Da Batterien den Stromfluss in einem Stromkreis durch den Austausch von Elektronen in ionischen chemischen Reaktionen erzeugen und es eine begrenzte Anzahl von Molekülen in jeder geladenen Batterie gibt, die für die Reaktion zur Verfügung stehen, muss es eine begrenzte Menge an Gesamtladung geben, die jede Batterie durch einen Stromkreis motivieren kann, bevor ihre Energiereserven erschöpft sind. Batteriekapazität könnte in Bezug auf eine Gesamtzahl von Elektronen gemessen werden, aber das wäre eine riesige Zahl sein. Wir könnten die Einheit des Coulomb (gleich 6,25 x 1018 Elektronen, oder 6.250.000.000.000.000.000 Elektronen) verwenden, um die Mengen praktischer zu machen, mit zu arbeiten, aber stattdessen eine neue Einheit, die Ampere-Stunde, wurde für diesen Zweck gemacht. Da 1 Ampere tatsächlich eine Flussrate von 1 Coulomb Elektronen pro Sekunde ist, und es gibt 3600 Sekunden in einer Stunde, können wir ein direktes Verhältnis zwischen Coulomb und Ampere-Stunden angeben: 1 Amperestunde = 3600 Coulomb. Warum eine neue Einheit erfinden, wenn eine alte auch genügt hätte? Um Ihnen das Leben als Studenten und Techniker zu erschweren, natürlich!
Ampere-Stunden-Anwendung zur Messung der Batteriekapazität
Eine Batterie mit einer Kapazität von 1 Ampere-Stunde sollte in der Lage sein, kontinuierlich einen Strom von 1 Ampere für genau 1 Stunde an eine Last zu liefern, oder 2 Ampere für 1/2 Stunde, oder 1/3 Ampere für 3 Stunden, usw., bevor sie vollständig entladen ist. In einer idealen Batterie ist diese Beziehung zwischen Dauerstrom und Entladezeit stabil und absolut, aber reale Batterien verhalten sich nicht genau so, wie es diese einfache lineare Formel vermuten lassen würde. Daher wird bei der Angabe der Amperestunden-Kapazität für eine Batterie entweder ein bestimmter Strom und eine bestimmte Zeit angegeben oder es wird angenommen, dass sie für einen Zeitraum von 8 Stunden ausgelegt ist (wenn kein begrenzender Faktor angegeben ist).
Eine durchschnittliche Autobatterie hat beispielsweise eine Kapazität von etwa 70 Amperestunden, die bei einem Strom von 3,5 Ampere angegeben wird. Das bedeutet, dass die Zeit, in der diese Batterie kontinuierlich einen Strom von 3,5 Ampere an eine Last liefern könnte, 20 Stunden betragen würde (70 Amperestunden / 3,5 Ampere). Aber nehmen wir an, dass eine Last mit geringerem Widerstand an diese Batterie angeschlossen ist, die kontinuierlich 70 Ampere zieht. Unsere Amperestunden-Gleichung sagt uns, dass die Batterie genau 1 Stunde durchhalten sollte (70 Amperestunden / 70 Ampere), aber das ist im wirklichen Leben möglicherweise nicht der Fall. Bei höheren Strömen gibt die Batterie mehr Wärme über ihren Innenwiderstand ab, wodurch sich die chemischen Reaktionen im Inneren verändern. Die Chancen stehen gut, dass sich die Batterie unter dieser höheren Belastung einige Zeit vor der berechneten Zeit von 1 Stunde vollständig entladen würde.
Umgekehrt, wenn eine sehr leichte Last (1 mA) an die Batterie angeschlossen würde, würde unsere Gleichung besagen, dass die Batterie 70.000 Stunden oder knapp 8 Jahre lang Strom liefern sollte (70 Amperestunden / 1 Milliampere), aber die Chancen stehen gut, dass ein Großteil der chemischen Energie in einer realen Batterie aufgrund anderer Faktoren (Verdampfung des Elektrolyts, Verschlechterung der Elektroden, Leckstrom innerhalb der Batterie) schon lange vor Ablauf von 8 Jahren verbraucht wäre. Daher müssen wir das Ampere-Stunden-Verhältnis als idealen Näherungswert für die Batterielebensdauer ansehen, wobei die Ampere-Stunden-Angabe nur in der Nähe des vom Hersteller angegebenen Stroms oder der angegebenen Zeitspanne zuverlässig ist. Einige Hersteller geben Ampere-Stunden-Derating-Faktoren an, die eine Verringerung der Gesamtkapazität bei verschiedenen Stromstärken und/oder Temperaturen angeben.
