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Energieeffizienz & Energiespeicher
Der Energieverbrauch kann grundsätzlich in jedem Bereich mit Energieeffizienz stark gesenkt werden.
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Die Lade- und Entladeraten einer Batterie werden durch C-Raten bestimmt. Die Kapazität einer Batterie wird in der Regel mit 1C angegeben, was bedeutet, dass eine voll geladene Batterie mit einer Kapazität von 1Ah eine Stunde lang 1A liefert. Dieselbe Batterie, die mit 0,5 C entladen wird, sollte zwei Stunden lang 0,5 A liefern, und bei 2 C liefert sie 30 Minuten lang 2 A. Verluste bei schnellen Entladungen verringern die Entladezeit, und diese Verluste wirken sich auch auf die Ladezeiten aus.
Die C-Rate leitet sich vom Coulomb-Gesetz ab, das von dem französischen Physiker Charles Augustin de Coulomb entwickelt wurde. Die C-Rate ist das massgebliche Mass für die Stromstärke I, mit der eine Batterie geladen oder entladen wird.
Die jeweils ausgewiesene mAh-Zahl einer Batterie ist unter anderem die 1C-Zahl. Wenn eine Batterie mit 2000 mAh angegeben ist, dann ist ihre 1C-Bewertung 2000 mAh.
Zur Vereinfachung sollte der Akku eine Stunde lang 1C Strom liefern. In unserem obigen Beispiel wären das 2000 mAh oder 2 A Strom für eine Stunde. Das Gleiche gilt für eine Nennleistung von 0,5C. Auch hier würde der 2000-mAh-Akku zwei Stunden lang 1000 mAh oder 1 A Strom liefern.
Die Batteriekapazität und die Energiemenge, die eine Batterie speichern kann, kann mit einem Batterieanalysator gemessen werden. Das Messgerät entlädt die Batterie mit einem kalibrierten Strom und misst dabei die Zeit, bis die Entladeschlussspannung erreicht ist. Bei Li-Ionen beträgt die Spannung 3,0-4.2 V pro Zelle. Wenn eine 1Ah-Batterie eine Stunde lang 1A liefert, zeigt das Messgerät, der die Ergebnisse in Prozent der Nennleistung anzeigt, 100 Prozent an. Wenn die Entladung 30 Minuten dauert, bevor die Entladeschlussspannung erreicht wird, hat die Batterie eine Kapazität von 50 Prozent. Eine neue Batterie ist manchmal überbewertet und kann mehr als 100 Prozent Kapazität erzeugen; andere sind unterbewertet und erreichen nie 100 Prozent, auch nicht nach dem Entladen.
Beim Entladen einer Batterie mit einem Batterie-Messgerät, der verschiedene C-Raten anwenden kann, ergibt eine höhere C-Rate eine niedrigere Kapazitätsanzeige und umgekehrt. Wenn die 1 Ah-Batterie mit der schnelleren 2C-Rate, also 2A, entladen wird, sollte die Batterie im Idealfall in 30 Minuten die volle Kapazität liefern. Die Summe sollte gleich sein, da die gleiche Energiemenge in einer kürzeren Zeit abgegeben wird. In Wirklichkeit wird durch interne Verluste ein Teil der Energie in Wärme umgewandelt und die resultierende Kapazität auf etwa 95 Prozent oder weniger gesenkt. Wenn man dieselbe Batterie mit 0,5 C oder 500 mA über 2 Stunden entlädt, wird die Kapazität wahrscheinlich auf über 100 % ansteigen.
Um einen guten Kapazitätswert zu erhalten, bewerten die Hersteller Alkalibatterien und Bleibatterien üblicherweise mit sehr niedrigen 0,05C oder einer Entladung von 20 Stunden. Selbst bei dieser langsamen Entladerate erreichen Bleibatterien selten eine Kapazität von 100 Prozent, da sie überbewertet sind.
Kleinere Batterien werden mit einer Entladerate von 1 C angegeben. Aufgrund des trägen Verhaltens wird Blei-Säure mit 0,2C (5h) und 0,05C (20h) bewertet.
Während Blei-Batterien und Nickel-Batterien mit einer hohen Entladerate entladen werden können, verhindert die Schutzschaltung, dass die Lithium-Ionen-Energiezelle mit mehr als 1C entladen wird. Nickel-, Mangan- und/oder Phosphat-Aktivmaterial kann Entladeraten von bis zu 10C tolerieren, und die Stromschwelle ist entsprechend höher eingestellt. Es gibt auch Spezial-Batterien, die höhere C-Rate bis 30 C akzeptieren. Insbesondere Superkondensatoren (Supercaps) können rasant laden und entladen.
Wie lange dauert es bei einer bestimmten c-Rate eine leere Batterie vollzuladen?
Die benötigte Ladezeiten bei einer bestimmten C-rate sind:
c-Rate (Entladerate & Laderate) | Ladezeiten |
|---|---|
30 C | 2 Minuten |
10 C | 6 Minuten |
2 C | 30 Minuten |
1 C | 1 Stunde |
0.5 C oder C/2 | 2 Stunden |
0.1C oder C/10 | 10 Stunden |
0.05 C oder C/20 | 20 Stunden |
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