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Kapazität galvanische Zelle Die Kapazität einer Batterie oder eines Akkumulators nachfolgend zusammengefasst nur als Bat

Kapazität (galvanische Zelle)

Die Kapazität einer Batterie oder eines Akkumulators – nachfolgend zusammengefasst nur als „Batterie“ bezeichnet – gibt die Menge an elektrischer Ladung an, die eine Batterie nach der Herstellerangabe liefern bzw. speichern kann. Sie wird angegeben:

oder

  • als Reservekapazität Cr,n in Minuten (min); dann handelt es sich genau genommen um den Kehrwert des C-Faktors, s. u.

Die Kapazität einer Batterie im oben genannten Sinn darf dabei nicht mit der elektrischen Kapazität eines Kondensators (auch Batterien haben eine elektrische Kapazität) verwechselt werden, die in Amperesekunden pro Volt (As/V) bzw. der Einheit Farad (F) angegeben wird.

Allgemeines Bearbeiten

Die entnehmbare Kapazität einer Batterie hängt vom Entladeverlauf ab, also vom Entladestrom, von der Entladeschlussspannung (der Spannung, bei der die Entladung beendet wird) und vom Entladungsgrad. Es ergeben sich verschiedene Entladungsarten:

  • Entladung mit konstantem Strom
  • Entladung über konstanten Widerstand
  • Entladung mit konstanter Leistung
  • u. v. a. m.

Je nach Entladeverlauf besitzt der Akkumulator eine andere Kapazität. In einer aussagekräftigen Angabe der Nennkapazität müssen daher sowohl der Entladestrom als auch die Entladeschlussspannung angegeben werden.

Generell nimmt die entnehmbare Kapazität einer Batterie mit zunehmendem Entladestrom ab. Dieser Effekt wird durch die Peukert-Gleichung beschrieben. Verantwortlich hierfür ist unter anderem der mit steigendem Strom zunehmende Spannungsabfall am Innenwiderstand der Batterie, der die Ausgangsspannung entsprechend absinken lässt, so dass die Entladeschlussspannung früher erreicht wird. Neben dem Innenwiderstand ist auch die begrenzte Geschwindigkeit der elektrochemischen Prozesse und Ladungstransportvorgänge in der Batterie für ihre sinkende Kapazität bei erhöhtem Entladestrom verantwortlich.

Wird nach einer anfänglichen Schnellentladung die Stromentnahme aber auf das Niveau einer Normalentladung reduziert, kann praktisch dieselbe Strommenge entnommen werden wie bei einer Normalentladung von Anfang an. Bei Akkumulatoren kann ein solcher Betrieb, bei dem mit nachlassender Akkuladung auch die Stromentnahme reduziert wird, aber nur in wenigen Fällen realisiert werden.

Um die Brauchbarkeitsdauer von Akkumulatoren zu beziffern, werden beim Aufladen z. T. typspezifische Ladeverfahren verwendet. Der Ladevorgang selbst wird durch einen Laderegler gesteuert.

Die Art der Zusammenschaltung mehrerer Batterien hat Einfluss auf die maximal entnehmbare Ladungsmenge (Kapazität) und die zur Verfügung stehende elektrische Spannung: so addieren sich bei der Reihenschaltung die Spannungen der einzelnen Batterien, hingegen bei der Parallelschaltung die Ladungsmengen.

Abnahme während der Nutzung Bearbeiten

Bei Akkumulatoren nimmt die Kapazität mit der Zeit auch bei sachgemäßer Nutzung aufgrund von chemischen Reaktionen (Alterung) ab. Dies wird auch als Degradation bezeichnet.

Zum einen kommt es durch die Lade- und Entladevorgänge an den Elektroden zu (nur teilweise reversiblen) elektrochemischen Vorgängen, die eine vollständige Aufladung oder Entladung behindern:

Zum anderen stellen Nutzung und Lebensdauer meist gegensätzliche Anforderungen. Während die Belastbarkeit bei höheren Temperaturen durch die bessere Elektronenbeweglichkeit zunimmt, führt dies durch die höhere Reaktionsfähigkeit der Elektrodenmaterialien auch zu abnehmender Lebensdauer und Kapazität.

