Temperaturabhängigkeit von Bleiakkus in Tauchlampen
Messung des Einfluß der Temperatur auf die Kapazität eines geschlossenen 12V/7Ah Bleiakkumulators für Tauchlampen


Rein subjektiv habe ich beim Tauchen den Eindruck, dass meine Tauchlampe im Winter deutlich kürzer brennt als im Sommer. Die Temperaturabhängigkeit von Bleiakkumulatoren ist zwar allgemein bekannt, doch welche Auswirkungen die Umgebungstemperatur auf meine Tauchlampe während des Tauchgangs hat konnte ich bisher leider nur vermuten. Also habe ich schnell mit Hilfe meines Fluxkompensators ein paar Messungen vorgenommen und komme zu interessanten Ergebnissen.

Als Akkumulator verwende ich in meiner Tauchlampe drei unterschiedlich alte 12V/7Ah Blöcke die jeweils aus zwei parallel geschalteten Panasonic Akkus (Conrad Artikel Nummer: 254932-62) bestehen. Der bei der Messung verwendete Block ist ca. 1 Jahr alt und wurde mit ca. 50 Ladezyklen belastet. Um Einflüsse durch das Ladegerät zu minimieren wurde der Akku mit einem Konstantspannungslader gemäß der Empfehlung des Herstellers für "Normales Aufladen" (siehe Abbildung 1) geladen.

Panasonic Datenblatt Abbildung 1
Teil des eingescannten Datenblatts des Panasonic Akkus LC-R123R4PG


Laut Datenblatt von Panasonic (Download als PDF von Conrad) verringert sich die Nennkapazität (25 °C) bei einer Temperatur von 0 °C auf 85%. Stimmen diese Herstellerangaben eigentlich? Verkürzt sich die Brennzeit wirklich um 15% wenn ich im Winter tauchen gehe? Wie verringert sich die Brennzeit im für Taucher relevanten Temperaturbereich von 20°C und 4°C? Kann ich die Brennzeit eventuell sogar erhöhen wenn ich den Akku vor dem Tauchgang auf die Heizung lege?

Fluxkompensator im Kühlschrank Abbildung 2
Der Fluxkompensators im Kühlschrank. Die grüne Flasche ist mit Wasser gefüllt und dient zur Kontrolle der Temperatur.


In einer ersten Messreihe habe ich versucht die Herstellerangaben zu verifizieren und dazu das Temperaturverhalten des Akkus ohne Gehäuse gemessen. Dazu wurden bei 2°C, 10°C und 21°C jeweils drei Messungen mit dem Fluxkompensator durchgeführt. In drei weiteren Kontrollmessungen wurde ausgeschlossen, dass die Temperatur beim Laden ebenfalls eine Rolle spielt. Das Ergebnis der Messungen ist interessant und wird in der folgenden Grafik zusammengefasst.

Einfluss der Temperatur auf die Kapazität eines Bleigelakkumulators Abbildung 3
Fluxkompensationszeit des Panasonic Akkus bei unterschiedlichen Temperaturen (Belastung 50 Watt)


Die rote Kurve ergibt sich aus den Angaben im Datenblatt des Akkus. Um einen direkten Vergleich zu ermöglichen, wurden die Angaben von Panasonic auf die Fluxkompensationszeit eines virtuellen Akkus umgerechnet. Dieser virtuelle Akku hat bei 21°C dieselbe Brennzeit wie der in den Messungen verwendete, reale Akku. Die grüne Kurve zeigt die oben erwähnten 9 Messungen bei drei unterschiedlichen Temperaturen. Auffällig ist, dass die gemessene Temperaturabhängigkeit deutlich höher ist als die theoretischen Herstellerangaben. Bei 2°C erreicht mein Akku anscheinend einen Kapazitätsverlust, der laut Hersteller eigentlich erst bei -15°C eintreten sollte. Bei meinem Akku verringert sich die Kapazität zwischen 21°C und 2°C um über 30%.

Erstes Fazit: Nachdem jetzt klar ist, wie der Akku sich bei veränderter Temperatur verhält stellt sich nun die Frage welchen Einflüssen der Akku in der Lampe unter realen Verhältnissen ausgesetzt ist. Wie schnell und wie stark kühlt der Akku während eines Tauchgangs ab wenn ich im Sommer unter die Sprungschicht in 4°C kaltes Wasser tauche? In einem Internetforum vertrat ein Autor die Ansicht, dass der Akku sich während der Entladung sogar erwärmt und damit die Abkühlung durch die Umgebung kompensiert wird. Andere Autoren vertreten die Ansicht, dass die Plastikwand sowie die Luftschicht im Tank den Akku ausreichend isoliert und es daher keinen Unterschied zwischen Sommer und Winter gibt.

Also habe ich zunächst die Erwärmung des Akkus beim Entladen untersucht. Erhöht sich die Temperatur wirklich durch den Entladestrom? Die folgende Messung bestätigt die Behauptung. Der Akku wurde Aufgeladen und mit Zeitungspapier und Styropor isoliert. Zwei Temperatursensoren wurden auf den Akku geklebt. Ein dritter Sensor befindet sich in der Mitte der ca. 20 cm dicken Isolationsschicht. Das "Paket" wurde für 24 h im Keller an die Umgebungstemperatur von ca. 11,5°C angepasst. Anschließend wurde der Akku wieder mit einer Leistung von 50 Watt über den Fluxkompensator entladen.

