Akkus

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Etwas Physik rund um Akkus

Kapazität

Die Kapazität eines Akkus (oder einer Batterie) bestimmt die Leistungsfähigkeit und wird in mAh (Milliampère-Stunden) angegeben (evt. in Ah wobei 1Ah=1000mAh entspricht). Für jeden Ladungsspeicher (ob Kondensator, Batterie oder Akku) gilt der folgende Zusammenhang zwischen Kapazität C, Strom i und Zeit t:

C = INTEGRAL i(t) dt
   für konstanten Strom     C = I · t   und     I = C / t     t = C / I

Mit den im Test benützten Dimensionen (diese werden immer in eckigen Klammern angegeben) folgt z.B.:

C [mAh] = I [mA] x t [h] oder C = I · t [mAh, mA, h]

Die Kapazitätsangaben bei Akkus sind nicht immer zuverlässig. Böse Zungen behaupten sogar dass die aufgedruckten und beworbenen Zahlen manchmal mehr mit Marketing als der Kapazität zu tun hätten.

Weil Kapazität eben nicht lgeich Kapazitä ist, müssen wir verschiedene Definitionen einzuführen:

• Nennkapazität: Der auf dem Akku gross aufgedruckte Kapazitätswert, z.B.2200mAh. Gelegentlich wird Kleingedruckt ein kleinerer Wert angegeben (z.B auch als minimal oder typisch), da wir klein gedrucktes normalerweise gar nicht lesen, interessiert uns dies nicht weiter, wir anerkennen aber die löbliche Absicht dieser Hersteller nach Korrektheit.
• Referenzkapazität: Der mit einer optimalen Ladung maximal erreichte Kapazitätswert. Im Test wird die Referenzkapazität nach verlängerter Ladung in einem Referenzladegerät bestimmt und deshalb als Referenz-Kapazität bezeichnet. Sie ist leider meistens kleiner als die Nennkapazität.
• Vollkapazität: Diejenige Kapazität welche mit einem bestimmten Ladegerät erreicht wird mit Ladung bis das Ladegerät die Volladung anzeigt. Sie ist normalerweise kleiner als die Referenzkapazität.
• Topkapazität: Dijenige Kapazität welche mit einem bestimmten Ladegerät erreicht wird mit Ladung über die Vollanzeige hinaus, z.B. während total 24 Stunden. Die Topkapazität liegt normalerweise zwischen Voll- und Referenz_ Kapazität.
• Spannung: Bei der Entladung (oder dem Gebrauch) von NiMH Akkus sinkt die Spannung relativ rasch vom Anfangswert von ca 1.4 ab um während dem grössten Teil der Entladung zwischen 1.3 bis 1.2 V zu verbleiben. Danach sinkt sie kontinuierlich gegen 1.1 bis 1V ab und bricht anschliessend rasch zusammen.
  Leider gibt es immer noch gelegentlich Geräte deren Entwickler die Bezeichnung 1.5V Batterie (oder Akku) wörtlich nehmen und ihren Dienst schon um 1.3V pro Zelle einstellen. Diese können zwar mit Alkalibatterien noch einigermassen betrieben werden, mit NiMH-Akkus ist dies jedoch kaum mehr möglich.

Ladung

Die Ladung erfolgt normalerweise im zugehörigen Ladegerät mit welchem die Akkus als Set verkauft werden. Ausnahmen werden speziell erwähnt. Wie voll die Akkus geladen werden, hängt vom Ladegerät und der Ladezeit ab. Deshalb ist es notwendig, verschiedene Ladungsarten einzuführen:

• Volladung: Entladene (leere) Akkus werden solange geladen bis das Ladegerät das Ende der Ladung anzeigt und dann daraus entnommen (Bei individuellen Anzeigen erst wenn alle das Ladeende anzeigen).
• Topladung: Entladene Akkus werden über das Ladeende hinaus im Ladegerät belassen. Durch die dann meistens einsetzende Erhaltungsladung werden diese weiter aufgeladen. Die totale Ladezeit wird angegeben, typische Werte sind 6h, 12h, 24h. Im Test dauert die Topladung normalerweise 24 Stunden. Topladung bringt normalerweise mehr Kapazität als Volladung.
• Referenzladung: Ladung in Referenz-Ladegerät unabhängig vom Akkutyp. Die Referenzladung bringt normalerweise mehr oder gleichviel Kapazität wie die Topladung.
• Erhaltungsladung: Die meisten Ladegeräte gehen nach dem Ende der Vollladung zu einer Erhaltungsladung über. Diese dient zwei Zwecken:
  1. Erreichen der Topladung. Dies ist sinnvoll und notwendig wenn eine maximale Kapazität erreicht werden soll. Der Zeitbedarf dazu kann jedoch beträchtlich sein (bis zur 10-fachen Ladezeit und länger).
  2. Kompensation der Selbstentladung. Weder sinnvoll noch notwendig. Die Selbstentladung ist so gering, dass die Erhaltungsladung erst nach langer Zeit (Monat) wirksam würde. Ein Ladegerät länger als notwendig (maximal etwa 1 Tag) eingeschaltet zu lassen ist ein oekologischer Unsinn, da deren Leistungsverbrauch beträchtlich sein kann. Zudem sind die üblichen Erhaltungsströme nur zur Kompensation der Selbstentladung viel zu gross.
• Ladefaktor: Bei der Ladung muss dem Akku mehr Kapazität (Ladung) zugeführt werden als ihm bei der Entladung entnommen werden kann. Dieses Verhältnis bezeichnet man als Ladefaktor. Er beträgt bei NiMH Akkus ca 1.2 bis 1.4. Um eine Nennkapazität von 2500mAh zu erreichen müsste daher der Akku während 12 bis 14 Stunden mit einem Strom von 250mA geladen werden. Einfachste (und billigste) Ladegeräte (Langsamlader) sind normalerweise genau so ausgelegt, weshalb man diese auch als 12 bis 14 Stunden Lader bezeichnet.

  Somit herhält man als Formel zur Berechnung der Ladezeit:

  t = 1.2 x C / I [h, mAh, mA]

Entladung

Für alle Entladungen wird eine 5-stündige Entladung (bezogen auf Nennkapazität) mit Konstantstrom I=C/5h verwendet, abgekürzt IC/5. Während der gesamten Entladung wird jede Minute Strom, Spannung und Innenwiderstand für jeden Akku einzeln aufgezeichnet. Die Entladung wird individuell für jeden Akku beim Erreichen der Endspannung von 0.8V abgebrochen und die laufend berechnete entladene Kapaziät Registriert. Als Endspannung wird durchgehend 0.8V verwendet. Wurde der Akku vorausgehend nach einer der oben beschriebenen Arten geladen, wird der Messwert als, Voll- oder Referenz- oder Top- Kapazität bezeichnet.

Entladekennlinien

DieEntladestrom 600mA folgenden Kurven zeigen den Verlauf der Spannung von 1.5V AA Batterien und Akkus zum Vergleich, links unter kleiner Last (Entladestrom 120mA) und rechts unter grösserer Last (Entladestrom 600mA). Daraus ersiht man sehr schön die typischen Unterschiede zwischen Kohle-Zink-, Alkaline- und Lithium- Batterien sowie NiMH Akkus.

Wieviel Spannung haben 1.5V Batterien und Akkus?

Dumme Frage, natürlich 1.5V - oder doch nicht? Ja, wie so oft, ist es anders als man denkt! Dies zeigen die vorausgehenden Entladekurven. Die verschiedenen AA Zellen werden zwar der Einfachheit halber alle als 1.5V Zellen bezeichnet, vor allem auch, weil sie gegeneinander austauschbar gleichwertig verwendet werden können, - meistens, aber nicht immer.

• Kohle-Zink Batterien haben nur eine kleine Kapazität und sollten eigentlich gar nicht mehr verwendet werden.
• Alkaline Batterien haben eine mit Akkus vergleichbare Kapazität. Ihre Spannung sinkt über die gesamte Lebensdauer von ca 1.5V stetig bis zur Enspannung der Messung von 0.8V ab.
• NiMH Akkus haben eine vom Anfangswert con ca 1.4V rasch auf ca 1.25V absinkende Spannung, halten diesen Wert jedoch bis fast zum Ende der Entladung einigermassen konstant.
• 1.5V Lithium Batterien haben eine nur langsam von 1.5V absinkende Spannung. Sie bleibt während der ganzen Entladung deutlich über den anderen 3 Energiequellen. Deshalb und wegen der höheren Kapazität kommen sie der Idealen Batterie am nächsten.

Richtig entwickelte mit 1.5V Batterien oder Akkus betriebene Elektronik sollte ohne Probleme bis zu einer Spannung von 1.0V pro Zelle (oder noch weniger) funktionieren. Dies ist leider noch zu oft nicht der Fall. Dann kann ein Gerät schlimmstenfalls mit Akkus gar nicht betrieben werden und mit Alkalibatterien nur eine viel zu kurze Zeit. Die 1.5V Lithium Batterie ist dann der Retter in der Not, - aber wie meistens, ist die Rettung leider sehr teuer.