Wie beeinflusst der interne Batteriewiderstand die Leistung?

Mit dem Schritt von Analog- zu Digitaltechnik sind neue Anforderungen an die Batterien entstanden. Im Gegensatz zu analogen Geräten, die einen gleichmässigen Strom ziehen, belasten digitale Geräte die Batterie mit kurzen, starken Stromspitzen.

Eine der dringendsten Anforderungen an Batterien für digitale Geräte ist ein kleiner Innenwiederstand. Der Innenwiderstand, der in Milliohm (mW) gemessen wird, bestimmt mehr oder weniger die Funktionszeit der Batterie. Je tiefer der Innenwiderstand, desto kleiner sind die Einschränkungen für die Batterie, die geforderten Stromspitzen abzugeben. Eine hohe mW-Messung kann eine zu frühe Angabe "Batterie schwach" an einer scheinbar guten Batterie ergeben, da die benötigte Energie nicht in der gewünschten Form abgegeben werden kann und somit in der Batterie verbleibt.

Figur 1 zeigt den Spannungsverlauf und die damit verbundenen Funktionszeit einer Batterie mit tiefen, mittleren und hohen Innenwiderstand unter einer digitalen Belastung. Ähnlich mit einem Softball, der sich leicht deformieren lässt, formt die Batteriespannung einer Batterie mit hohem Innenwiderstand die Ausgangsspannung und hinterlässt Senkungen, die die Form der Belastungsimpulse wiedergeben. Diese Impulse drücken die Spannung gegen die Entladeendspannung, was eine zu frühe Abschaltung des Verbrauchers zur Folge hat. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, beeinflusst der Innenwiderstand in grossem Masse die Funktionszeit.

Figur 1:Entladekurve bei einer pulsierenden Belastung mit verschie-denen Innenwieder-ständen. Diese Graphik zeigt die Einsatzzeit von 3 Batterien mit derselben Kapazität, aber mit verschiedenen Innenwiederständen.

Als Teil der laufenden Forschungen, um die Funktionszeit von Batterien bei verschiedenen Werten des Innenwiderstandes messen zu können, untersuchte Cadex Electronics verschiedene Handybatterien, die seit einiger Zeit im Einsatz sind. Alle Batterien waren ähnlich in den Abmessungen und zeigten gute Kapazitätswerte an, wenn sie mit einem Analyser gemessen und mit einem gleichmässigen Strom belastet wurden. Die Nickel-Kadmium-Batterie zeigte eine Kapazität von 113% an, die Nickel-Metallhydrid eine von 107% und die Lithium-Ion-Batterie lieferte 94% der Kapazität. Der Innenwiderstand variierte ziemlich stark und ergab einen tiefen Wert von 155 mW bei Nickel-Kadmium, einen hohen Wert von 778 mW- bei Nickel-Metallhydrid und einen mittleren Wert von 320 V bei Lithium-Ion. Diese Werte des Innenwiderstandes sind typische Werte für ältere Batterien mit diesen Chemien.

Lassen Sie uns nun prüfen, wie die getesteten Batterien auf einem Mobiltelefon funktionieren. Der grösste Impulsstrom eines GSM-Mobiltelefons beträgt 2,5A. Dies entspricht einem grossen Strom für eine verhältnismässig kleine Batterie von ca. 800mAh. Ein Impulsstrom von 2,4A an einer Batterie mit 800mAh entspricht einem Koeffizienten von 3C. Dies entspricht dreimal dem üblichen Koeffizienten einer solchen Batterie. Ein solch hoher Impulsstrom kann nur von Batterien mit tiefem Innenwiderstand abgegeben werden.

Die Figuren 2, 3 und 4 zeigen die Sprechzeiten an für die 3 Batterietypen mit einem simulierten GSM-Strom von 1C, 2C und 3C. Man kann sehen, dass eine direkte Beziehung besteht zwischen dem Innenwiderstand und der Sprechzeit. Nickel-Kadmium schneidet unter diesen Bedingungen am besten ab und liefert eine Sprechzeit von 120 Minuten unter einer Belastung von 3C (orange Linie). Nickel-Metallhydrid funktioniert nur mit 1C (blaue Linie) und versagt bei 3C. Lithium-Ion liefert eine mittlere 50 Minuten Sprechzeit bei 3C.




Figur 2: Entladung und daraus resultierende Sprechzeit einer Nickel-Kadmium-Batterie bei 1C, 2C und 3C unter GSM Belastungsbedingungen. Die getestete Batterie hat eine Kapazität von 113%, und einen Innenwiderstand von 155mOhm



Figur 3: Entladung und daraus resultierende Sprechzeit einer Nickel-Metallhydrid-Batterie bei 1C, 2C und 3C unter GSM Belastungsbedingungen. Die getestete Batterie hat eine Kapazität von 107%, und einen Innenwiderstand von hohen 778mOhm


Figur 4: Entladung und daraus resultierende Sprechzeit einer Lithium-Ion-Batterie bei 1C, 2C und 3C unter GSM Belastungsbedingungen. Die getestete Batterie hat eine Kapazität von 94%, und einen Innenwiderstand von 320mOhm

Der Innenwiderstand variiert aber auch mit dem Ladezustand der Batterie. Die grössten Änderungen bestehen bei Batterien auf Nickelbasis. In Figur 5 beobachten wir den Innenwiderstand bei Nickel-Metallhydrid bei leerer Batterie, während der Ladung, bei Vollladung und nach einer Pause von 4 Stunden.

Hohe Werte werden gemessen bei tiefem Ladezustand und sofort nach der Aufladung. Der Widerstand sinkt bei etwa halber Ladung und auch nach einer Pause von 4 Stunden. Im Gegensatz zur allgemeinen Meinung, wird die beste Batterieleistung nicht nach der Vollladung, sondern nach einer gewissen Pause erreicht.

Figur 5: Innenwiderstand bei Nickel-Metallhydrid. Vermerken Sie die hohen Messwerte sofort nach einer Vollentladung sowie sofort nach einer Voll-ladung. Eine Erholungs-phase der Batterie vor dem Gebrauch ergibt die besten Resultate.