Akkus und Batterien


1. Galvanische Elemente


Galvanische Elemente werden in Primärelemente (Anwendung in Batterien, Brennstoffzelle) und Sekundärelemente (Anwendung in Akkus) unterteilt. Wird ein Metall in ein Elektrolyt (eine zumindest zum Teil aus Ionen bestehende Lösung) eingetaucht, so entsteht eine elektrische Spannung zwischen dem Elektrolyt und dem Metall. Die elektrische Spannung kann nur über eine zweite Elektrode gemessen werden. Da die Spannung wesentlich von den zwei Materialien abhängt, so wurde als Bezugselektrode willkürlich Wasserstoff gewählt und systematisch das Spannungspotential für unterschiedliche Metalle in der elektrochemischen Spannungsreihe festgehalten (z.B. Hering2002Keine Zugangsberechtigung, S. 243). Zwei identische Elektroden ergeben natürlich 0 V.

Primärelemente wandeln chemische EnergieKeine Zugangsberechtigung in elektrische Energie um. Der Vorgang ist irreversibel, da zumindest eine Elektrode beim Entlanden abgebaut wird.

Sekundärelemente wandeln zudem durch das Zuführen von elektrischer Energie, diese in chemische Energie zurück.

vgl. Hering2002Keine Zugangsberechtigung, S. 244

Eine Batterie ist eigentlich die Zusammenschaltung von mehreren galvanischen Elementen (Sekundär- oder Primärelemente). Heute bezeichnet dieser Begriff einzelne und zusammengeschaltete Primärelemente. Sekundärelemente werden kurz als Akku oder selten als Akkumulator bezeichnet. Zusammengeschaltete Sekundärelemente werden als Akku-Pack bzeichnet.


2. Kapazität


Die maximale Ladung eines Akkus oder eine Batterie wird in in Milliamperestunden (mAh) angegeben und irreführend als Kapazität bezeichnet. Unter der Kapazität eines Akkus oder einer Batterie wird nicht etwa die elektrische Kapazität (in der Einheit Fahrad) verstanden, sondern eigentlich die maximal in der Zelle zu speichernde elektrische Ladung (Einheit Coulomb, entspricht As).

Da sich hier scheinbar ein eine falsche Bezeichnung eingebürgert hat, möchte ich darauf hinweisen, aber dennoch die Bezeichnung Kapazität beibehalten.

Es wird zwischen der Nennkapazität unterschieden, die der Hersteller nach strengen Vorgaben auf einen Akku drucken sollte und der entnehmbaren Kapazität, die je nach Anwendungsfall unterschiedlich ausfallen kann. Letzteres ist bei hochen Anforderungen interessant, die den Energiezellen viel abverlangen.


2.1 Die entnehmbare Kapazität


Die Entnehmbare Kapazität wird in Ah angegeben. Sie unterscheidet sich von der Nennkapazität insofern, dass die Nennkapazität vom Hersteller bei vorgegebenen Bedingungen ermittelt wird und die tatsächlich entnehmbare Kapazität von dem Anwendungsfall abhängt. Bei höheren Entladeströmen oder extremen Temperaturen kann die tatsächlich entnehmbare Kapazität starkt von der Nennkapazität abweichen.

Die tatsächlich entnehmbare Kapazität ist das Integral aus dem Entladestrom über die Zeit (Ladung) bis zu einer bestimmten Entladeschlussspannung. Die Entladeschlussspannung wird je nach Anwendung festgelegt. Es ist z.B. die Spannung, bei der ein Gerät noch mit Sicherheit funktioniert.

Die entnehmbare Kapazität ist abhängig von
  • dem Entladestrom: Bei höheren Strömen ist die Kapazität kleiner
  • der Entladeschlussspannung
  • der Umgebungstemperatur: Batterien und Akkus kann bei extremen Temperaturen eine geringere Temperatur entnommen werden.
  • anzahl der Ladezyklen: Kapazität sinkt mit den mit jedem Ladezyklus.
  • alter des Akkus: Kapazität sinkt mit dem Alter des Akkus.
  • und natürlich dem Ladezustand (dieser hängt von Selbstentladung, Ladetechnik, Umgebungstemperatur beim Laden und Ladedauer ab)

vgl. Nuehrmann1998, Band 2, S. 1314

Sonderfall:
Ist der Entladestrom konstant, so kann natürlich das Produkt aus Entladestrom und Zeit bis zum erreichen der Entladeschlssspannung.

