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Entladen
bei hohen und tiefen Temperaturen
Batterien
funktionieren am besten bei Raumtemperatur. Der Einsatz von Batterien bei einer
erhöhten Temperatur verkürzt ihre Lebenserwartung drastisch. Obwohl
eine Säure-Blei-Batterie die höchste Kapazität bei Temperaturen
um 30°C erreicht, führt ein längerer Einsatz bei dieser Temperatur
zu einer Verkürzung der Lebenserwartung. Dies ist ähnlich bei einer
Lithium-Ion-Batterie, die mehr leistet bei höherer Temperatur. Erhöhte
Temperatur wirkt führt kurzzeitig zu einer Verminderung des inneren Widerstandes,
welcher möglicherweise durch die Alterung grösser geworden ist. Der
Energiegewinn ist jedoch nur von kurzer Dauer, da erhöhte Temperatur die
Alterung fördert, welche wiederum zur Erhöhung des inneren Widerstandes
führt.
Es gibt eine Ausnahme für den Einsatz von Batterien bei
höheren Temperaturen - es ist dies die Lithium-Polymer mit trockenem, festen
Polymerelekrolyt, eine echte 'Plastikbatterie'. Während die kommerzielle
Lithium-Ion-Polymer-Batterie feuchte Elektrolyte benützt, um die Leitfähigkeit
zu verbessern, hängt die trockene, feste Polymerversion von der Temperatur
ab, um einen genügenden Fluss von Ionen zu ermöglichen. Dies bedingt
eine Batteriekerntemperatur von 60 - 100°C.
Die trockene, feste Polymerbatterie
hat einen Nischenmarkt gefunden als Notstrombatterie in warmen Klimazonen. Die
beste Funktionstemperatur der Batterie wird erreicht durch ein eingebautes Wärmeelement.
Bei einem Ausfall der Speisung muss die Batterie selbst die Energie liefern, die
sie benötigt, um die Temperatur beizubehalten. Obwohl dieser Batterie eine
lange Lebenserwartung zugesprochen wird, ist der Preis meistens en Hindernis.
Nickel-Metall-Hydride
verschlechtern sich schnell, wenn sie bei höheren Temperaturen betrieben
werden. Zum Beispiel, bei einer Umgebungstemperatur von 30°C wird die Lebenserwartung
um 20% reduziert. Bei 40°C betragen die Verluste bereits 40%. Wenn die Ladung/Entladung
bei 45°C erfolgt, sinkt die Lebenserwartung auf die Hälfte des Wertes,
der erwartet werden darf bei Anwendungen bei Raumtemperatur. Nickel-Kadmium ist
ebenfalls empfindlich auf höhere Temperaturen, aber in einem geringeren Mass.
Bei
tiefen Temperaturen nimmt die Leistung der Batterien, ohne Rücksicht auf
die Chemie, drastisch ab. Während -20°C die Schwelle ist, wo Nickel-Metall-Hydrid-,
Säure-Blei- und Lithium-Ion-Batterien aufhören zu arbeiten, können
Nickel-Kadmium-Batterien bis zu -40°C eingesetzt werden. Bei dieser frostigen
Temperatur ist die Entladerate von Nickel-Kadmium-Batterien auf 0,2C begrenzt
(5 Stundenrate). Man sagt, dass neue Modelle von Lithium-Ion-Batterien bis hinunter
auf -40°C einsatzfähig seien.