Entsprechend dem Wear Level, der Abnutzung des Akkumulators, sinkt im Verlauf der Nutzung die Ladekapazität und damit auch die Energiedichte. Die Lebensdauer von Akkumulatoren gibt die Anzahl von Lade-Entlade-Zyklen an, nach der der Akkumulator nur noch eine bestimmte Ladekapazität hat (im Allgemeinen 80 % der Nennkapazität). Die Normen DIN 43539 Teil 5 und IEC 896 Teil 2 geben dazu verschiedene Verfahren und Richtwerte an.

Als Indiz für die verbleibende Qualität eines Akkumulators kann die Leerlaufspannung dienen, die bei einem vollständig geladenen Akkumulator im Laufe der Lebensdauer ebenfalls sinkt.

C-Faktor Bearbeiten

Allgemeine Beschreibung Bearbeiten

Der C-Faktor, in der deutschsprachigen Literatur teilweise auch K-Faktor genannt, (englisch C factor) bestimmt die Bemessungskapazität eines Akkumulators (auch Akku oder wiederaufladbare Batterie). Darunter versteht man die entnehmbare Elektrizitätsmenge beziehungsweise die elektrische Ladung des Akkumulators in Amperestunden (Ah). Die Bemessungskapazität Cn wird mit der Dauer des Entladestromes IE angegeben, z. B. als C3, C5, C10, C20. Die Bemessungskapazität C3 gibt die Akkumulatorkapazität in Amperestunden (Ah) bei 3-stündigem Entladestrom an. C5 bei 5-stündigem, C10 bei 10-stündigem Ladestrom usw.

Der C-Faktor ist das Produkt des Entladesstroms IE und der Entladeszeit tE.

Der C-Faktor ist in der Anwendung deshalb von praktischer Bedeutung, weil er darüber Auskunft gibt, wie lange und wie stark ein Akkumulator belastet werden kann, ohne dass es zu einer Tiefentladung kommt beziehungsweise ohne Unterschreitung der Entladeschlussspannung. Mit der bloßen Angabe der Amperestunden (Ah) ist das nicht vollständig möglich.

Beispiel

Ein 12V Akkumulator mit 12 Ah und einer Bemessungskapazität C20. kann für 20 Stunden mit einem Strom von 0,6 A beansprucht werden. Das ergibt sich aus:

Hersteller können in diesem Zusammenhang für ein und denselben Akkumulator verschiedene Besmessungkapazitäten angeben, z. B. C3 9Ah, C5 10Ah, C20 12Ah. Daraus lassen sich zwei Dinge erkennen: Zum einen sinkt die Belastungs- beziehungsweise Entladungszeit mit steigendem Entladestrom. Zum anderen sinkt auch die Akkukapazität in Amperestunden (Ah) an sich, wenn der Entladestrom zunimmt. Und zwar, weil bei höherem Stromverbrauch die internen Verluste im Akkumulator steigen. Dies zeigt sich vor allem an der stärkeren Erwärumg des Akkumulators.

Verwandte Faktoren

Vom C- beziehungsweise K-Faktor ist die Laderate C, auch C-Rate (englisch C rate), zu unterscheiden! Sie dient zur Berechnung des (zulässigen) Ladestroms. Moderne Ladegeräte erübrigen die Berechnung des Ladestroms. Der Ladestrom ist eng mit der Bemessungskapazität verschrankt. Die Laderate C hat die Einheit h−1. Werte größer 1 erlauben eine Ladung des Akkumulators unter einer Stunde; Werte kleiner 1 Ladevorgänge mit über einer Stunde Dauer. Teilweise wird auf Akkumulatoren der maximale Ladestrom mit z. B. 0,3C angegeben. In diesem Fall ist der errechnete Ladestrom auch der maximal zulässige Ladestrom Imax. Wird beispielsweise ein Akkumulator Cn = 1000 mAh und einer zulässigen Laderate von 0,1 C mit einer Normalladung von 10 Stunden aufgeladen, so ist ein Ladestrom von 100 mA notwendig und gleichzeitig auch maximal zulässig.

Ebenfalls vom C-Faktor ist der Ladefaktor eines Akkumulators zu unterscheiden, der das Verhältnis zwischen elektrischer Ladung beim Laden zu elektrischer Ladung beim Entladen angibt.

a ... Ladefaktor; IE … Entladestrom (A); IL … Ladestrom (A); tE … Entladezeit (h); tL … Ladezeit (h)

Der Ladungsnutzungsgrad ζ (Zeta) ist der Kehrwert des Ladefaktors und kann auch als Ladungswirkungsgrad verstanden werden.