Temperaturverlauf beim Entladen eines Akkus

Abbildung 4

Temperaturverlauf des isolieren 7Ah Bleiakkus während einer Entladung mit 50 Watt.


Abbildung 4 zeigt deutlich, dass die Temperatur des Akkus bei der Entladung um 3,5°C ansteigt. Es stimmt also! Die chemischen Prozesse sowie der fließende Strom in den Elektroden und Zuführungen erwärmen einen Bleiakku während einer Entladung. Bei geringeren Entladeströmen wird der Einfluss vermutlich nicht mehr so deutlich ausfallen. Um jedoch vergleichbar zu bleiben, habe ich alle Messungen mit derselben Belastung des Akkus durchgeführt.

Zweites Fazit:
Aber kann diese innere Erwärmung die Abkühlung des Akkus durch die kalte Umgebung kompensieren? Es bleibt also die spannende Frage wie sich der Akku unter realen Tauchbedingungen verhält? Um das zu klären habe ich meinen Akku in einen modifizierten Tank meiner alten Extreme Exposure Explorer 6 aus dem Jahr 2001 eingebaut. In den Deckel wurden an Stelle des Ein/Aus Schalters die Kabel für insgesamt 3 Temperatursensoren eingebaut. Alle drei Sensoren befinden sich an unterschiedlichen Positionen auf dem Akku. Ein vierter Sensor kontrolliert die Außentemperatur der Kühlflüssigkeit in einem Abstand von ca. 1 cm von der Außenwand des Tanks.

Akkutank im Eiswasser Abbildung 5
Die modifizierte Explorer 6 im Eiswasser während einer Messung.


Das ursprüngliche Lampenkabel wurde durch das Anschlußkabel des Fluxkompensator ersetzt. Damit sollen Einflüsse durch unterschiedliche Kabelwiderstände ausgeschlossen werden. Der modifizierte Tank wird zunächst für 24 Stunden bei einer Raumtemperatur von 21°C gelagert. Für die Messungen wird er dann in ca. 20 Liter Eiswasser getaucht, die Entladung über den Fluxkompensator beginnt ungefähr 90 Sekunden nach dem Eintauchen. Ein vorher im Eiswasser abgekühltes Bleigewicht drückt den Tank in das Eis/Wasser-Gemisch und verhindert, dass der Tank aufschwimmt und sich während der Messung bewegt.

Entladung im modifizierten Akkutank einer Explorer 6 Abbildung 6
Temperaturverlauf des in die Explorer 6 eingebauten Akkus im Eiswasser bei einer Entladeleistung mit 50 Watt.


Das Ergebnis der Messung ist eindeutig. Der Akku kühlt trotz der oben nachgewiesenen "Entladungswärme", der isolierenden Luftschicht und dem isolierenden Plastikgehäuse sehr schnell ab. Der in der Messung sichtbare Temperatursprung von Sensor 3 könnte auf die Position des Sensors auf dem Akku zurückgeführt werden. Der dritte Sensor befindet sich nämlich an einer der Ecken des Akkus am unteren Ende des Blocks, während die anderen beiden Sensoren in der Mitte des Blocks befestigt wurden. Wahrscheinlich befindet sich der dritte Sensor zusätzlich in der Nähe einer Elektrode die durch den Entladestrom von innen gewärmt wird. Nach Ende der Entladung fehlt die "Entladungswärme" und der Akku kühlt am Rand schneller aus als in der Mitte.

Position der Temperatursensoren auf dem Akku Abbildung 7
Positionen der Temperatursensoren auf dem eingebauten Akku


Insgesamt habe ich bei dem eingebauten und in Eiswasser gelegten Akku eine Fluxkompensationszeit von 0,86 h gemessen. Diese Zeit liegt nur knapp über der Zeit einer Entladung des auf 2°C abgekühlten Akkus.

Vergleich der Kompensationzeiten Abbildung 8
Vergleich der Fluxkompensationszeit bei konstanter Akkutemperatur
mit der Fluxkompensationszeit bei eingebautem Akku.


Gesamtfazit:
Bei einem Tauchgang in winterlich kaltem Wasser muss mit einer deutlichen Reduktion der Brennzeit gerechnet werden. Weder die vorherige Aufwärmung des Akkus auf Raumtemperatur, noch die "Entladungswärme" haben merklichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Akkus. Bei dem von mir gemessenen Akku muss ich mit einer Verkürzung der Brennzeit um bis zu 30% rechnen wenn ich im Winter tauchen gehe.

Ausblick:
Die Messungen sind zwar sehr interressant, sie werfen aber mehr Fragen auf als ich ursprüglich angenommen hatte. Folgende Punkte bleiben ungeklärt:


Ich werde bei Gelegenheit und Lust weitere Messungen vornehmen und an dieser Stelle berichten.....

Erstveröffentlichung: August 2008

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