Stromquellen für Funkanwendungen Auswahlhilfe für Akkus und Batterien

Welcher passende Energiespeicher ist für die Anwendung auszuwählen.
Welcher Energiespeicher ist für eine Anwendung optimal?

Auf der Basis der Produktanforderungen und Anwendungsfälle können Entwickler von Wireless-IoT-Geräten ermitteln, welcher Energiespeicher sich optimal eignet. Die in diesem Beitrag vorgestellte Anleitung erleichtert es, die erforderliche Batterie beziehungsweise den passenden Akku-Typ auszuwählen.

Die Auswahl und Berücksichtigung von Batterien oder Akkus bei der Entwicklung funkbasierter Geräte für das Internet der Dinge (IoT) ist oft kritisch und eine Herausforderung. Bei einem LoRaWAN-Funksensor sind z.B. die Aspekte Formfaktor, Kapazität, Spitzenstrom, Selbstentladung, Produktlebensdauer, Kosten etc. zu berücksichtigen. Alle diese Faktoren werden von den Produktanforderungen und Anwendungsszenarien beeinflusst.

Einer der ersten Schritte bei der Auswahl eines elektrochemischen Energiespeichers besteht darin, die Mindestanfor­derungen und Anwendungsszenarien zu ermitteln. Es folgt eine exemplarische Liste von Produkt- und Anwendungs-Anforderungen, die sich direkt auf die Berücksichtigung der Parameter des Energiespeichers auswirken:

  • Physikalische Abmessungen – verfügbarer Platz innerhalb des Geräts.
  • Elektrische Parameter – Versorgungsspannungsbereich, Spitzenstromaufnahme.
  • Betriebsprofil – Häufigkeit und Dauer von Sende-, Empfangs-, Mess- und Bereitschafts-Betrieb.
  • Lebenserwartung – Haltbarkeit und Lebensdauer.
  • Umgebung – Lagerung und Betriebs­temperaturen, Feuchtigkeit und Luftfeuchtigkeit.
  • Weitere Überlegungen – Kosten, wiederaufladbar, Einwegprodukt.

Wichtige Parameter eines elektrochemischen Energiespeichers

Der nächste Schritt ist, alle wichtigen Parameter zu verstehen und sie dann auf die Produktanforderungen und Anwendungsfälle anzuwenden.

Chemie

Der Großteil der Primär- und Sekun­därzellen besteht aus zwei Elektroden und einemElektrolyten. Die Kombination der für die Herstellung dieser Komponenten verwendeten Materialien bestimmt die chemische Zusammensetzung der Zelle. Die chemische Zusammensetzung ist ein wichtiger Parameter, da sie Eigenschaften wie Spannung, Laststrom, Kapazität, Betriebstemperatur, Selbstentladung usw. definiert.

Primärzellen – nicht wiederaufladbar

Nicht wiederaufladbare Zellen werden als Primärzellen bezeichnet. Sie be­stehen aus elektrochemischen Zellen, die eine chemische Reaktion erzeugen, die nicht reversibel ist. Daher können diese Zellen nicht aufgeladen werden und müssen ersetzt werden, wenn ihre Ladung aufgebraucht ist.

Primärzellen bieten eine hohe spezifische Energie, und die Geräte, in denen sie verwendet werden, sind so ausgelegt, dass sie wenig Strom brauchen, sodass die Zelle so lange wie möglich hält.

Die beliebtesten Arten für Primärzellen sind: Lithium, Alkali und Zink-Kohle. Diese Gruppe bietet eine hohe spezifische Energie und ist umweltfreundlich und nachhaltig. Der niedrige Laststrom in diesen Zellen beschränkt ihre Anwendung auf Geräte mit geringem Strombedarf, wie Fernbedienungen, Rauchmelder, Haushaltsgeräte und tragbare Unterhaltungsgeräte.

Sekundärzellen – wiederaufladbar

Wiederaufladbare Zellen (Akkus) werden auch als Sekundärzellen bezeichnet, da sie nach dem Abgeben der Energie wieder aufgeladen werden können. Es können elektrochemische Reaktionen umgekehrt werden – durch Anlegen einer bestimmten Spannung an die Zelle in entgegengesetzter Richtung.

Akkus sind die Standardstromquelle heutiger mobiler Geräte, insbesondere für Digitalkameras, Laptops, Notebooks, Tablet-PCs und Mobiltelefone. Die Umweltvorteile wiederaufladbarer Zellen sind wichtig: Aufgrund ihrer Wiederverwendung verringert ihr Einsatz die Menge potenziell gefährlicher Chemikalien, die in unsere Umwelt gelangen können, erheblich. Obwohl die Anschaffungskosten für Akkus höher sind als für Batterien mit Primärzellen, sind sie auf lange Sicht wirtschaftlicher.

Sekundärzellen werden aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung in verschiedene Typen eingeteilt. Auch hier bestimmt die chemische Zusammensetzung einige der Eigenschaften des Akkus, u.a. die spezifische Energie, Lebensdauer, Haltbarkeit und den Preis. Die beliebtesten Akkuarten sind: Lithium-Ionen (Li-Ionen), Nickel-Cadmium (NiCd), Nickel-Metallhydrid (NiMH) und Blei-Säure.