Es ist jedoch wichtig sich daran
zu erinnern, dass, auch wenn eine Batterie bei tiefen Temperaturen betriebstüchtig
ist, sie nicht automatisch auch eine Aufladung unter den gleichen Bedingungen
erlaubt. Die Ladeakzeptanz für die meisten Batterietypen ist bei sehr tiefen
Temperaturen begrenzt. Die meisten Batterien müssen für die Ladung aufgewärmt
werden, und zwar über den Gefrierpunkt. Nickel-Kadmium-Batterien können
unterhalb des Gefrierpunktes aufgeladen werden, aber die Laderate ist auf 0,1C
reduziert.Impuls-Entladung
Batteriechemien
reagieren verschieden auf spezifische Ladevorschriften. Die Belastung bei Entladung
erstreckt sich von kleinen und gleichmässigen Strömen in Blitzlichtlampen
bis zu starken Impulsströmen für digitale Kommunikationsgeräte,
von hohen intermittierenden Stromspitzen in Werkzeugen zu dauernder Hochstrombelastung
in einem Elektrofahrzeug, das sich auf einer Autobahn bewegt. Da Batterien chemische
Elemente sind, die hochwertiges Aktivmaterial während der Entladung in einen
anderen Zustand verändern müssen, ist die Geschwindigkeit für diese
Umwandlung entscheidend für die Ladecharakteristik einer Batterie. Auch genannt
als Konzentrationspolarisation, sind auf Nickel basierende Batterien den Bleibatterien
in Bezug auf die Reaktionsgeschwindigkeit klar überlegen.
Die Blei-Säure
Batterie liefert die beste Leistung bei einer 20-stündigen Langsamentladung.
Auch die Impulsentladung arbeitet gut, weil die Erholungsperioden zwischen den
Impulsen mithilft, die verringerte Säurekonzentration zurück zu führen
in die Elektrodenplatten. Eine Entladung mit 1C der vorhandenen Kapazität
ergibt die schwächste Effizienz. Das tiefe Niveau der Konversion, oder die
erhöhte Polarisation zeigt sich durch einen momentan hohen inneren Widerstand,
der auftritt auf Grund der Verringerung des Aktivmaterials während der chemischen
Reaktion.
Verschiedene Entlademethoden, speziell die Impulsentladung, beeinflussen
die Lebenserwartung von einigen Batteriechemien. Während Nickel-Kadmium und
Lithium-Ion Batterien robust sind und nur nur minimale Beschädigungen zeigen
bei Impulsentladung, zeigen Nickel-Metallhydride eine starke Abnahme der Anzahl
der zu erwartenden Zyklen wenn mit einer digitalen Last entladen wird.
In
einer kürzlich durchgeführten Studie wurde die Lebenserwartung untersucht,
indem Entladungen bis zu 1,04V/Zelle durchgeführt wurden mit analoger und
digitaler Last. Der analoge Entladestrom betrug 500mA, die digitale Entladung
simulierte eine Last gemäss dem GSM Protokoll und betrug einen Spitzenstrom
von 1,65A während 12ms und einen Standbystrom von 270mA (Bemerke, dass die
GSM-Sprach-Impulse ca. 550µs alle 4,5ms betragen).
Mit einer analogen
Entladung erreichen Nickel-Metallhydride eine Lebensdauer, die oberhalb des Durchschnittes
liegt. Bei 700 Zyklen liefert die Batterie noch immer eine Kapazität von
80%. Im Gegensatz dazu nimmt die Zellenkapazität unter digitaler Belastung
schneller ab. Die Schwellenkapazität von 80% wurde nach nur 300 Zyklen bereits
erreicht. Dieses Phänomen zeigt auf, dass sich die kinetische Charakteristik
bei Nickel-Metallhydriden schneller verschlechtert bei digitaler als bei analoger
Last. Lithium und Blei-Säure Batterien sind weniger empfindlich auf Impulsentladung
als Nickel-Metallhydride.
Über
den Autor
Isidor Buchmann ist der Gründer und Geschäftsführer
von Cadex Electronics Inc., in Vancouver BC. Herr Buchmann hat fundierte Basiskenntnisse
in der drahtlosen Kommunikation und studierte über zwei Jahrzehnte hinweg
das praktische Verhalten von wiederaufladbaren Batterien und ihre täglichen
Verwendungen. Als Autor gewann er Auszeichnungen für viele Artikel und Bücher
über Batterien. Herr Buchmann's technische Ausführungen gingen rund
um die Welt.
Cadex Electronics ist Hersteller von fortschrittlichen Batterieladegeräten,
Batterieanalysern und PC-Software. Für Produktinformationen besuchen Sie
bitte www.cadex.com.
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