Methoden zur Entladung

Die Aufgabe einer Batterie ist es, Energie zu speichern und sie in einer gewünschten Zeit und einer kontrollierten Art wieder abzugeben. In diesem Abschnitt werden wir die Entladung bei verschiedenen C-Einstellungen untersuchen die Entladetiefe beurteilen, bei der eine Batterie ohne Gefahr entladen werden kann. Wir werden ebenfalls beobachten, wie Tiefentladungen die Lebenserwartung einer Batterie beeinflussen können.

Was bedeutet der C-Koeffizient?

Der Lade- und Entladestrom einer Batterie wird als C-Koeffizient bezeichnet. Die meisten tragbaren Batterien sind eingestellt für 1C. Das heisst, dass eine Batterie mit 1000mAh einen Strom von 1000mA während einer Stunde abgeben kann, wenn der Koeffizient 1C beträgt. Wenn dieselbe Batterie mit 0,5C entladen wird, gibt sie 500mA während 2 Stunden ab. Bei 2C liefert die 1000mAh Batterie 2000mA während 30 Minuten. 1C wird oft bezeichnet als 1-Stunden-Entladung, eine 0,5C würde eine 2-Stunden- und eine 0,1C eine 10-Stunden-Entladung bedeuten.

Die Kapazität einer Batterie wird gewöhnlich mit einem Batterie-Analyser gemessen. Wenn die Angabe des Analysers für die Kapazität in Prozenten der Nennkapazität erfolgt, würde 100% angezeigt, wenn eine 1000mAh-Batterie diesen Strom während 1 Stunde abgeben kann. Wenn die Batterie nur 30 Minuten dauert bis zum Abschalten, wird 50% angezeigt. Eine neue Batterie liefert manchmal Werte über 100%.

Wenn eine Batterie mit einem Analyser entladen wird, der in der Lage ist, verschiedenen Entladekoeffizienten C zu verwenden, können höhere Kapazitätswerte beobachtet werden, wenn die Batterie mit einem tieferen C-Koeffizienten entladen wird und umgekehrt. Beim Entladen einer 1000mAh-Batterie mit 2C, d.h. 2000mA, ist der Analyser so programmiert, dass er die volle Kapazität innerhalb 30 Minuten entnimmt. Theoretisch sollte die Kapazitätsmessung dieselbe sein wie bei langsamerer Entladung, da die gleiche Energie entnommen wird, nur in einer kürzeren Zeit. Wegen internen Energieverlusten und einer Spannungsabsenkung, wird die Batterie schneller die untere Spannungsabschalteschwelle erreichen und die Kapazitätsmessung kann deshalb absinken auf ca. 95%. Eine Entladung derselben Batterie mit 0,5C, d.h. 500mA, während 2 Stunden, kann eine Erhöhung der Kapazitätsmessung von ca. 105% ergeben. Die Unterschiede der Kapazitätsmessungen mit verschiedenen C-Koeffizienten haben eine Beziehung zum Innenwiderstand der Batterie.

Eine Batterie, die bei 1C-Entladung nicht gut arbeitet, ist die tragbare, versiegelte Blei-Säure-Batterie. Um eine vernünftig gute Kapazitätsmessung zu erhalten, empfehlen die Hersteller gewöhnlich für diese Batterien einen Entladekoeffizienten von 0,05C, d.h. 20 Stunden. Sogar bei solch langsamer Entladung ist es schwierig, eine Kapazität von 100% zu erreichen. Als Kompensation für die verschiedenen Messungen bei mehreren Entladeströmen, bieten die Hersteller einen so genannten Kapazitätsausgleich an. Der Kapazitätsausgleich wird angewendet, um das Ablesen des Kapazitätswertes zu korrigieren. Er erhöht keinesfalls die Batterieleistung; sie korrigiert lediglich die Kapazitätsberechnung, wenn kleinere oder grössere C-Koeffizienten benutzt werden, als jene, die vom Hersteller angegeben werden.

Lithium-Ion/Polymer Batterien sind elektronisch geschützt gegen hohe Entladeströme. Abhängig vom Batteriemodell, ist der Entladestrom begrenzt zwischen 1C und 2C. Diese Schutzmassnahme führt dazu, dass Lithium-Ion Batterien für bio-medizinische Anwendungen und für Werkzeuge, die einen hohen Anlaufstrom haben, nicht verwendet werden können.

Tiefe der Entladung

Die typische End-Entladespannung für Batterien auf Nickelbasis ist 1V/Zelle. Bei dieser Spannungsschwelle ist ungefähr 99% der Energie aufgebraucht und die Klemmenspannung beginnt schnell abzufallen, wenn die Entladung fortgesetzt wird. Entladung unterhalb der Abschaltspannung sollte verhindert werden, speziell bei starker Belastung.
Da die Batteriezellen nicht perfekt überwacht werden können, entsteht ein negatives Spannungspotential, bekannt als Zellen-Umpolung, wenn die Entladung unkontrolliert fortgesetzt wird. Je mehr Zellen in Serie geschaltet sind, umso grösser wird wahrscheinlich die Anzahl umgepolter Zellen.

