer in elektrische energie omzetten, voor het afgeven van stroom aan verbruikers als verlichting, startmotor, gereedschappen etc. Het zou te ver gaan uit te leggen hoe dit allemaal precies gaat. Om kort te zijn kun je zeggen dat er zich tussen de loden "platen" in de cellen chemische processen afspelen. Een batterij bestaat uit meerdere cellen met een spanning van 2,1 Volt. Op die manier kan door serieschakeling uiteindelijk 6-, 12- en/of 24 Volt gelijkspanning worden gemaakt. Iedere cel heeft positieve- en negatieve platen. Per cel zijn er meer of minder platen aanwezig. Later komen we daarop terug. De cellen zijn afgevuld met een zwavelzuur/water-mengsel en vormen zo een "galvanisch element". Aan de plusplaat wordt daarbij loodoxide gevormd en aan de negatieve plaat lood. Tijdens het laden verandert de zuurgraad van het batterijzuur, het wordt steeds meer geconcentreerd.

Bij het ontladen wordt het elektroliet weer zuurarmer omdat het zwavelzuur door het bij de omzetting van lood naar loodoxide ontstane water wordt verdund.

Om de batterij te laden, moet door een externe spanningsbron de celspanning worden opgevoerd tot een waarde boven de 2,1 Volt. Aan de laadspanning zijn grenzen verbonden i.v.m. de overmatige vorming van waterstofgas (de "gasspanning"). Bij 2,35-2,4 Volt per cel zal die ongewenste gasvorming optreden. Bij een gewone 12 Volt batterij is dat bij 14,1-14,4 Volt batterijspanning. Het verband tussen spanning en soortelijke massa van het elektroliet, kan als volgt worden weergegeven:

*) rustspanning bij een 12 Volts batterij, zonder verbruikers.

Naar het gebruik onderscheiden we verschillende soorten batterijen. Het verschil houdt verband met het aantal platen per cel, omdat de maximum te leveren stroom wordt bepaald door het plaatoppervlak. Tegelijkertijd verbetert de levensduur van de batterij wanneer de plaatconstructie/samenstelling verbetert. Dat beperkt dan weer het aantal platen per cel.

Zo kennen we drie belangrijke soorten:

de STARTBATTERIJ: veel platen per cel, veel stroom in korte tijd, ontladen tot ten hoogste 80% van de capaciteit en geschikt voor een startmotor.

de SEMI-TRACTIEBATTERIJ: minder platen per cel, betere/dikkere platen voor minder stroom in langere tijd bij iets diepere maximale ontlading (tot 50%). Zeer geschikt voor gebruik met gereedschappen.

de TRACTIE-BATTERIJ: een batterij met geheel afwijkende plaatconstructie, waardoor er veel stroom kan worden afgenomen, diepere ontlading mogelijk is, snel kan worden geladen en de levensduur aanmerkelijk wordt verlengd t.o.v. de vorige twee typen. Deze batterijen tref je aan bij vorkheftrucs, winkel- en meetwagens.

STARTBATTERIJEN

De startbatterij is vanwege de constructie alleen geschikt voor kortstondige belastingen met hoge stroom zoals die plaatsvindt bij het starten van een motor.
Het verschil met een lichtbatterij is voornamelijk de oppervlakte van de platen met lood in de accu. Naarmate de oppervlakte van de batterijplaten toeneemt, kan het zuur makkelijker de platen binnendringen hetgeen een grotere stroomafgifte mogelijk maakt.
Het voornaamste kenmerk van een startbatterij is dan ook dat deze grote en dunne platen heeft.
De startbatterij is niet geschikt voor cyclische belastingen (dwz. doorlopend laden/ontladen) in een 12/24 Volt-systeem om de verlichting te voeden. Een startbatterij is relatief goedkoop.

LICHTBATTERIJ/SEMI-TRACTIEBATTERIJ

De standaard semi-tractiebatterij is een loodbatterij met een vloeibaar elektroliet (navulbaar). Deze stroombron is geschikt voor licht-cyclische toepassingen. De semitractie batterij kan ook worden gebruikt om mee te starten, mits de capaciteit dat toelaat. Door de bijzondere samenstelling (dikke platen met speciale separatie) kunnen deze batterijen lang mee als ze goed geladen en geladen onderhouden worden (bijvoorbeeld met een IUoUo of IWU karakteristiek).

