DESIGNCORNER, STROMVERSORGUNG

Nachhaltige, energieeffiziente Produktentwicklung mit Batterien

Individuell angepasste Energiekonzepte spielen eine zentrale Rolle in einer auf Nachhaltigkeit ausgerichteten Produktentwicklung, besonders im Hinblick auf den sogenannten √∂kologischen Fu√üabdruck der Produkte. Auch EU-weite Richtlinien und Regulierungen, wie die neue EU-Batterierichtlinie, beeinflussen mit ihren Vorgaben das Design der Produkte beeinflussen, da beispielsweise Hersteller ihre Endger√§te so entwerfen m√ľssen, dass Altbatterien problemlos vom Endverbraucher entnommen und der vorgeschriebenen Entsorgung zugef√ľhrt werden k√∂nnen. Auch f√ľr fest eingebaute Batterien muss nach der Ger√§ter√ľcknahme durch den Hersteller eine gesetzeskonforme Entsorgung m√∂glich sein.


Tabelle 1: Genormte elektrochemische Systeme, Quelle: IEC 60086-1 [zum Vergrößern in das Bild klicken]
Tabelle 2: Wirkungsgrad ( η ) am Beispiel der Duracell Ultra LR6 (AA) KNenn = 2 850 mAh an 43 Ω, (Mittelstrom 26 mA) bis 0,8 V [zum Vergr√∂√üern in das Bild klicken]

Sämtliche qualitativen Anforderungen an Design, Format und Leistung des Energiekonzeptes sollten schon während des Entwicklungsprozesses genau definiert werden. Nur so haben Hersteller die Möglichkeit leistungs- und konkurrenzfähige Produkte auf den Markt zu bringen, die eine optimale Leistung bei geringem Energiebedarf und niedrigen Gesamtkosten bieten.

 

Kritische Erfolgsfaktoren bei der Wahl des Energiekonzeptes

Idealerweise sollten Endger√§te bereits in der Entwicklungsphase so ausgelegt werden, dass m√∂glichst viele verf√ľgbare Batterie- bzw. Akkumulatorensysteme und -konzepte eingesetzt werden k√∂nnen, die die Ger√§teanforderungen optimal unterst√ľtzen. Auch darf die eigentliche Beschaffenheit des Energielieferanten das Ger√§tedesign an sich nicht negativ beeinflussen; Gr√∂√üe und Anpassbarkeit sind hier die entscheidenden Kriterien.

 

Zum Beispiel ben√∂tigen Endger√§te mit geringen Abmessungen, wie elektronische Ger√§te der neuen Generation, Batteriesysteme mit h√∂chster Energiedichte und maximaler Spannung und Belastbarkeit pro Zelle. Lithium-Prim√§rzellen repr√§sentieren den neusten Entwicklungsstand auf dem Gebiet der Prim√§rbatterietechnologie und bieten zahlreiche Vorteile im Vergleich zu konventionellen Alkali-Mangan-Batteriesystemen. Sie verf√ľgen √ľber eine hohe Energiedichte, hohe Pulsstrom-Belastbarkeit und extreme Temperaturbest√§ndigkeit. Durch ihren geringen Platzbedarf und ihr geringes Gewicht sind die Zellen in der Lage besonders effizient ein H√∂chstma√ü an Energie abzugeben und sind daher bestens f√ľr elektronische Ger√§te mit einem hohen Impulsstrombedarf und Anwendungen mit Dauerstrom- oder Speicher-Backup-Bedarf geeignet.

 

Eine Alternative zu Prim√§rbatteriesystemen bieten wieder aufladbare (und sofort einsetzbare) Nickel-Metallhydrid (NiMH)-Akkus, die zu den modernsten ladbaren Batteriesystemen geh√∂ren. Gegen√ľber herk√∂mmlichen Nickel-Cadmium (NiCd)-Akkus bieten sie eine bis zu 40 Prozent l√§ngere Betriebszeit sowie eine h√∂here Energiedichte. Durch den Verzicht an Schwermetallen sind sie gem√§√ü dem Stoffverbot der neuen EU-Batterierichtlinie eine umweltfreundliche Wahl.

