Spis treści:
- 1 Elektrische Batterie - was ist das und wo wird sie eingesetzt?
- 2 Die Batterie im Auto
- 3 Autobatterie - Grundprinzip der Funktionsweise
- 4 Was passiert im Inneren einer Autobatterie?
- 5 Aufbau einer Autobatterie
- 6 Welche chemischen Reaktionen laufen im Inneren einer Autobatterie ab?
- 7 Wie speichert eine Autobatterie Energie?
- 8 Wie erfolgt das Aufladen der Autobatterie?
Elektrische Batterie - was ist das und wo wird sie eingesetzt?
Batterien und Akkumulatoren sind chemische Quellen elektrischer Energie und werden in zahlreichen Anwendungen in einem weiten Bereich der Elektrotechnik und Elektronik eingesetzt. Dieser Artikel gibt einen allgemeinen Überblick über das Prinzip von elektrischen Batterien am Beispiel einer Autobatterie.
Die Batterie im Auto
Die Batterie ist ein wesentlicher Bestandteil für den Betrieb der meisten elektrischen und elektronischen Geräte, so auch fast immer im elektrischen System von Kraftfahrzeugen. Sie ermöglicht den Betrieb von Licht und Lüftung im Stand sowie das Anlassen des Motors.
Autobatterie - Grundprinzip der Funktionsweise
Wenn die Zündung eingeschaltet und der Motor des Fahrzeugs angelassen wird, beginnt in der Batterie eine Reihe chemischer Reaktionen, die zu einer elektromotorischen Kraft führen. Um diese Abfolge aufrechtzuerhalten, erzeugt eine vom Motor angetriebene Vorrichtung, die Lichtmaschine, eine Spannung, die einen Stromfluss erzwingt, um die Batterie zu laden, während der Motor läuft.
Was passiert im Inneren einer Autobatterie?
Eine Standardbatterie enthält 12 Gitter auf sechs SLI-Batteriezellen, d. h. zwei Gitter pro Zelle. Ein Gitter besteht aus Blei und das andere aus Bleioxid. Insgesamt liefert die Batterie eine Spannung von etwa 12 V, wobei jede Zelle 2 V erzeugt – die Zellen sind in Reihe miteinander verbunden. Die beiden Gitter werden in eine Lösung von Schwefelsäure (VI) getaucht, die die Reaktion zwischen ihnen auslöst. Die saure Lösung katalysiert eine Emissionsreaktion, bei der Blei-(II)-Ionen und Sulfat (VI) entstehen. Die in der ersten Reaktion gebildeten Ionen reagieren mit dem zweiten Gitter, wobei Wasserstoff und Bleisulfat entstehen.
Die Elektronen aus diesen Reaktionen erzeugen den Strom, der für den Antrieb des Fahrzeugs benötigt wird. Dieser Elektronenfluss in den Zellen aktiviert die Batteriepole, die den Strom über Kabel an das gesamte Fahrzeug weiterleiten. Es ist möglich, die Richtung umzukehren, wenn die Lichtmaschine nicht arbeitet, um die Batterie zu laden. Um eine Entladung der Batterie zu vermeiden, sollten Sie darauf achten, dass sie bei laufendem Fahrzeug geladen wird – bei laufendem Motor sollte die Spannung an den Klemmen der 12-Volt-Batterie etwa 14,4 Volt betragen. Ihre Autobatterie gibt nicht nur Elektronen ab, die Energie erzeugen, sondern sorgt auch für eine gleichmäßige Stromversorgung, damit Ihr Fahrzeug in Betrieb bleibt.
Aufbau einer Autobatterie
Die Autobatterie ähnelt nicht den Zellen, die in kleineren elektronischen Geräten wie tragbaren Spielkonsolen verwendet werden. Sie besteht aus sechs weiteren kleineren Zellen, die in Reihe geschaltet sind. Durch diese Verbindung addiert sich die Energie jeder Zelle zu einer Spannung von 12 Volt, die von jeder Zelle stammt (6 x 2 Volt), obwohl die korrekte Berechnung für eine unbelastete Batterie etwa 12,6 Volt ergibt. Das Prinzip der Energieabgabe bleibt das gleiche. Bei einigen Modellen kann die Ausgangsspannung jedoch um Bruchteile eines Volts abweichen.
Welche chemischen Reaktionen laufen im Inneren einer Autobatterie ab?