De levensduur van deze batterijen valt of staat met de manier waarop ze gebruikt en onderhouden worden. In het algemeen geldt dat de levensduur toeneemt, als de batterijen over het algemeen in een hoge laadconditie verkeren. Bijvoorkeur 80% van de capaciteit. Nooit meer ontladen dan tot 30%! Ook hier gelden regels. Tussen de verschillende merken semi-tractiebatterijen zijn hier en daar marginale verschillen door andere samenstellingen van het gebruikte lood ("antimoonarm lood", seleen- en calcium-toevoegingen). Semi-tractiebatterijen zijn wat duurder, maar de extra investering loont i.v.m. levensduur en betrouwbaarheid.

TRACTIE-BATTERIJEN

Tractie-batterijen bieden zo'n beetje alles wat men zich kan wensen: veel stroom, levensduur en betrouwbaarheid. Het probleem zijn echter de prijs en afmetingen. Een tractiebatterij wordt veelal samengesteld voor het doel waarvoor hij gebruikt wordt. Daarom kom je ze vaak tegen met losse cellen. Iedere cel heeft een positieve plaat met een zogenaamde buisjesstructuur. Hierdoor is de plaat beter bereikbaar voor het zwavelzuur en ontstaat er een groot oppervlak. Deze batterijen zijn bijzonder geschikt bij intensief gebruik van de batterij-installatie. Tractiebatterijen kunnen met hoge stromen worden geladen en zijn daardoor weer snel voor gebruik beschikbaar.

WELKE BATTERIJEN KUN JE VOOR EEN SYSTEEM TOEPASSEN?

Beginnend met de batterijen voor het STARTEN zijn er twee belangrijke varianten op de markt: gewone lood/zwavelzuur batterijen met veel dunne platen en vuldoppen. Daarnaast de gesloten batterijen, zoals we die aantreffen in veel Amerikaanse en Europese auto's. De gesloten batterijen van Amerikaanse komaf worden tegenwoordig veel toegepast. Deze batterijen bieden vooral een uitkomst, omdat ze niet behoeven te worden nagevuld met vloeistof; het kán zelfs niet eens.

De belangrijkste beperking is dat deze batterijen nooit diep mogen worden ontladen. Daarna is slechts herstel mogelijk met een zeer speciale lader. Daarom zijn deze batterijen beslist niet geschikt als lichtbatterij en is het predicaat "onderhoudsvrij" niet wat je ervan zult verwachten.

Voor gebruik als LICHTBATTERIJ zijn er verschillende vormen van batterijen te koop. Allereerst is dat de standaard semi-tractiebatterij met vuldoppen. Zij hebben een goede prijs/prestatie verhouding. Momenteel vindt voor het gebruik als lichtbatterij ook de zogenaamde Gel-Batterij zijn toepassing. Dit is een soort semi-tractiebatterij, waarbij het zwavelzuur gebonden is in een gel- of pastavorm. De kwaliteit van deze batterijen voor gebruik met diepere ontlading is beter dan bij de standaard semi-tractiebatterij. De regels worden echter wel aangescherpt en we zullen ze daarom apart behandelen. De semitractie gel-batterij biedt met name voordelen waar vaker en dieper wordt ontladen. Bij VEELVULDIG GEBRUIK van batterijen kun je kiezen voor tractie-batterijen. Hierbij valt vooral te denken aan situaties waarbij een snelle lading een voorwaarde is. Tractie-batterijen zijn er als "natte batterij" en als "gel-batterij".

GEBRUIK "NATTE" BATTERIJEN

Denk aan de maximum toegestane ontlading: Startbatterijen ten hoogste tot 80% van de max. capaciteit. Licht/semi-tractiebatterijen nooit verder dan 30% ontladen, bijvoorkeur nooit verder dan tot 75% van de maximum capaciteit. Bij een zuurgraad van 1,24 dient de batterij op zeer korte termijn te worden geladen. Dit komt overeen met 75% capaciteit.