Literatur Bearbeiten

  • David Linden (Hrsg.): Handbook of Batteries. 2. Auflage. McGraw-Hill, 2002, ISBN 978-0-07-135978-8.
  • Lucien F. Trueb, Paul Rüetschi: Batterien und Akkumulatoren. Springer, 1997, ISBN 978-3-540-62997-9.

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. DIN EN 60095-1 Blei-Starterbatterien – Teil 1: Allgemeine Anforderungen und Prüfungen (Jan 1995)
  2. Häberle Gregor, et all: Tabellenbuch Elektrotechnik. 30. neu bearbeitete und erweiterte Auflage. Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 2022, ISBN 978-3-8085-3076-4, S. 295.
  3. Häberle Gregor, et all: Tabellenbuch Elektrotechnik. 30. Auflage. 2022, ISBN 978-3-8085-3076-4, S. 295.
  4. Tkotz Klaus, et all: Fachkunde Elektrotechnik. 30., überarbeitete und erweiterte Auflage in der Ausgabe für Österreich. FS Fachbuch Verlag und Vertriebs-Gesellschaft m. b. H., Wien 2017, S. 67, Tabelle 1.
  5. RP-Technik GmbH: AGM Batterie 12V 12Ah. In: Onlinekatalog RP-Group. RP-Group, abgerufen am 12. Oktober 2023 (deutsch).
  6. RP-Technik GmbH: AMG-Batterie 12V 12Ah. In: Onlinekatalog RP-Group. RP-Group, abgerufen am 13. Oktober 2023.
  7. Tkotz Klaus, et all: Fachkunde Elektrotechnik. 30. Auflage. 2017, S. 69.
  8. Häberle Gregor, et all: Tabellenbuch Elektrotechnik. 30. Auflage. 2022, ISBN 978-3-8085-3076-4, S. 295.
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Die Kapazitat einer Batterie oder eines Akkumulators nachfolgend zusammengefasst nur als Batterie bezeichnet gibt die Menge an elektrischer Ladung Q displaystyle Q an die eine Batterie nach der Herstellerangabe liefern bzw speichern kann Sie wird angegeben 1 als Nennkapazitat CN in Amperestunden Einheitenzeichen Ah bei einzelnen Zellen auch in Amperesekunden As oder Coulomb C 1 C entspricht 1 As oder als Reservekapazitat Cr n in Minuten min dann handelt es sich genau genommen um den Kehrwert des C Faktors s u Die Kapazitat einer Batterie im oben genannten Sinn darf dabei nicht mit der elektrischen Kapazitat eines Kondensators auch Batterien haben eine elektrische Kapazitat verwechselt werden die in Amperesekunden pro Volt As V bzw der Einheit Farad F angegeben wird Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines 2 Abnahme wahrend der Nutzung 3 C Faktor 3 1 Allgemeine Beschreibung 4 Literatur 5 EinzelnachweiseAllgemeines BearbeitenDie entnehmbare Kapazitat einer Batterie hangt vom Entladeverlauf ab also vom Entladestrom von der Entladeschlussspannung der Spannung bei der die Entladung beendet wird und vom Entladungsgrad Es ergeben sich verschiedene Entladungsarten Entladung mit konstantem Strom Entladung uber konstanten Widerstand Entladung mit konstanter Leistung u v a m Je nach Entladeverlauf besitzt der Akkumulator eine andere Kapazitat In einer aussagekraftigen Angabe der Nennkapazitat mussen daher sowohl der Entladestrom als auch die Entladeschlussspannung angegeben werden Generell nimmt die entnehmbare Kapazitat einer Batterie mit zunehmendem Entladestrom ab Dieser Effekt wird durch die Peukert Gleichung beschrieben Verantwortlich hierfur ist unter anderem der mit steigendem Strom zunehmende Spannungsabfall am Innenwiderstand der Batterie der die Ausgangsspannung entsprechend absinken lasst so dass die Entladeschlussspannung fruher erreicht wird Neben dem Innenwiderstand ist auch die begrenzte Geschwindigkeit der elektrochemischen Prozesse und Ladungstransportvorgange in der Batterie fur ihre sinkende Kapazitat bei erhohtem Entladestrom verantwortlich Wird