Beispiel:
Neuer Akku NiHM, Typ AA, 2 Ladezyklen, Nennkapazität 2700 mAh, frisch geladen
Entladestrom: 150 mA
Abbruch des Entladevorgangs bei 0.9 V
Umgebungstemperatur 24°C

image

Entnehmbare Kapazität bis zu einer Entladeschlssspannung von 0,9 V, bei einem Konstanten Entladestrom von 150 mA und einer Raumtemperatur um die 24°C beträgt bei dem Akku 2318 mAh.

Interpretation der Ergebnisse:
Ich habe mir nicht die Mühe gemacht, die Nennkapazität des Akkus zu ermitteln. Wegen dem niedrigen Entladestrom (150 mA) und der niedrigeren Entladeschlussspannung (0,9 V) hätte ich eine höhere Kapazität erwartet. Laut Nührmann müsste der Entladestrom 0,2 CA = 540 mAh und die Entladeschlussspannung 1 V bei NiHM-Akkus betragen, um die Nennkapazität zu ermitteln. Berichte im Internet zeigen ähnliche Ergebnisse und beklagen die Angaben des Herstellers, den ich hier nicht nennen möchte.


2.2 Nennkapazität


Die Nennkapazität (eigentlich maximale Ladung) eines NiHM-Akkus bezeichnet die Kapazität der bei einer Entladung über 5 Stunden bis zu einer Entladeschlssspannung von 1 V erreicht wird. Das ist die Kapazität die Hersteller auf ihren Akkus angeben sollten. Die Umgebungstemperatur muss während des Entladevorgangs bei 20°C +/- 5°C liegen.

Bei dem NiHM-Akku von oben mit einer Nennkapazität von 2700 mAh wäre ein Entladestrom von 540 mAh zu wählen.


3. Normalstrom (CA)


Für Laden und Entladeströme wird laut Nührmann ein Vielfaches der Nennkapazität angegeben.
Allerdings hat die Kapazität die Einheit Ah und der Strom A.
Bei einer Nennkapazität von 2700 mAh ist der Normalstrom 2700 mA.
Man schreibt 1 CA = 2700 mA

Um die Nennkapazität zu ermitteln muss also ein Entladestrom von 0,2 CA eingestellt werden.
0,2 CA = 540 mA


4. Energie


Gerade in Zeiten von Boost-Schaltreglern, die auch bei niedrigeren Eingangsspannungen eine höhere Ausgangsspannung erzeugen können, ist nicht nur die Kapazität, sondern gerade die Energie eine Akkus interessant, denn hier ist nicht nur der Strom interessant, sondern zusätzlich die Spannung die bei diesem Strom am Akku anliegt.

Bei dem NiHM-Akku aus dem Beispiel oben beträgt die gespeicherte Energie bis zu einer Entlaseschlussspannung von 0,9 V
E = 2,087 Wh

Berechnet mittels numerischer Integration.


5. Akkus



Nennspannung pro galvanische Zelle
Pb Bleiakku 2 Vempfindlich auf Unterspannung und Überspannung; bei 12-V-Akku absolutes Minimum meist bei 10,5 V, absolutes maximum bei 13,8 V
NiCd Nickel-Cadmium-Akku 1,2 Vempfindlich für Tiefentladung; Memory-Effekt; Müssen erst entladen werden, dann Ladevorgang vollständig durchführen
NiMH Nickel-Metallhydrid-Akku 1,2 V empfindlich auf Überladen, höhere Energiedichte als NiCd
Li-Ion Lithium-Ionen-Akku3,7 V
LiPo Lithium-Polymer-Akku 3,7 V Volumen um bis zu 10 %; Brandgefahr bei Unter- und Überspannung (max. 4,2 V sind unbedingt zu beachten) die mesiten Akkus werden mit Schutzschaltung ausgeliefert
RAM Rechargeable Alkaline Manganese1,5 V
Alkaline-Akkus (AccuCell)

Vergleich von Akkus: Nuehrmann1998, Band 2, S. 1310

LadeelektronikKeine Zugangsberechtigung
Fuel gaugeKeine Zugangsberechtigung
ZitronenbatterieKeine Zugangsberechtigung


6. Batterien


Wikipedia:Batterie
BatteryTypesKeine Zugangsberechtigung


7. Gehäuse


Typ ANSI Maße (mm)
Lady N 29,5 x 11,5
Mini AAAA 42,5 x 8,3
Micro AAA 44 x 10
Mignon AA 50 x 14
Baby C 50 x 26
Mono D 62 x 34
9 V-Block 1604D 49 x 26 x 17




Siehe auch

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