Houdt het vloeistofniveau op peil. Het elektroliet moet ongeveer één centimeter boven de bovenzijde van de platen staan. Bijvullen alléén met gedistilleerd water of gedemineraliseerd water ("demi-water").

Voorkom teveel zelfontlading. De batterijcapaciteit neemt altijd 0,5-1% per dag af. Dit hangt samen met de kwaliteit van de batterij. De noodzaak van regelmatig laden in de winter is hiermee aangetoond. Langer dan twee maanden mag een natte batterij nooit zonder aanvullende lading worden opgeslagen. Hierdoor gaan nog steeds de meeste batterijen verloren.

Laadt de batterijen nooit boven de gasspanning, zodat onnodig watergebruik en gevaarlijke gasvorming wordt voorkomen. Het gevormde waterstofgas is het meest explosieve gas dat we kennen.

Laadt de batterijen met een voldoende hoge spanning en binnen afzienbare tijd. Een ontladen of "lege" batterij is aan vorming van sulfaat onderhevig. Dit onoplosbare zout verzamelt zich onderin de batterij en tussen de platen. Een te lange slechte laadconditie verergert de sulfaatvorming en bedreigt de levensduur van de batterij met daaraan gepaard gaand capaciteitsverlies.

Bekijk de laadinstallatie kritisch. De laadstroom is niet altijd bepalend voor de goede lading. Deze dient ook bij de juiste spanning te geschieden met het oog op het voorgaande. Kijk daarom of de alternator laadspanning onderweg niet wordt gehinderd en deze op de batterij nog aanwezig is. Voor batterijladers geldt hetzelfde.

Zorg dat batterijpoolklemmen goed vast zitten. Een slechte verbinding geeft laadverliezen en ontwikkelt warmte. Daarnaast moet een elektrische verbinding goed vastzitten om vonkvorming tegen te gaan. Als de batterij waterstofgas ontwikkelt tijdens het laden, is een vonk het laatste wat U wenst.

Maak batterijklemmen pas los als er geen stroom meer loopt. Indien een batterijpoolklem wordt losgenomen terwijl er nog stroom loopt, bestaat de kans op een serieuze ontploffing. In de batterij bevindt zich nl. ALTIJD waterstofgas. Neem dus de hoofdzekering los of zet de hoofdschakelaar uit.

Zorg dat de batterijruimte goed wordt geventileerd en niet aan hoge temperaturen bloot staat. Zo voorkom je ontploffingsgevaar i.v.m. het ontstaan van waterstofgas en blijft de temperatuur van de batterij binnen redelijke grenzen. Hogere temperaturen brengen de gasspanning van iedere batterijomlaag, zodat het ontploffingsgevaar toeneemt. Kies desnoods voor een laadspanning die door een regelaar voor de batterijtemperatuur wordt gecompenseerd.

Maak batterijpolen en -klemmen regelmatig schoon en voorkom corrosie. Het invetten met vaseline kán een oplossing bieden. Regelmatig schoonspoelen van polen en deksels is ook afdoende.

GEL-BATTERIJEN

In de afgelopen jaren verschenen steeds meer zogenaamde gelbatterijen op de markt. In dit soort accu's is een belangrijk deel van de bezwaren die aan toepassing van natte batterijen kleven ondervangen. De fabricage van deze batterijen vereist echter een high-tech procedé, waardoor aan de fabrieksinstallatie zeer hoge eisen worden gesteld. Wereldwijd gezien is er maar een handvol producenten van gelbatterijen.

De belangrijkste voordelen van gelbatterijen zijn:

geringere zelfontlading

diepere ontlading mogelijk

de batterij kan vaker worden ontladen

gemiddeld hoge productkwaliteit, waardoor deze batterijen beter geschikt zijn voor serie- en parallelschakeling

onderhoudsvrij en gesloten bouwwijze

geen ventilatie noodzakelijk bij juiste lading

In het algemeen kan worden gezegd dat gelbatterijen een veel langere levensduur hebben t.o.v. semi-tractiebatterijen. Zuurschade aan voertuig en kleding is nauwelijks mogelijk. Er kleven echter ook wat nadelen aan de toepassing van gelbatterijen, hoewel die door gebruik van een juiste laadinrichting geheel zijn te ondervangen:

de laadinrichting (lader/alternator) is gebonden aan een maximum spanning (2,38 Volt per cel bij 20 ºC)

bij toename van de omgevingstemperatuur boven 20º MOET de laadspanning naar beneden toe worden afgeregeld, teneinde gasvorming in de batterij te voorkomen.

bij transport is meer zorg nodig i.v.m. beschadiging van seals, bodem en deksel.

als er te lang met een te hoge spanning wordt geladen droogt de gel in en verliest de batterijzijn capaciteit.

