Allgemein
Batterie oder Akkumulator? Beide Begriffe werden verwendet und lassen sich unterschiedlich erklären.
Der Begriff „Batterie“ bezeichnet ursprünglich eine Zusammenschaltung (zumeist die Reihenschaltung) mehrerer als Energiequelle genutzter galvanischer Zellen (Primärzellen), jedoch ist es in der Alltagssprache üblich geworden, auch eine einzelne Zelle so zu bezeichnen.
Ein Akkumulator (auch: Akku, veraltet: Sammler) ist ein Speicher für elektrische Energie, meist auf Basis eines elektrochemischen Systems. Der Begriff bezeichnet eine wiederaufladbare Sekundärzelle.
Mehrere Akkumulatoren können zur Erhöhung der Gesamtspannung in Reihe (zu einer Batterie) geschaltet werden.
Folglich müsste eine KFZ-Batterie eigentlich „Akkumulatorenbatterie“ heissen.
Will man technische Details vergleichen stösst man schnell auf jede Menge Abkürzungen.
Teilweise, so unterstelle ich, SOLLEN sie verwirren oder schnelle Leser "geschönt" informieren
Begriffe:
DOD = Depth of Discarge. Maximale Entladung. Das Mass dafür ist bei normalen Bleiakkus eine Spannung von 1,74 V / Zelle bei ca 0,5°C (33°F). Alle Franken verstehen das auch ohne Erklärung (fränkisch: dod = hochdeutsch: tot :-) )
SOC = State of Charge. Der Ladezustand (in % der Nennkapazität).
OCV = Open Circuit Voltage. Die Spannung ohne Last (Akku nicht angeschlossen).
CCA = Cold Cranking Amperes.
Wie hoch darf der Strom bei einer Entnahmedauer von 30 Sekunden sein bis die Zellenspannung bei 0°F (-17,8°C) auf 1,2V absackt.
CA = Cranking Amperes.
Wie hoch darf der Strom bei einer Entnahmedauer von 30 Sekunden sein bis die Zellenspannung bei 30°F (0°C) auf 1,2V absackt.
MCA = Marine Cranking Amperes.
Wie hoch darf der Strom bei einer Entnahmedauer von 30 Sekunden sein bis die Zellenspannung bei 32°F (0°C) auf 1,2V absackt.
HCA = Hot Cranking Amperes.
Wie hoch darf der Strom bei einer Entnahmedauer von 30 Sekunden sein bis die Zellenspannung bei 80°F (26,7°C) auf 1,2V absackt.
Wenn nicht definitiv etwas anderes dabeisteht, wird ein Hersteller diesen (besser aussehenden) Wert angeben
RC = Reserve Capacity.
Wie lange dauert es bei einer Stromentnahme von 25A bis die Zellenspannung bei 80°F (26,7°C) auf 1,2V absackt.
Nennkapazität
Definiert als diejenige Energiemenge die entnommen wurde wenn die Batterie innerhalb von 10 h (Std) mit konstantem Strom soweit entladen wurde, dass die Spannung nur noch 1,67 Volt pro Zelle beträgt (weit entfernt von DOD!).
Beispiel: Einer voll geladenen 12V / 16 Ah Batterie muss man 10 h lang konstant 1,6 A (das ist „C(10)“) entnehmen können. Die "Restspannung" muss dann noch 10,02 V betragen (sorry, so ist die Norm :-) ).
Dann gibt es die gleiche Aussage noch mal, nur werden hier 20 h Entnahmedauer vorausgesetzt. Das ist, logisch C(20). Rechnerisch wären das im genannten Beispiel 0,8A.
Praktisch ist es anders. Halbiert man den Entnahmestrom, kann man (etwas) mehr als doppelt so lang entnehmen bis diese "Restspannung" erreicht ist.
Doch was wäre eine Norm ohne den "normalen Irrsinn" einer weiteren:
Kapazität (Gesamtkapazität)einer Batterie ist diejenige Energiemenge die entnommen werden kann bis der DOD erreicht ist. Eine Temperaturangabe habe ich dazu nicht gefunden, also kann man "mehr als 3 Grad" annehmen.
Abschätzung:
Bei einem 3 Sekunden (das ist "ewig" lang!!) andauernden Anlassvorgang verbraucht der Anlasser einer 4-V BMW (12V / 1,1KW) rechnerisch 3[s] x 1100 [VA] / 12 [V] = 275 As. Das hiesse im Umkehrschluss, dass man mit einer voll geladenen 18Ah (=64800As) Batterie 235 Startvorgänge durchführen oder über 700s „leiern“ könnte ohne dass sie geladen werden müsste.