nach einer anfanglichen Schnellentladung die Stromentnahme aber auf das Niveau einer Normalentladung reduziert kann praktisch dieselbe Strommenge entnommen werden wie bei einer Normalentladung von Anfang an Bei Akkumulatoren kann ein solcher Betrieb bei dem mit nachlassender Akkuladung auch die Stromentnahme reduziert wird aber nur in wenigen Fallen realisiert werden Um die Brauchbarkeitsdauer von Akkumulatoren zu beziffern werden beim Aufladen z T typspezifische Ladeverfahren verwendet Der Ladevorgang selbst wird durch einen Laderegler gesteuert Die Art der Zusammenschaltung mehrerer Batterien hat Einfluss auf die maximal entnehmbare Ladungsmenge Kapazitat und die zur Verfugung stehende elektrische Spannung so addieren sich bei der Reihenschaltung die Spannungen der einzelnen Batterien hingegen bei der Parallelschaltung die Ladungsmengen Abnahme wahrend der Nutzung BearbeitenBei Akkumulatoren nimmt die Kapazitat mit der Zeit auch bei sachgemasser Nutzung aufgrund von chemischen Reaktionen Alterung ab Dies wird auch als Degradation bezeichnet Zum einen kommt es durch die Lade und Entladevorgange an den Elektroden zu nur teilweise reversiblen elektrochemischen Vorgangen die eine vollstandige Aufladung oder Entladung behindern Bleitechnologie Sulfatierung Kristallbildung Nickeltechnologie Probleme wie Batterietragheitseffekt Lithiumchemie Elektrodenalterung durch unumkehrbare parasitare chemische Reaktionen kalendarische Lebensdauer Zum anderen stellen Nutzung und Lebensdauer meist gegensatzliche Anforderungen Wahrend die Belastbarkeit bei hoheren Temperaturen durch die bessere Elektronenbeweglichkeit zunimmt fuhrt dies durch die hohere Reaktionsfahigkeit der Elektrodenmaterialien auch zu abnehmender Lebensdauer und Kapazitat Entsprechend dem Wear Level der Abnutzung des Akkumulators sinkt im Verlauf der Nutzung die Ladekapazitat und damit auch die Energiedichte Die Lebensdauer von Akkumulatoren gibt die Anzahl von Lade Entlade Zyklen an nach der der Akkumulator nur noch eine bestimmte Ladekapazitat hat im Allgemeinen 80 der Nennkapazitat Die Normen DIN 43539 Teil 5 und IEC 896 Teil 2 geben dazu verschiedene Verfahren und Richtwerte an Als Indiz fur die verbleibende Qualitat eines Akkumulators kann die Leerlaufspannung dienen die bei einem vollstandig geladenen Akkumulator im Laufe der Lebensdauer ebenfalls sinkt C Faktor BearbeitenAllgemeine Beschreibung Bearbeiten Der C Faktor in der deutschsprachigen Literatur teilweise auch K Faktor genannt 2 englisch C factor bestimmt die Bemessungskapazitat eines Akkumulators auch Akku oder wiederaufladbare Batterie Darunter versteht man die entnehmbare Elektrizitatsmenge beziehungsweise die elektrische Ladung des Akkumulators in Amperestunden Ah Die Bemessungskapazitat Cn wird mit der Dauer des Entladestromes IE angegeben z B als C3 C5 C10 C20 Die Bemessungskapazitat C3 gibt die Akkumulatorkapazitat in Amperestunden Ah bei 3 stundigem Entladestrom an C5 bei 5 stundigem C10 bei 10 stundigem Ladestrom usw 3 Der C Faktor ist das Produkt des Entladesstroms IE und der Entladeszeit tE C n I E t E displaystyle C n I E times t E nbsp Der C Faktor ist in der Anwendung deshalb von praktischer Bedeutung weil er daruber Auskunft gibt wie lange und wie stark ein Akkumulator belastet werden kann ohne dass es zu einer Tiefentladung kommt beziehungsweise ohne Unterschreitung der Entladeschlussspannung 4 Mit der blossen Angabe der Amperestunden Ah ist das nicht vollstandig moglich BeispielEin 