De gelbatterijheeft een gesloten behuizing met een overdrukventiel in het deksel. De ruimte in de batterijheeft een lichte overdruk t.o.v. de atmosfeer. Het is beslist niet waar dat deze accu's niet kunnen gassen. Zij doen dat net als de overige typen, maar onder normale omstandigheden (laadspanning onder 2,38 Volt per cel) ventileren ze niet.

Samenvattend is de gelbatterijbijzonder geschikt voor gebruik als lichtaccu op plaatsen waar een natte batterij niet gewenst is. We moeten echter wel tegelijk met de aanschaf van de batterijen een juiste lader gebruiken, die de laadspanning voor een hogere temperatuur compenseert. Bijvoorbeeld de batterijladers van Mastervolt hebben dit standaard. Op de batterij of in de batterijruimte wordt dan een temperatuursensor gemonteerd. Laders met Wa-karakteristiek en gewone IU laders zijn voor gelbatterijen uit den boze!

"MIJN BATTERIJ IS 200 AMPERE-UUR"

De capaciteit van een batterij drukken we uit in Ah. Voor een batterij van 200 Ah geldt dat er ten hoogste 10 Ampère uit komt en dat 20 uur lang (20 uur x 10 A = 200 Ah). Dan is de batterij echter al helemaal "plat" en zover zouden we niet gaan. Een batterij van 200 Ah belasten we in de praktijk echter niet verder dan 50%, hetgeen betekent dat we er 100 Ah uit gaan halen. 10 uur lang 10 Ampère dus! Willen we kijken hoe een batterij zich gedraagt wanneer we er meer of minder stroom uit halen in minder of meer tijd, dan krijgen we bij benadering onderstaande tabel.

Uitgaande van 100 Ah belastbaar vermogen:

100 uur bij 1 Ampère
50 uur bij 2 Ampère
20 uur bij 5 Ampère
10 uur bij 10 Ampère, enz.

Doen we langer over het ontladen van de batterij, dan kunnen we er iets meer energie uit halen. Is de belasting groter, dan komt er totaal minder energie uit. Voor start- en semi-tractiebatterijen wordt de capaciteit in 20 uur aangegeven (aanduiding 220 Ah/20h).

Bij tractiebatterijen is dat de 5-uurs belasting aanduiding 175 Ah/5h). Zo kan het voorkomen dat op één dezelfde batterij twee capaciteiten zijn vermeld.

Serie / Parallelschakeling

Om de gewenste batterijcapaciteit te bereiken, is het onder bepaalde voorwaarden mogelijk batterijen in serie en/of parallel te schakelen. Eén van die voorwaarden is dat de batterijen bijvoorkeur eenzelfde productiedatum hebben en van eenzelfde gelijkvormige constructie zijn (lees: identieke batterijen). Dit moet omdat de batterijen gelijk dienen te worden belast en een identieke laadspanning zullen krijgen.

Bij SERIESCHAKELING telt men de spanning op en blijft de capaciteit in Ah die van de enkele toegepaste batterij.
Bij PARALLELSCHAKELING tel je de capaciteiten in Ah op en is de spanning dezelfde als die van een enkele batterij.
Als bij een samengestelde batterijbank één batterij defect is en vervangen moet worden, verdient het aanbeveling ALLE batterijen uit die bank te vervangen. Bij parallelschakeling zou een enkele vervangen batterij worden genivelleeerd door de oude daaraan parallel geschakelde batterij. Bij serieschakeling krijgt een vervangen batterij te weinig laadstroom, doordat de oude daarmee in serie geschakelde batterijeen geringere capaciteit heeft op grond van zijn leeftijd.