Hochstromanwendungen Welche Batterie ist die richtige?

In immer mehr Anwendungen müssen Batterien hohe Ströme liefern, vor allem im industriellen Umfeld, in der Telekommunikation, im Gesundheitswesen und in immer mehr Geräten der Unterhaltungselektronik. Worauf müssen Entwickler und Anwender solcher Geräte achten und welche Batterien eignen sich überhaupt für diese so genannten Hochstromanwendungen?

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Zu den Hochstromanwendungen zählt man alle elektronischen Geräte, die Spitzenströme von mehr als 1 A benötigen und bei denen diese Ströme auch bei langer Bereitschaftszeit sofort verfügbar sein müssen. Trotz Fortschritten in der Schaltungstechnik lassen sich solche Konstellationen oft nicht umgehen, z. B. bei Embedded-GSM-Modulen in der drahtlosen Messtechnik, die Pulsbelastungen von bis zu 1,3 A ziehen. Weitere verbreitete Gerätetypen mit solch hohen Anforderungen sind u. a. Digitalkameras, MP3-Player, Funksprechgeräte oder mobile medizinische Diagnosegeräte und Defibrilatoren. Meist setzen die Entwickler solcher Geräte auf spezielle Akkus, z. B. Lithium-Ionen-Akkus. Bei vielen Produkten ist dies jedoch nicht möglich oder erwünscht, beispielsweise, wenn man den Einsatz von Geräten auch fern von Stromnetzen möglich machen oder einen schnellen Austausch der Stromversorgung sicherstellen möchte. In solchen Fällen bieten sich Batterien in Standard-Formfaktoren als Energiequelle an. Zudem lassen sich Alkaline-Batterien über einen langen Zeitraum ohne Energieverlust lagern, während sich Lithium-Ionen-Akkus binnen weniger Wochen selbst entladen. Daher kommen beispielsweise für Notfallausrüstungen nur Batterielösungen in Frage.

Möglichst flache Entladekurve

Gegenüber normalen batteriebetriebenen Geräten erfordern Hochstromanwendungen eine relativ hohe Abschaltspannung. So benötigen Hochstromgeräte Mindestspannungen zwischen 1,2 und 1 V und schalten bei niedrigeren Spannungen ab, während sich Alkaline-Batterien bis 0,8 V oder sogar darunter noch sinnvoll nutzen lassen. Da normale Alkaline-Batterien recht schnell auf unter 1,2 V absinken, bleibt bei Hochstromanwendungen also viel Batteriekapazität ungenutzt. Deshalb müssen spezielle Batterien für Hochstromanwendungen möglichst lange Strom bei hohen Spannungen liefern, also eine flache Entladekurve aufweisen. Je nach Stromentnahme und Abschaltspannung lassen sich mit speziellen Batterien für Hochstromanwendungen drei- bis fünfmal längere Laufzeiten im hohen Spannungsbereich als mit Standardbatterien erreichen.

Hoher Fertigungs- und Veredelungsaufwand

Da die physikalischen Eigenschaften einer Batterie von der internationalen Batterienorm IEC 60086 vorgegeben ist, haben die Hersteller nur begrenzten Spielraum bei der Optimierung von Primärzellen für hohe Ströme. Die Maße und damit das Volumen sowie die Initialspannung sind fest vorgegeben, um die weltweite Austauschbarkeit sicherzustellen. Daher lässt sich ein flacherer Spannungsverlauf nur über einen möglichst niedrigen Innenwiderstand erreichen, um ein frühzeitiges Zusammenbrechen der Spannung zu vermeiden. Während die Impedanz bei handelsüblichen Batterien bei 120 mΩ liegt, hat Duracell diesen Wert beispielsweise bei der Hochstrombatterie M3 auf 81 mΩ reduziert und bei der PowerPix auf einen noch niedrigeren Wert. Dafür ist bei der Fertigung ein deutlich größerer Aufwand nötig als bei normalen Batterien. So sind hochreine Komponenten und feinste Granulierungen erforderlich sowie eine spezielle Beschichtung der inneren Oberfläche des Batteriegehäuses. Mit diesen Maßnahmen erreichen die Batteriehersteller heute die Grenzen des technisch Machbaren, um den Innenwiderstand abzusenken.