12V Akkumulator mit 12 Ah und einer Bemessungskapazitat C20 kann fur 20 Stunden mit einem Strom von 0 6 A beansprucht werden Das ergibt sich aus I E C n t E 12 A h 20 h 0 6 A displaystyle I E frac C n t E frac 12Ah 20h 0 6A nbsp Hersteller konnen in diesem Zusammenhang fur ein und denselben Akkumulator verschiedene Besmessungkapazitaten angeben z B C3 9Ah C5 10Ah C20 12Ah 5 Daraus lassen sich zwei Dinge erkennen Zum einen sinkt die Belastungs beziehungsweise Entladungszeit mit steigendem Entladestrom Zum anderen sinkt auch die Akkukapazitat in Amperestunden Ah an sich wenn der Entladestrom zunimmt Und zwar weil bei hoherem Stromverbrauch die internen Verluste im Akkumulator steigen Dies zeigt sich vor allem an der starkeren Erwarumg des Akkumulators Verwandte FaktorenVom C beziehungsweise K Faktor ist die Laderate C auch C Rate englisch C rate zu unterscheiden Sie dient zur Berechnung des zulassigen Ladestroms Moderne Ladegerate erubrigen die Berechnung des Ladestroms Der Ladestrom ist eng mit der Bemessungskapazitat verschrankt Die Laderate C hat die Einheit h 1 Werte grosser 1 erlauben eine Ladung des Akkumulators unter einer Stunde Werte kleiner 1 Ladevorgange mit uber einer Stunde Dauer Teilweise wird auf Akkumulatoren der maximale Ladestrom mit z B 0 3C angegeben 6 In diesem Fall ist der errechnete Ladestrom auch der maximal zulassige Ladestrom Imax Wird beispielsweise ein Akkumulator Cn 1000 mAh und einer zulassigen Laderate von 0 1 C mit einer Normalladung von 10 Stunden aufgeladen so ist ein Ladestrom von 100 mA notwendig und gleichzeitig auch maximal zulassig 7 I L I m a x C n C 1000 m A h 0 1 h 1 100 m A displaystyle I L I max C n times C 1000mAh times 0 1h 1 100mA nbsp Ebenfalls vom C Faktor ist der Ladefaktor eines Akkumulators zu unterscheiden der das Verhaltnis zwischen elektrischer Ladung beim Laden zu elektrischer Ladung beim Entladen angibt 8 a I L t L I E t E displaystyle a frac I L times t L I E times t E nbsp a Ladefaktor IE Entladestrom A IL Ladestrom A tE Entladezeit h tL Ladezeit h Der Ladungsnutzungsgrad z Zeta ist der Kehrwert des Ladefaktors und kann auch als Ladungswirkungsgrad verstanden werden z 1 a displaystyle zeta frac 1 a nbsp Literatur BearbeitenDavid Linden Hrsg Handbook of Batteries 2 Auflage McGraw Hill 2002 ISBN 978 0 07 135978 8 Lucien F Trueb Paul Ruetschi Batterien und Akkumulatoren Springer 1997 ISBN 978 3 540 62997 9 Einzelnachweise Bearbeiten DIN EN 60095 1 Blei Starterbatterien Teil 1 Allgemeine Anforderungen und Prufungen Jan 1995 Haberle Gregor et all Tabellenbuch Elektrotechnik 30 neu bearbeitete und erweiterte Auflage Europa Lehrmittel Haan Gruiten 2022 ISBN 978 3 8085 3076 4 S 295 Haberle Gregor et all Tabellenbuch Elektrotechnik 30 Auflage 2022 ISBN 978 3 8085 3076 4 S 295 Tkotz Klaus et all Fachkunde Elektrotechnik 30 uberarbeitete und erweiterte Auflage in der Ausgabe fur Osterreich FS Fachbuch Verlag und Vertriebs Gesellschaft m b H Wien 2017 S 67 Tabelle 1 RP Technik GmbH AGM Batterie 12V 12Ah In Onlinekatalog RP Group RP Group abgerufen am 12 Oktober 2023 deutsch RP Technik GmbH AMG Batterie 12V 12Ah In Onlinekatalog RP Group RP Group abgerufen am 13 Oktober 2023 Tkotz Klaus et all Fachkunde Elektrotechnik 30 Auflage 2017 S 69 Haberle Gregor et all Tabellenbuch Elektrotechnik 30 Auflage 2022 ISBN 978 3 8085 3076 4 S 295 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Kapazitat galvanische Zelle amp oldid 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