Für Sekundärzellen bietet die Ampere-Stunden-Bewertung eine Regel für die erforderliche Ladezeit bei einem bestimmten Ladestrom. Zum Beispiel sollte die 70-Ampere-Stunden-Autobatterie im vorherigen Beispiel bei einem konstanten Ladestrom von 7 Ampere (70 Amperestunden / 7 Ampere) 10 Stunden zum Aufladen aus einem vollständig entladenen Zustand benötigen.
Hier sind ungefähre Amperestunden-Kapazitäten einiger gängiger Batterien angegeben:
- Typische Autobatterie: 70 Amperestunden @ 3,5 A (Sekundärzelle)
- D-Size-Kohle-Zink-Batterie: 4.5 Amperestunden @ 100 mA (Primärzelle)
- 9-Volt-Kohle-Zink-Batterie: 400 Milliamperestunden @ 8 mA (Primärzelle)
Wie prüft man den Zustand der Batterie – mit und ohne Last?
Wenn sich eine Batterie entlädt, verringert sich nicht nur ihr interner Energiespeicher, sondern auch ihr Innenwiderstand nimmt zu (da der Elektrolyt immer weniger leitfähig wird), und die Zellenspannung bei offenem Stromkreis nimmt ab (da die Chemikalien immer mehr verdünnt werden). Die trügerischste Veränderung, die eine sich entladende Batterie aufweist, ist der erhöhte Widerstand. Die beste Prüfung für den Zustand einer Batterie ist eine Spannungsmessung unter Last, während die Batterie einen beträchtlichen Strom durch einen Stromkreis liefert. Andernfalls kann eine einfache Spannungsmessung an den Klemmen fälschlicherweise eine gesunde Batterie (ausreichende Spannung) anzeigen, obwohl der Innenwiderstand erheblich gestiegen ist. Was ein „erheblicher Strom“ ist, wird durch die Konstruktionsparameter der Batterie bestimmt. Ein Voltmeter-Check, der eine zu niedrige Spannung anzeigt, würde natürlich auf eine entladene Batterie hinweisen:
Voll geladene Batterie:
Nun, wenn sich die Batterie ein wenig entlädt . .
. . und entlädt sich noch ein bisschen weiter …
. . und noch ein bisschen weiter, bis sie tot ist.
Beachten Sie, wie viel besser der wahre Zustand der Batterie aufgedeckt wird, wenn ihre Spannung unter Last geprüft wird, im Gegensatz zu ohne Last. Heißt das, dass es sinnlos ist, eine Batterie nur mit einem Voltmeter (ohne Last) zu prüfen? Nun, nein. Wenn ein einfaches Voltmeter bei einer 13,2-Volt-Batterie nur 7,5 Volt anzeigt, dann wissen Sie ohne Zweifel, dass sie tot ist. Wenn das Voltmeter jedoch 12,5 Volt anzeigt, kann die Batterie fast voll geladen oder etwas erschöpft sein – das kann man ohne einen Lasttest nicht sagen. Beachten Sie auch, dass der Widerstand, mit dem eine Batterie belastet wird, für die zu erwartende Verlustleistung ausgelegt sein muss. Für die Überprüfung großer Batterien, wie z.B. einer Blei-Säure-Batterie für Kraftfahrzeuge (12 Volt Nennspannung), kann dies einen Widerstand mit einer Nennleistung von mehreren hundert Watt bedeuten.
ÜBERSICHT:
- Die Amperestunde ist eine Einheit der Batterie-Energiekapazität, gleich der Menge an Dauerstrom multipliziert mit der Entladezeit, die eine Batterie liefern kann, bevor ihr interner Speicher an chemischer Energie erschöpft ist.
- Eine Ampere-Stunden-Angabe für eine Batterie ist nur ein Näherungswert für die Ladekapazität der Batterie und sollte nur bei der vom Hersteller angegebenen Stromstärke oder Entladezeit als zuverlässig angesehen werden. Eine solche Angabe kann für sehr hohe Ströme oder sehr lange Zeiten nicht mit Genauigkeit extrapoliert werden.
- Entladene Batterien verlieren an Spannung und erhöhen ihren Widerstand. Die beste Überprüfung für eine leere Batterie ist ein Spannungstest unter Last.
VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:
- Arbeitsblatt Batterien
- Arbeitsblatt Grundlegende Verwendung des Voltmeters