Das widerspricht allen Erfahrungen.
Bei der obigen Rechnung fliesst ein rechnerischer Anlassstrom von ca. 92 A. Die Praxis zeigt, dass ab ca. 140A die ABS Überwachung meckert. Folglich muss auch ein solcher Strom fliessen. Sackt beim Anlassen die Spannung ab (je älter der Akku, desto weiter!), und der Anlasser möchte seine Leistung haben, dann muss eben der Strom steigen.
Folglich rechnen wir mal mit 130A. Das ergäbe einen Verbrauch von 390 As pro Anlassvorgang, somit noch immer 166 Versuche oder 500s „leiern“.
Kann auch nicht sein!
Des Rätsels Lösung liefert ein Herr W. Peukert (Physiker mit gleichnamigem Gesetz) der 1897(!) erkannte dass die Kapazität eines Bleiakkus sinkt je mehr Strom man pro Zeiteinheit entnimmt und eine Batterie ihre Normkapazität nur bei einer 20 Stunden (oder länger) dauernden Entladung liefert.
t[s] = H[h] / (I[A]H[h]/C[Ah])^k 3600[s/h]
H...Nennentladungsdauer der Batterie, bei Bleiakkus also 20 Stunden.
I...Entladestrom, hier 130 A.
C...Kapazität der Batterie, hier 18 Ah.
k...Konstante, die mit dem Alter der Batterie zwischen 1,1 und 1,6 variieren kann.
1,1 ist ein phantastischer, 1,35 ist ein sehr (!) guter Wert.
Mit k=1,35 ergibt sich, dass ich einen Akku mit 18 Ah Kapazität mit einem Entladestrom von 130 A in 87 Sekunden entladen habe. Das heißt also rund 29 Versuche mit je 3 Sekunden.
Das klingt plausibel
Die mit steigendem Entladestrom, sinkende Kapazität ist in den Grafiken beim Punkt Temperatur deutlich abzulesen. Eine Batterie die bei 20 ° C und einem Entladestrom von 0,05CA 100% Kapazität hat, hat bei 2 CA nur noch 40%
Dazu passt auch die vom Entladestrom abhängige Entlade-Endspannung, der Messwert unmittelbar nach konstantem Entladen bis DOD
< 0.2 CA 1,75 Vpc
0,2 CA - 0,5 CA 1,70 Vpc
0,5 CA - 1,0 CA 1,60 Vpc
1,0 CA - 2,0 CA 1,50 Vpc
2,0 CA - 3,0 CA 1,35 Vpc
> 3.0 CA 1.00 Vpc
Lebensdauer:
Als Ende der Lebensdauer ist definiert, wenn die Batterie unter sonst gleichen Bedingungen nur noch 67% ihrer NENN-Kapazität hat. Das heisst in der Praxis nicht, dass eine Batterie mit 67% ihrer Kapazität (speziell im Sommer) nicht mehr in der Lage wäre ein Fahrzeug zu starten. Daher verrecken die Dinge "immer" im Winter, weil sie da aufgrund der niedrigeren Temperaturen ohnehin geschwächt sind und sich dann die Summe der Wirkungen zeigt.
Lebensdauer nach EUROBAT
Hier wird gerne suggeriert, dass die Batterie unter militärischen Bedingungen z.B. eine Lebensdauer von 12 Jahren hat. Es bedeutet aber nur, dass die Vorschriften gemäss EUROBAT 12 Jahre erfüllt sind. Beispielsweise könnten dies Bestimmungen sein die besagen, dass 12 Jahre lang keine Säure austreten darf oder man nach 12 Jahren einen Feind noch mit dem Ding erschlagen können muss.
Natürlich freuen sich alle Hersteller wenn diese Angabe mit "Gebrauchsfähigkeit" (service life), oder, noch besser, mit "Gebrauchsfähigkeit laut Nennangaben" (also z.B. ein 18Ah Akku nach 12 Jahren noch immer 18Ah Kapazität hätte) interpretiert wird.
Praktisch sagt der Wert aus, dass die Batterie im optimalen Floatbetrieb länger als 12 Jahren "lebt".
Unterschiedliche Einflüsse auf die Lebensdauer
Batterie Laden
Ladespannung
Bei Batterien wird die Spannung auch mal in [Vpc] angegeben. Das ist nichts weiter als eine Normierung. Die Angabe bezieht sich dann auf eine Zelle der Batterie [Volt per cell]. Ob da dann 3 Zellen zu einer 6V oder 6 Zellen zu einer 12Volt Batterie zusammengeschaltet sind braucht nicht berücksichtigt zu werden.