Alkaline versus Lithium-Batterien

Oft wird bei Hochstromanwendungen auch der Einsatz von Lithiumbatterien anstatt optimierter Alkaline-Batterien in Erwägung gezogen. Dies ist grundsätzlich möglich, jedoch müssen dabei einige Aspekte beachtet werden, da Lithium-Batterien andere physikalische Eigenschaften als ihre Alkaline-„Schwestern“ aufweisen. So haben die weit verbreiteten Lithium-Mangan-Dioxid-(LiMnO2)-Batterien eine Spannung von 3 V, sind also nicht mit den normalen 1,5-V-Alkali-Batterien kompatibel. Will der Gerätehersteller beide Typen unterstützen, ist er auf Sonderbauformen angewiesen; beispielsweise kann er wahlweise zwei Alkali-Batterien LR6 in Reihe schalten oder zwei LiMnO2-Zellen parallel schalten, um jeweils 3 V zu erhalten.

Für den Einsatz von Lithiumbatterien sprechen ihre hohe Energiedichte, ein noch günstigerer Spannungsverlauf mit niedrigem Innenwiderstand auch bei niedrigen Temperaturen sowie eine extrem lange Lagerungszeit von bis zu zehn Jahren. Angesichts der sehr hohen Preise für Lithiumzellen eignen sie sich daher primär für Langzeitanwendungen mit besonders hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit. Für viele Mainstream-Anwendungen wie digitale Kameras sind die Lithium-Batterien jedoch immer noch zu teuer.

Das Maximum aus der Batterie herausholen

Der Anwender eines batteriebetriebenen Gerätes hat natürlich ein Interesse daran, die in der Batterie gespeicherte Energie optimal zu nutzen. Wie eingangs erwähnt, lassen sich Alkali-Zellen bis zu einer Spannung von 0,8 V nutzbar entladen. Da viele digitale Geräte jedoch schon bei einem kurzfristigen Spannungsabfall unter 1,2 bis 1 V abschalten, geht viel nutzbare Energie verloren – vor allem bei Mehrbereichsbatterien, aber auch bei den hochstromoptimierten Batterietypen. Systemdesigner haben verschiedene Möglichkeiten, um die Energieausbeute zu verbessern. So lassen viele moderne Halbleiterkomponenten eine Absenkung der Betriebsspannung auf 0,9 oder 0,8 V durchaus zu. Ist dies nicht möglich, kann man die Spannung bei Pulslast stützen oder mit Hilfe des Batteriemanagements anheben. Damit lässt sich vor allem der Erholungseffekt ausnutzen: Aufgrund chemischer Vorgänge sinkt bei einer Stromaufnahme die Spannung zunächst unter den Abschaltwert, steigt aber kurz danach wieder darüber an – die Batterie kann also eigentlich noch für längere Zeit ausreichend Strom und Spannung liefern. In diesem Fall kann man mit einer Stützspannung oder einer Pufferbatterie aushelfen. Auch lassen sich beim Systemdesign getrennte Spannungsbereiche im Gerät definieren, beispielsweise ein Segment mit Bausteinen, die hohe Spannungen, aber wenig Strom benötigen, und ein Segment, das Pulse mit hohem Strom fordert, aber unempfindlich gegenüber niedriger Spannung ist. Mit Hilfe von Kondensatoren lassen sich so beide Bereiche abwechselnd versorgen und die Kapazitätsausbeute pro Batterie deutlich erhöhen. Für solche Ansätze bietet die Halbleiterindustrie heute viele kostengünstige Schaltungen an.

Hochstromanwendungen nur mit den richtigen Batterien nutzen

Mit speziellen Batterien lassen sich auch Anwendungen mit hohen Stromanforderungen sinnvoll im Batteriebetrieb einsetzen.Aufgrund ihres Designs lässt sich die Kapazität bei hohen Spannungen deutlich länger nutzen, auch wenn ihre maximale chemische Kapazität unter der von Standard-Alkali-Batterien liegt (siehe Nutzwertkasten). Daher sollten Gerätehersteller und -entwickler ganz genau darauf achten, für welche Batterietypen sie ihre Geräte auslegen und dementsprechend auch Empfehlungen an ihre Kunden aussprechen. Denn so wenig es sinnvoll ist, Hochstromgeräte ohne optimierte Batterien zu betreiben, so wenig sinnvoll ist es umgekehrt, solche Batterien in Geräten ohne besondere Anforderungen zu vergeuden.

*Markus Schubert ist B2B-Sales-Manager Zentraleuropa bei Duracell in Schwalbach bei Frankfurt/Main

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