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Energieinhalt vs. erholter Spannung von Alkalibatterien: Grundlagen

Inhaltsverzeichnis

01. Einleitung
02. Wesentliche Ergebnisse im Überblick
03. Energieinhalt von Batterien
04. Nutzbarer Energieanteil
05. Ladezustand vs. Ruhespannung: Theorie
06. Ladezustand vs. Ruhespannung: Diagramme
07. Ladezustand vs. Ruhespannung: Tabellen
08. Spannungsverlauf vs. Zeit: Einleitung
09. Spannungsverlauf vs. Zeit: Alkali, 100 Ohm
10. Spannungsverlauf vs. Zeit: Alkali, 10 Ohm
11. Spannungsverlauf vs. Zeit: Zink, 100 Ohm
12. Spannungsverlauf vs. Zeit: Zink, 10 Ohm
13. Überblickseite über alle Einzeltests
14. Vergleichende Bewertung: Rangfolgen
15. Vergleichende Bewertung: Energieinhalte
16. Exemplarstreuungen: Beispiele

Es wäre wünschenswert, wenn man den Zustand einer Batterie mit einfachen messtechnischen Mitteln bestimmen könnte. Sofern man ein Gerät in Betrieb hat, lässt sich der Ladezustand der verwendeten Batterien leicht anhand der Betriebszeit abschätzen. Bei unbenutzten Batterien, deren Mindesthaltbarkeitsdatum nicht wesentlich überschritten ist, kann man davon ausgehen, dass sie voll sind.

Anders sieht es aus, wenn man die Gebrauchsgeschichte einer Batterie nicht kennt. Aber in diesen Fällen weiss man wiederum eines sicher: Sie haben sehr lange Zeit im unbelasteten Zustand verbracht.
Das folgende Bild zeigt beispielhaft den zeitlichen Verlauf der Batteriespannung, nachdem man die Last entfernt hat (hier Daimon, 10 Ohm Last):
 

Erholung der Batteriespannung

Die Batterie wurde über mehrere Stunden mit einem 10 Ohm Widerstand belastet. Dabei wurde die Batteriespannung immer niedriger, bis sie ca. 1,21V erreicht hatte. Dann wurde der Widerstand entfernt, und die Batterie begann sich zu erholen.
Man beachte die logarithmische Zeitachse. Ihr rechtes Ende bedeutet etwa 110 Jahre. Die Messung wurde nach etwa 2000 Stunden (knapp 3 Monate) abgebrochen (rechtes Ende der blauen Kurve). Der erwartete langzeitliche Verlauf wurde braun gestrichelt bis ca. 50 Jahre fortgeführt. Das ist natürlich unrealistisch, denn nach so langer Zeit würde die (inzwischen vollkommen unbrauchbar gewordene) Batterie vermutlich nur noch eine sehr niedrige Spannung abgeben. Die in den Tests verwendeten, weit jenseits ihres Verfallsdatums befindlichen Batterien untermauern diese Behauptung.

Die wesentliche Aussage des obigen Bildes ist jedoch:
Bereits nach wenigen Wochen (100 bis 1000 h) ändert sich die Batteriespannung selbst in Zeitabschnitten von Jahren kaum mehr.
Die Spannung einer längere Zeit unbenutzten Batterie ist also eine langzeitlich stabile Grösse.
Etwa 80 Erholungsmessungen an manchen im Test verwendeten Batterien bei unterschiedlichsten Ladezuständen
  1. belegen diese Aussage,
  2. zeigen eindeutig, dass die so gemessene (erholte) Spannung ein Mass für den Ladezustand ist.
Das folgende Bild zeigt die erholte Spannung einiger Alkalibatterien bei unterschiedlichen Anteilen bereits abgegebener Energie für die beiden Belastungsfälle 10 Ohm (Rot) und 100 Ohm (Blau). Um die Entladungszustände bei unterschiedlichen Batterien vergleichbar zu machen, wird der relative Entladungszustand in % betrachtet. Jeder Prozentwert bezieht sich immer auf die jeweils zugrunde gelegte Batterie. Z.B. bedeutet 10% abgegebene Energie, dass die betreffende Batterie noch zu 90% voll ist.

Zwar überlappen sich die beiden Datensätze (10 Ohm und 100 Ohm), dennoch fallen 2 Dinge auf:
  1. Die 100 Ohm Datenpunkte sind fast durchweg niedriger angesiedelt als die 10 Ohm Datenpunkte. Ihre Lagen unterscheiden sich also sichtbar.
  2. Die Bandbreite der 100 Ohm Datenpunkte ist fast durchweg schmaler als die der 10 Ohm Datenpunkte. Ihre Streuungen unterscheiden sich also sichtbar.
Beide Sachverhalte sind offenbar ausschliesslich den unterschiedlichen Testbedingungen geschuldet, und haben mit den Batterien an sich nichts zu tun.
Wenn man die Testbedingungen konstant hält, dann ergeben sich entweder nur die roten oder nur die blauen Punkte. In beiden Fällen ist von allen namhaften Batteriemarken genau 1 Individuum vertreten, und alle Individuen wurden bei mehreren Entladungszuständen gemessen. Die Streuung zwischen den unterschiedlichen Marken
(so genannte äussere Streuung im ANOVA Kontext) ist also gut vertreten.
Was hier fehlt, ist die explizite Information über die Streuung innerhalb derselben Marken, also zwischen Individuen von ein und derselben Marke (so genannte innere Streuung im
ANOVA Kontext). Diese hat sich in allen Tests allerdings als sehr gering erwiesen, und zwar bei allen Marken. Im Vergleich zu obigem Bild kann man die Streuung innerhalb der Batteriemarken und -serien absolut vernachlässigen.


Im Folgenden werden 4 Fälle unterschieden:

Betriebsfälle:
Trennung nach Gerätequalität und Betriebsprofil
Lastfall
Gross, sporadisch
Klein, dauernd
Charakter des betriebenen Geräts
Hochwertig
oder Tolerant
1.
2.
Billig 3.
4.

Beispiele:

Fall 1: Taschenlampe mit Glühbirne (billig, aber tolerant), LED Fahrradscheinwerfer (hochwertig und tolerant weil Konstantstromquelle)
Fall 2:
Uhren, Kleinstgeräte aus dem Fachhandel
Fall 3: "Preisgünstige Stromfresser", z. B. Ghettoblaster und anderer batteriebetriebener Krimskrams aus dem Supermarkt
Fall 4: Kleiner,
batteriebetriebener Krimskrams aus dem Supermarkt

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