Generell mögen alle Bleibatterien (auch die Reinbleiausführungen!) bei einer Temperatur von 25°C mit etwa 2,25 V pro Zelle geladen (also 13,5V) werden. Gemessen wird die Temperatur der Batterie nicht die der Umgebung! Allen gemeinsam ist, dass sie gerne mit konstanter Spannung geladen werden.
Schnelladen
mit überhöhter Spannung haben die "Batterien“ eigentlich nicht so gern, aber man darf bei ihnen mit 2,40…2,50 V / Zelle(14,4..15 V) ran. (Quelle: FIAMM).
HAWKER gibt für’ s Schnelladen 2,38...2,45 V /Zelle (14,3…14,7 V) an, begrenzt den Stress auf 2 bis 24 Stunden (je nach Publikation) ohne Strombegrenzung, rät aber gleichzeitig auf diese Methode zu verzichten und lieber mit höheren Strömen schnell zu laden.
Detaillierter bei „Akku laden“ (LINK s.u.)
Ladestrom
Dieser wird häufig in CA anstatt A angegeben weil man da verallgemeinern kann. Will man eine Batterie mit einem Strom laden der 10% des Wertes ihrer Nennkapazität entspricht, dann sind das bei einer 16Ah Batterie 1,6A, bei einer 28 Ah Batterie aber 2,8A. Um sich die dauernde Erklärung mit den von der Batteriekapazitäten abhängigen Strömen zu sparen wird das einfach mit 0,1CA angegeben („normiert“).
"Normale" Blei-Säure, egal ob flüssig, Gel oder AGM möchten zusätzlich den Ladestrom auf angeblich 5% des Werts ihrer Nennkapazität begrenzt haben (=0,05CA; Quelle: FIAMM. FIAMM gibt aber (an anderer Stelle) auch 0,25CA an.
Für Reinbleibatterien ist diese Begrenzung nicht notwendig.
Im Fahrzeug wird diese Regel ohnehin nie eingehalten.
Detaillierter bei „Akku laden“ (LINK s.u.)
Ladekurve
Bleiakkus müssen nicht nach bestimmten SOLL-Ladekurven geladen werden. Allerdings lassen sich aufgrund von Strombegrenzung und Ladezustand IST-Kurven ermitteln.
Detaillierter bei „Akku laden“ (LINK s.u.)
Die Ladezyklen:
Ein Ladezyklus ist von einem Laden über eine Entladung bis zum nächsten Laden. Im automotive Fall also jeweils von Startvorgang zu Startvorgang! Man geht für die Betrachtung von Batterien aus die ständig mit 80 % ihrer Nennkapazität genutzt werden (also DOD NICHT annähernd erreichen!!) und betrachtet deren Lebensdauer mit Faktor 1.
Batterien die nur zu 50% entladen werden halten dreimal so viele Zyklen aus, diejenigen die nur zu 20% entladen werden die 15-fache Zyklenanzahl.
Ausgehend von der FIAMM Angabe von 225 Zyklen bei 80% DOD und 30- facher Lebensdauer bei 1% DOD und dem Wissen von H. Peukert, dass ein Startvorgang ca. 4% (s.o.), heisst das eine Batterie hält vielleicht 225 x 20 Anlassvorgänge aus. Das wären in 3 Jahren bei einer angenommenen Nutzung von 200Tagen /Jahr am Tag 7,5 Anlassvorgänge. Stimmt nicht? Macht niemand? Rechnet doch mal ehrlich nach. Raus aus der Tiefgarage, tanken eine Rauchen, mal kurz die Landschaft ansehen, Essen, Kaffeetrinken, noch eine rauchen etc. Dazu vielleicht noch eine Nachtfahrt in der Stadt mit Christbaum, Heizgriffen etc. in der Kolonne wobei der Motor kaum über Leerlaufdrehzahl kommt.
Also brauchen sich die Eisdielenfahrer nicht zu wundern.
Dazu kommen noch andere Einflüsse da diese Schätzung ja bei 25 Grad erfolgt. Temperatur (Batterie gut gekocht in Motornähe? Oder Start bei Null Grad?), die Ladebedingungen und der Pflegezustand.
Die Anzahl der Ladezyklen erhöht sich gewaltig (nicht linear) wenn nicht auf 80% Entnahme sondern z.B. auf 2% bezogen wird.
Von den Herstellern zwar vollkommen korrekt dargestellt werden, aber in der Praxis nur schwer zu beeinflussen.
