Lange levensduur en veel energie

Optimaliseren van batterijsystemen

De ideale batterij is een onderdeel dat helaas niet bestaat. Waarschijnlijk zal er ook nooit een batterij komen die klein is, een zeer grote stroom kan leveren, geen zelfontlading heeft en die een oneindige capaciteit heeft. Toch is er technisch veel meer haalbaar dan menigeen denkt. Door verschillende technologieën te combineren, is een batterijsysteem te optimaliseren zodat de nadelen voor bepaalde applicaties kleiner worden. Speciale puls condensatoren kunnen bijvoorbeeld er voor zorgen dat uit een kleine batterij toch kortstondig een grote stroom gehaald kan worden.

Alarmsystemen, RFID-transponders, standalone GSM/GPS apparatuur, peilzenders, slimme meters of de E-CALL-systemen van personenauto’s hebben een batterij nodig met een stabiele spanning, een lage zelfontlading en de capaciteit om snel een grote energiepuls af te geven. Kenmerkend voor deze draadloze systemen is het energieprofiel waarbij na een korte actieve gebruiksperiode er aansluitend een langere stand-by tijd is – een tijd waarin de batterij een stroom moet leveren van micro ampères. Als na deze vaak lange tijd het draadloze systeem ontwaakt, moet er veelal onmiddellijk een grote energiepuls geleverd worden voor het aansturen van een actuator, het opbouwen van een draadloze verbinding, etc.
Een belangrijke speler die heel veel roet in het eten gooit bij batterijen, is de inwendige weerstand. Deze neemt langzaam toe naarmate de batterij leeg raakt met als gevolg dat de uitgangsspanning daalt naarmate de batterij meer belast wordt. Bij niet oplaadbare lithiumbatterijen (de batterij die ideaal is voor applicaties die heel lang op een batterij moeten kunnen werken) treedt nog een effect op dat zorgt voor het verhogen van de inwendige weerstand. Dit effect heet passivering (zie kader 1) en ontstaat wanneer de batterij lage tijd niet gebruikt wordt of slechts een zeer kleine stroom moet leveren. In de batterij ontstaat een dunne slecht geleidende laag die voor verhoging van de inwendige weerstand zorgt. Bij belasting zorgt deze verhoging van de R_i er voor dat de uitgangsspanning (klemspanning) aanzienlijk lager is dan de bronspanning (EMK). Het lijkt dan of de batterij leeg is, terwijl hij dat chemisch gezien nog lang niet is. Gelukkig is deze toename van de R_i tijdelijk. Een hogere stroom zorgt er voor dat de laag afgebroken wordt en de R_i weer afneemt.
Om te voorkomen dat de applicatie last heeft van het dalen van de voedingsspanning bij een kortstondige zware belasting (doordat er gekozen is voor een batterij met een R_i die eigenlijk te hoog is voor deze belasting of dat we last hebben van passivering), kan de batterij aangevuld worden met een supercondensator (supercap). Deze moet de kortstondige energievraag opvangen en kan dat beter dan normale elektrolytische condensator. De supercap heeft een tien of zelfs honderd keer hogere energiedichtheid dan normale elektrolytische condensatoren. Een supercap is ook beter dan oplaadbare batterijen omdat de oplaad- en ontlaadtijden ook korter zijn en ze veel meer laadcycli aan kunnen.
Aan het gebruik van supercaps kleeft alleen een groot nadeel en dat is de zelfontlading. Een geladen supercap is na 3 maanden compleet leeggelopen, een eigenschap waar terdege rekening mee gehouden moet worden wanneer de applicatie jarenlang op eenzelfde batterij moet werken. Het is immers niet wenselijk dat de batterij leegloopt door de zelfontlading van de supercap. Voor dit soort applicaties is deze methode om stroompulsen op te kunnen vangen, dan ook niet geschikt.