Die übliche Methode, mit der eine Batterie in Verbindung mit einem Stromkreis funktioniert, ist die Abgabe von Elektronen. Einfach ausgedrückt, hat das Elektron eine negative Ladung (der einzige negative Teil des Atoms) und spielt die wichtigste Rolle bei der Bereitstellung von Energie. In einer typischen Blei-Säure-Zelle gibt es einen positiven und einen negativen Anschluss. Der positive Pol ist das Bleioxid (Kathode) und der negative Pol ist das Bleielement (Anode). Der als saure Lösung bekannte Katalysator ist Schwefelsäure (H2SO4), die beim Betrieb der Batterie Bleisulfat an den Polen bildet. Diese Pole tauchen tief in die Schwefelsäurelösung ein, reagieren mit der Anode und geben Elektronen ab.
Die Kathode sendet dann diese Elektronen zurück in die Lösung, um das chemische Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Diese Elektronenübertragung ist eine völlig neue Reaktion zwischen der Kathode und der Säure, die sich von der ersten Reaktion unterscheidet. Wenn die Batterie entladen ist, bedeutet dies, dass eine dieser Reaktionen unvollständig war. Wenn man diesen Prozess mit Hilfe von chemischen Reaktionsgleichungen auf der Basis von Summenformeln ausdrückt, ergibt sich folgendes Bild:
PbO2 + 4H+ + SO2- + 2e- → PbSO2 + 2H2O
Pb + SO2- → PbSO4 + 2e-
Reaktion eins nimmt Elektronen auf, während Reaktion zwei Elektronen abgibt.
Wie speichert eine Autobatterie Energie?
Der schnelle Elektronenfluss von den Klemmen trifft auf den Motor des Autos und veranlasst die Lichtmaschine, Elektronen zu liefern. Die Zink-Kupfer-Salz-Batterie von Alessandro Volta kehrt die Elektronenreaktion nicht so schnell um wie die H2SO4-Bleibatterie von Gaston Planté. Die überschüssig erzeugten Elektronen gehen in die Lösung, die sie zur Stromerzeugung an die Klemmen zurückgibt. Diese Reaktionsabläufe in beide Richtungen sind eine zuverlässige Stromquelle für Autos.
Wie erfolgt das Aufladen der Autobatterie?
Die Nutzer müssen eine Autobatterie schnell aufladen, damit sie sich nicht entlädt, daher ist eine zuverlässige Lademethode unerlässlich. Andernfalls wird die Batterie, sobald sie die zum Starten des Fahrzeugs benötigte Energie geliefert hat, zwangsläufig dauerhaft beschädigt und ist für die weitere Verwendung ungeeignet. In einem typischen modernen Auto lädt die Lichtmaschine die Batterie während der Fahrt auf, während in älteren Modellen die Lichtmaschine die Ladefunktion übernimmt. Beide sind von einem vom Motor angetriebenen Riemensystem abhängig, das einen Rotor in den Kabeln der Lichtmaschine dreht. Der Rotor nimmt Elektronen auf, indem er kleine Teilchen magnetisiert, während die Kupferkohle den Eisenklemmring auf der Stange anzieht.
Die Drehung des Elektromagneten im Inneren der Statorspule erzeugt elektrische Energie. Der Fluss der Elektronen ist alternierend. Das heißt, er fließt vorwärts und rückwärts, je nach der Richtung des Rotors. Um einen besseren Wirkungsgrad zu erzielen, muss er jedoch gleichgerichtet werden, um Gleichstrom zu erzeugen. Der Generator erzeugt Wechselstrom, der durch Dioden, die die Elektronen in Vorwärtsrichtung fließen lassen, in unidirektionalen Wechselstrom umgewandelt (gleichgerichtet) wird. Ein Regler im Inneren des Generators sorgt für die Stabilisierung der gelieferten Spannung. Beide Geräte befinden sich innerhalb oder außerhalb des Generatorengehäuses.
Wenn die Batterie nicht ordnungsgemäß geladen wird, leuchtet die Batteriekontrollleuchte im Armaturenbrett auf, wenn der Motor läuft – in den meisten Fällen ist die Ursache dafür eine abgenutzte Kohlebürste, ein beschädigter Schleifring, ein Ausfall des Spannungsreglers oder der Gleichrichterdioden sowie Kurzschlüsse oder Unterbrechungen in den Rotor- oder Statorwicklungen.
In einer solchen Situation ist es ratsam, eine Ersatzbatterie zur Hand zu haben, um sicher zur nächsten Werkstatt fahren zu können, um die Lichtmaschine zu reparieren oder zu ersetzen. Ein Ladeproblem tritt auch dann auf, wenn die Ladespannung zu hoch ist, was auf eine Störung des Spannungsreglers hinweist – in diesem Fall ist es ratsam, mit eingeschalteter Lüftungsanlage und Heckscheibenheizung zu fahren, um eine Last zu erzeugen, die die Batterie vor Schäden schützt.