Die Temperatur
Als Temperatur gilt generell die Temperatur der Batterie, nicht diejenige der Umgebung!
Logisch ist, dass eine Batterie bei „irgendeiner“ Temperatur eingefrieren wird. Interessant zu wissen, dass dies stark vom Ladezustand abhängig ist.
Je höher die Temperatur ist, desto kürzer hält das Teil. OK, ist eben so. Bei Wärme wird nun mal die Chemie angeregt irgendwas zu tun und nicht nur still zu halten. Doch wer stellt sein Mopped schon absichtlich in den Ofen :-)?
-40…-19°C >> verminderte Leistung (Quelle: HAWKER)
+20…+25°C >> optimale Eigenschaften
+26…+50°C >> verkürzte Lebensdauer 50%/10°C
+51…+80°C >> Spezielles Zusatz-Gehäuse notwendig
Styropormäntelchen für Batterien sind in meinen Augen Unsinn. Nach einer kalten Nacht ist die Batterie dennoch ausgekühlt und wenn der Motor dann läuft verhindert der Mantel, dass das Ding warm wird!
Selbstentladung
Werden Batterien nicht geladen so verlieren sie mit der Zeit Energie.
Je höher die Temperatur umso höher die Selbstentladung (Quelle: FIAMM)
Grössenordnung bei "normalen" Bleibatterien, egal welcher Bauart: 0,06% bei 10°C, 2% bei 60°C.
Klingt kompliziert weil auch zu beachten ist, dass die Kapazität einer Batterie mit abnehmender Temperatur sinkt, ist aber wie beim Menschen: Batterien mögen weder frieren noch schwitzen.
Entladen
Bezeichnet jegliche Kapazitätsentnahme. Eine Zelle ist als entladen definiert wenn (nur) 80% der Nennkapazität entnommen wurde. Vpc liegt dann bei 1,95 V (12V Batterie: 11,7 V)
Tiefentladung
Tiefentladung bedeutet Entladung bis DOD! Die Nennkapazität wurde bereits weit „vorher“ entnommen.
Entladen „bis sich nix mehr rührt“ (das Licht den Winter über angelassen) bedeutet in der Regel Batterieexitus.
Einen diesbezüglichen DIN Test gibt es dennoch.
Zum Thema Sulfatierung gibt es einen eigenen Beitrag.
Ausgasen
Beim normalen Laden / Entladen entstehen durch den chemischen Prozess Gase die teilweise entweichen bevor der Prozess beendet ist.
Bei unsachgemässem Laden mit zu hoher Spannung (LINK: „Akku laden“)) kann zudem Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespaltet werden (Elektrolyse). Die Gase entweichen, da die Diffusionsrate zur jeweils anderen Elektrode viel zu klein ist (die Batterie "gast"); deshalb muss von Zeit zu Zeit destilliertes Wasser nachgefüllt werden.
Bei "wartungsfreien" Akkus (=VRLA; Valve-Regulated-Lead-Acid = Gel- und AGM) ist der Elektrolyt „festgelegt“. Die entstehenden Gase können schlecht entweichen und "rekombinieren" grösstenteils wieder zu Wasser.
HAWKER gibt den Verlust so an:
Gewichtsverlust 65,6 Gramm bei konstanter Ladespannung 2,30Vpc (das ist im FLOATbetrieb) und einer
Testdauer von 180 Tage bei Zelltemperatur 60°C [140°F], oder einer
Testdauer von 2880 Tage bei Zelltemperatur 25°C [77°F].
Für HAWKER-KFZ-Batterien wird angegeben: Ab 15V öffnet das VLRA-Ventil. Ab diesem Zeitpunkt kann Gas (H, O2; Wasserdampf) entweichen. Manche LiMa /Ladegeräte schaffen das!
Vibrationen
Geschüttelt werden wollen sie alle nicht. Je nach Bauart und Hersteller sind sie unterschiedlich empfindlich. Dagegen GESCHÜTZT ist keine, oder wurde schon mal jemand von seiner Batterie am Schütteln gehindert?
Wenn möglich fahre auch ich nicht dauernd auf den Schwellen einer Bahnlinie.
Allerdings halten es Batterien konstruktionsabhängig mehr oder weniger gut aus
Links
Akku: Eigenschaften der Reinblei-Akkus
Akku: Kenn- und Leistungsdaten
Akku: Unterschied zwischen HAWKER Genesis und HAWKER Odyssey
Akku: laden
Akku: Vergleich von Normal-, Gel-, AGM- und Reinblei
Akku: Ladegerät mit/ohne Kennlinie
Akku: Testberichte