Nickel-Kadmium kann einige Umpolungen, die typischerweise etwa 0,2V betragen, tolerieren. Während dieser Zeitspanne ist die Polarität der positiven Elektrode umgepolt. Eine solche Situation kann nur kurzzeitig bestehen bleiben, weil die Entwicklung von Wasserstoff an der positiven Elektrode zu einem Überdruck führt und zu einem möglichen Gasaustritt aus der Zelle. Wenn die Zelle während längerer Zeit der Spannungsumpolung ausgesetzt ist, werden beide Polaritäten umgepolt und die Zelle wird elektrisch kurzgeschlossen. Solch ein Fehler kann nicht rückgängig gemacht werden.

Einige Batterie-Analyser benützen eine Sekundär-Entladung (Regenerierung), indem eine Entladung der Batterie bis zu einem sehr tiefen Abschaltpunkt durchgeführt wird. Dieses Gerät überwacht den Entladestrom, um sicher zu gehen, dass der maximal anwendbare Strom während der Regenerationsphase eine Sicherheitsgrenze nicht überschreitet. Sollte sich die Umpolung weiter entwickeln, würde der Entladestrom so klein gehalten, dass keine Beschädigungen entstehen können. Dass Zellen während der Regeneration zerstört werden, ist nur möglich, wenn diese Zellen entweder schwach oder alt sind.

Wenn Zellen entladen werden mit Koeffizienten, die höher sind als 1C, wird der End-Entladepunkt typischerweise auf 0,9V/Zelle abgesenkt. Dadurch wird der Spannungsabfall kompensiert, der durch den inneren Widerstand, bestehend aus Verdrahtung, Schutzschaltung und Kontaktübergänge, entsteht. Ein tieferer Abschaltpunkt führt auch zu besseren Kapazitätswerten, wenn die Batterie bei tieferen Temperaturen entladen wird.

Unter allen Batteriechemien ist Nickel-Kadmium am wenigsten beeinflusst durch wiederholte, volle Entladezyklen. Mehrere tausend Lade/Entlade-Zyklen sind möglich. Deshalb arbeiten Nickel-Kadmium so ausgezeichnet in Werkzeugen und tragbaren Funkgeräten, wo sie in ständigem Einsatz stehen. Nickel-Metallhydrid sind weniger dauerhaft in bezug auf wiederholte Tiefentladezyklen.

Lithium-Ion werden typischerweise auf 3,0V/Zelle entladen. Die Versionen "Spinel" und "Coke" können bis auf 2,5V/Zelle entladen werden, und gewinnen so einige zusätzliche Prozentpunkte. Soweit der Gerätehersteller keinen speziellen Batterietype vorschreibt, sind die Geräte für einen Abschaltpunkt bei 3,0V/Zelle gebaut.

Eine Entladung unterhalb 2,5V/Zelle kann die Batterieschutzschaltung aktiv schalten, d.h. sie verhindert die künftige Ladung mit dem normalen Ladegerät. Eine solche Batterie kann gerettet werden mit Hilfe des Boost-Programms, das auf den Batterie-Analysern der Serie 7000 von Cadex vorhanden ist.

Einige Lithium-Ion Batterien beinhalten einen speziell tiefen Spannungsabschaltepunkt, wobei die Batterie dauerhaft ausser Betrieb gesetzt wird, wenn die Zellenspannung unterhalb 1,5V/Zelle fällt. Eine sehr starke Tiefentladung kann zur Formierung eines Kupfershunts führen, was einen teilweisen oder totalen Kurzschluss auslösen kann. Dasselbe kann geschehen, wenn die Zelle eine negative Polarität aufweist und diese Situation eine gewisse Zeit andauert.
Die Hersteller von Lithium-Ion-Batterien empfehlen eine Entladungstiefe auf 80%. Eine wiederholte 100%-Entladung verringert die spezifische Anzahl der Ladezyklen. Es ist deshalb empfehlenswert, Lithium-Ion-Batterien häufiger aufzuladen, eher als sie zu tief zu entladen. Eine periodische Vollentladung ist nicht erforderlich, da Lithium-Ion-Batterien nicht dem Memory-Effekt unterworfen sind.

Die empfohlene End-Entladespannung für Blei-Säure-Batterien ist 1,75V/Zelle. Die Entladung folgt nicht der vorwiegend flachen Kurve von den Chemien auf Nickel- oder Lithiumbasis. Statt dessen weisen Blei-Säure-Batterien eine graduell abfallende Spannungskurve auf, mit einem starken Abfall gegen Ende der Entladung.
Der Lebenszyklus von versiegelten Blei-Säure-Batterien ist in einer direkten Abhängigkeit zur Tiefe der Entladung. Die typische Anzahl von Entlade/Ladezyklen bei 25°C in Abhängigkeit zur Tiefe der Entladung ist:

· 150 - 200 Zyklen mit einer Tiefe der Entladungen von 100% (Vollentladung)
· 400 - 500 Zyklen mit einer Tiefe der Entladungen von 50% (teilweise Entladung)
· 1000 und mehr Zyklen mit einer Tiefe der Entladungen von 30% (schwache Entladung)

Die Blei-Säure-Batterie sollte nicht unterhalb 1,75V/Zelle entladen werden. Auch sollte sie nicht in entladenem Zustand gelagert werden. Die Zellen einer nicht geladenen Blei-Säure-Batterie sulfatieren, ein Umstand, der die Batterien unbrauchbar macht, wenn sie auch nur wenige Tage in diesem Zustand belassen werden. Man sollte besorgt sein, dass die offene Klemmespannung immer 2,10V oder mehr beträgt.

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.