Superkondensatoren

Der Superkondensator, auch Ultrakondensator genannt, unterscheidet sich von einer normalen elektrochemischen Zelle. Superkondensatoren laden sich in Sekundenschnelle auf – mit sehr geringen Kapazitätsverlusten. Darüber hinaus halten sie praktisch einer unbegrenzten Anzahl von Ladezyklen stand. Superkondensatoren kommen dann zum Einsatz, wenn plötzliche Energiespitzen auftreten oder Energie schnell bereitgestellt werden muss (Burst).

Eine gängige Technik, um hohe Spitzenströme zu handhaben, ist der Einsatz eines Superkondensators zum Entlasten einer Batterie aus Primär- oder Sekundärzellen. Während der Phasen mit hohem Laststrom fungiert der Superkondensator als primäre Stromquelle – in den Phasen mit niedrigem Laststrom fungiert der Akku als primäre Energiequelle und lädt zugleich den Kondensator auf.

Superkondensatoren sind ideal, wenn ein schnelles Aufladen erforderlich ist, um einen kurzfristigen Energiebedarf und keinen langfristigen Strombedarf zu decken. Die Kombination dieser beiden Eigenschaften zu einer Hybridbatterie erfüllt beide Anforderungen und reduziert die Batteriebelastung, was sich in einer längeren Lebensdauer widerspiegelt.

Kapazität und Entladeeigenschaften

Die Kapazität einer Zelle oder einer Batterie wird in Amperestunden (Ah) gemessen und angegeben. Amperestunden sind der Entladestrom, den eine Zelle/Batterie (ein Akku) im Laufe der Zeit liefern kann.

Alle Batterien werden durch einen Prozess namens „Selbstentladung“ beeinflusst. Der Grad der Selbstentladung hängt stark von der Technik und den in der Zelle verwendeten Chemikalien ab.

Akkus werden oft mit einer Entladerate in Form von C angegeben, wobei C die Kapazität des Akkus dividiert durch die Stunden ist. So entspräche C bei einer 1200-mAh-Batterie einer Entladerate von 1,2 A über den Zeitraum von einer Stunde. C/2 für denselben Akku wäre 600 mA und C/10 würde 120 mA betragen.

Spitzenlaststrom

Dies ist der maximale Strom, bei dem eine Batterie aus Primär- oder Sekun­därzellen kontinuierlich entladen werden könnte. Diese Grenze wird vom Batteriehersteller festgelegt, um übermäßige Entladeraten zu vermeiden, die die Zellen beschädigen oder deren Kapazität verringern würden. Im praktischen Betrieb variiert die Batteriespannung abhängig vom Entladestrom (Last). Bild 1 beschreibt, wie die Zellenspannung und Kapazität abnehmen, wenn der Entladestrom zunimmt.

Bei einer 5-Ah-Batterie beträgt die Kapazität (C) beispielsweise 5 Ah bei einer Entladerate von einer Stunde. Hat die Batterie eine maximale Entladerate von 5C, beträgt der Spitzenlaststrom 25 A. Zu bedenken ist, dass eine Erhöhung der Entladerate auf 5C die Nutzungsdauer bis zum vollständigen Entladen entsprechend verkürzt und zwar auf 1/5 h.

Zellenspannung

Die Zellenspannung variiert mit der gewählten chemischen Zusammensetzung. Je nach Anwendung kann die Wahl der richtigen Batterie mit der richtigen Zellenspannung die Effizienz und Komplexität der Leistungselektronik-Schaltkreise im Gerät beeinflussen.

Batterien sind mit einer Nennspannung gekennzeichnet – jedoch kann die Leerlaufspannung (OCV, Open Circuit Voltage) eines vollständig gela­denen Akkus um 5 bis 7 % höher sein. Bild 2 zeigt ein Beispiel für die Zellenspannung und Entladekapazität unterschiedlicher elektrochemischer Zellen.

Temperatur

IoT-Funksensoren können in rauen Umgebungen Verwendung finden, und die Zuverlässigkeit unter solchen Bedingungen ist ein Hauptanliegen. Die Lade- und Entladetemperatur der Energiespeicherzellen ist dabei sehr wichtig.

Bei hohen Temperaturen steigt z.B. die Selbstentladungsrate stark an. Zink-Kohle- und Alkalibatterien werden für den Betrieb unter 0 °C nor­malerweise nicht empfohlen. Lithium-Primärzellen können bis zu –40 °C  betrieben werden – jedoch mit deutlich verminderter Leistungsfähigkeit, siehe Bild 3.

In wiederaufladbaren Anwendungen können Lithium-Ionen-Akkus nur innerhalb eines engen Bereichs von etwa 20 bis 45 °C mit maximalem Ladestrom geladen werden. Außerhalb dieses Fensters müssen niedrigere Ströme und Spannungen verwendet werden, was zu einer längeren Ladezeit führt.

Haltbarkeit

Die meisten elektrochemischen Zellen, insbesondere solche mit wässrigem Elektrolyt, entladen sich bei offenem Stromkreis langsam selbst. Wie schnell dies geschieht, hängt vom chemischen Aufbau der Zelle und insbesondere der Lagertemperatur ab. Die Selbstentladungsrate steigt mit der Temperatur.

  Die Haltbarkeit ist bei Primärzellen wichtiger als bei Sekundärzellen, da letztere vor dem Gebrauch immer wieder aufgeladen werden können. Moderne Primärzellen auf Alkalibasis haben bei 20 °C eine für die meisten Zwecke ausreichende Haltbarkeit von mehreren Jahren, obwohl die Lagerung bei hohen Umgebungstemperaturen ihre Leistung beeinträchtigen kann.