 

Optimale Ausnutzung der Batterieleistung

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Art und Weise wie das zuk√ľnftige Ger√§t verwendet wird. Die nutzbare Kapazit√§t bei Ger√§ten variiert, je nachdem ob sie konstant, mehrere Stunden t√§glich oder nur einige Male im Monat im Einsatz sind. Bei einem Langzeiteinsatz ist die Lagerf√§higkeit des Batteriesystems von besonderer Bedeutung. Genormte Alkaline Prim√§rbatterien halten heutzutage etwa acht Jahre, neuartige Lithium Mangan-Dioxid-Systeme bereits zehn Jahre. F√ľr eine relativ kurze Einsatzzeit mit h√§ufig wiederkehrenden Nutzungsperioden sind aufladbare Systeme geeignet. Die Selbstentladung liegt hier bei etwa zwei Prozent pro Tag. Sonderbauformen haben geringere Lagerverluste. Hier m√ľssen Hersteller eine Auswahl treffen zwischen den bevorzugten Merkmalen wie Anzahl der ben√∂tigten Lade-Zyklen, Eignung zur Schnell- oder Ultraschnellladung, mit dem Kompromiss, die Zyklenzahl eventuell erheblich zu reduzieren.

 

Um die Batterieleistung m√∂glichst effizient und wirtschaftlich auszunutzen, sollte der nutzbare Spannungsbereich des Endger√§tes optimal an die Kennlinie der Batterie angepasst sein. Da hoch-spezialisierte Produkte auf Grund von technischen Erfordernissen √ľber einen sehr engen Spannungsbereich verf√ľgen oder hohe Pulsstr√∂me abrufen, kann ein dediziertes Batterie-managementsystem helfen, eine l√§ngere Betriebszeit zu erzielen und Ressourcen zu schonen.

 

Hochspezialisierte Ger√§te haben oftmals widerspr√ľchliche Anforderungen und Anspr√ľche, die durch eine einzelne Batterie nicht zu erf√ľllen sind. Eine geeignete L√∂sung sind Batteriepacks, die Batterien mit unterschiedlichen Entladekennlinien enthalten k√∂nnen. Besonders f√ľr Hochstromanwendungen sind optimierte Varianten im Markt verf√ľgbar. Die Hochstrombatterien k√∂nnen durch einen geringeren Innenwiderstand die Entladekurve strecken und ein Mehrfaches an Servicezeit erm√∂glichen. Jedoch sollte die vorgegebene Entladeschlussspannung nicht unterschritten werden.

 

Spannung und Stromentnahme

Damit keine unerw√ľnschten Nebeneffekte bzw. St√∂rungen und Ausf√§lle des Endger√§tes auftreten, sollte auch die maximale Leerlaufspannung einer Batterie (siehe Tabelle 1) bei der Auslegung der Ger√§teschaltung ber√ľcksichtigt werden.

 

Die Effizienz bzw. Kapazität der eingesetzten Batterie oder des Akkus steht im direkten Zusammenhang mit der Stromentnahme und Entladungsspannung. Dabei hat die Abschaltspannung im Gerät einen direkten Einfluss auf die entnehmbare Kapazität. Es gilt: je höher der Abschaltpunkt, desto geringer ist die Kapazitätsausbeute des Energieträgers (siehe Tabelle 2).

 

Fazit

Die Entwicklung energieeffizienter und nachhaltiger Produkte mit einem geringen √∂kologischen Fu√üabdruck wird heutzutage immer entscheidender. Nur so k√∂nnen Endger√§tehersteller konkurrenzf√§hig bleiben. Deswegen ist es wichtig, schon in der Produktkonzeption Energiequellen zu w√§hlen, die optimal an die spezifischen Leistungsanforderungen eines Ger√§tes angepasst sind. Markenhersteller von Batterien und Akkumulatoren wie Duracell k√∂nnen schon fr√ľhzeitig einen Mehrwert in der Entwicklungsphase liefern. Wie gut dies in der Praxis funktioniert, zeigen die Synergien von Duracell mit dem Mutterhaus Procter & Gamble. Dort sollen in den n√§chsten f√ľnf Jahren 20 Milliarden Dollar Umsatz mit Produkten erwirtschaftet werden, die einen kleineren √∂kologischen Fu√üabdruck hinterlassen als die heutigen Produkte. Produkte, die diese Vorgaben erf√ľllen, werden als ‚ÄěSustainable Innovation Product‚Äú f√ľr den Verbraucher klar erkennbar gekennzeichnet. Duracell spielt eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung dieser Produkte.

 

Autor: Markus Schubert, Sales Manager DACH, Duracell Professional Procter&Gamble GmbH


 


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