Kapazität - der Schlüssel zur Akkulaufzeit

Das Geheimnis der Akkulaufzeit liegt in der Kapazität. Kapazität ist die Energie, die ein Akku aufnehmen kann. Akkukapazität wird meist in Amperestunden (Ah) angegeben. Die Amperestunden werden bestimmt, indem ein Akku bis zur Entladeschluss-Spannung mit einem kalibrierten Strom entladen wird. Tragbare Akkus werden normalerweise eine Stunde lang entladen; die Kapazität größerer Akkus wird dagegen mit einer Entladezeit von 5-20 Stunden bestimmt.

Bleisäureakkus gibt es in zwei Varianten: tiefentladungsfähige und Starterakkus. Ein tiefentladungsfähiger Akku liefert eine hohe Kapazität und eine hohe Zykluszahl, was durch dicke Bleiplatten erzielt wird. Sie kommen in Golfwagen, Rollstühlen, Peoplemovern, Scherenlifts und Wohnwagen zur Anwendung. Im Gegensatz dazu liefern Starterakkus einen hohen Kaltstartstrom (CCA). Dies wird durch mehr Bleiplatten und somit einer größeren Oberfläche zur Maximierung der Leitfähigkeit erreicht. Für Kraftfahrzeuge ist eine hohe Kapazität und die Tiefentladungsfähigkeit nicht so wichtig, weil der Akku während der Fahrt aufgeladen wird. Wegen der dünnen Bleiplatten würden Tiefentladungen einem Starterakku schaden. Die Regel heisst, je schwerer der Akku (höherer Bleigehalt), umso länger ist die Lebensdauer.

Kapazität und Kaltstartstrom
Die Eigenschaften des Bleisäureakkus lassen sich anschaulich darstellen, indem man die Kapazität für die Energie und den Kaltstartstrom für die Zulieferung verantwortlich sieht. Kapazität und Kaltstartstrom altern nicht gleich schnell. Der Kaltstartstrom bleibt während der gesamten Lebenszeit des Akkus hoch und fällt am Ende schnell ab. Diese Eigenschaft führt dazu, dass unser Auto an einem Morgen plötzlich nicht mehr anspringt. Die Kapazität nimmt dagegen langsam ab. Ein neuer Akku liefert 100 % seiner Nennkapazität. Mit dem Alter des Akkus fällt die Kapazität stetig ab, und sobald sie 70 % erreicht, sollte er ausgewechselt werden. Daran ist zu erkennen, dass die Kapazitätsmessung ein besseres Bild über die Gesundheit des Akkus liefert als die Messung des Kaltstartstroms.

Ich möchte den Alterungsprozess von Kapazität und Kaltstartstrom einmal bildlich darstellen. Abbildung 1 zeigt zwei Bleisäureakkus: einen neuen Akku mit hoher Kapazität und einen alten Akku. Die Bildung von Kristallen (sog. Steinen) während des Alterns mindert die nutzbare Energie des Akkus, obwohl er immer noch eine gute Startleistung liefert. In Abbildung 2 wird ein hoher und ein niedriger Kaltstartstrom eines Akkus mit Hilfe eines Hahns anschaulich gemacht.

Neuer Akku mit hoher Kapazität

Alter Akku mit niedriger Kapazität

Abbildung 1: Akkukapazität dargestellt durch verfügbare Flüssigkeit. Beide Akkus sind voll geladen, aber die Kristalle mindern die Kapazität des zweiten Akkus.

Akku mit hohem Kaltstartstrom

Akku mit niedrigem Kaltstartstrom

Abbildung 2: Kaltstartstrom dargestellt anhand eines voll geöffneten und eines teilweise verschlossenen Hahns. Für das Anlassen eines Motors ist der Kaltstartstrom verantwortlich. Ein Kfz-Anlasser zieht 200 A, der eines Golfwagens 56 A.

Das dritte Kriterium für die Akkulaufzeit ist sein Ladezustand. Die Akkukapazität wird stets bei voll geladenem Akku gemessen, und die einfachste Bestimmung des Ladezustands ist die Spannungsmessung bei unbelastetem Akku. Diese Methode ist recht präzise, wenn der Akku nach dem Laden oder nach einer Belastung mindestens vier Stunden geruht hat. Dies ist seine Erholungszeit. Das Plattenmaterial hat auch einen Einfluss auf die gemessene Spannung. So kann Kalzium die Spannung um 5 8 % erhöhen, was bei der Bestimmung des Ladezustands berücksichtigt werden muss. Kalzium ist ein Zusatz, der zur Wartungs-freiheit des Akkus beiträgt.

Methoden des Akkuschnelltestens

Die Kapazität wird normalerweise durch Entladen gemessen. Diese Methode ist jedoch umständlich und zeitraubend und belastet den Akku. In den vergangenen 15 Jahren sind mehrere Schnelltestmethoden bekannt geworden, die keine Entladung benötigen, zumindest laut Hersteller. 1992 kam die Messung der Wechselstrom-Leitfähigkeit zur Bestimmung des Kaltstartstroms auf. Diese nichtinvasive Methode wurde als großer Durchbruch gefeiert, denn der Test dauert nur wenige Sekunden und das Messinstrument bleibt kalt. Leider kann man anhand der Wechselstrom-Leitfähigkeit die Kapazität nicht bestimmen; auch ist sie bei tiefentladungsfähigen Akkus nicht verlässlich.

In den vergangenen fünf Jahren ist man bei der Bestimmung der Kapazität einen wichtigen Schritt vorangekommen. Cadex hat einen Schnelltester entwickelt, der auf elektrochemischer Impedanz-Spektroskopie (EIS) basiert (Spectro™) ist. Der Spectro CA-12 injiziert 24 Frequenzen zwischen 20 und 2.000 Hertz. Die Signale werden auf 10 mV geregelt, sodass sie innerhalb der Temperaturspannung der Bleisäure bleiben. Die 24 Messungen aus der Frequenzerregung werden verglichen und die winzigen Unterschiede analysiert. Während des 15 Sekunden dauernden Tests führt das Gerät 40 Millionen Transaktionen aus. EIS ist nicht neu. Schon seit Jahrzehnten kommt diese Technologie zum Einsatz. Für EIS benötigte man dedizierte Instrumente sowie einen Computer für die Datenanalyse. Die Einrichtung war teuer, musste von geschultem Personal bedient werden und war so groß, dass sie auf Rädern bewegt werden musste. Außerdem war die Anlage wegen der langen Rechenzeit für die kommerzielle Nutzung nicht geeignet. Der Spectro CA-12 löst diese Probleme durch Einsatz hochleistungsfähiger digitaler Signalprozessoren. Moderne Mikroelektronik ermöglicht die kompakte Anordnung in einem einzigen, durchaus attraktiven Handgerät. Das Herz des Geräts jedoch ist sein patentierter Algorithmus.

Abbildung 3: Spectro CA-12. Dieser kompakte Schnelltester bestimmt Kapazität, Leitfähigkeit und Ladezustand in nur 15 Sekunden.

Typische Akkuprobleme

Betrachten wir jetzt die typischen Akkuprobleme und wie moderne Schnelltester diese Probleme erkennen können. Die Vorteile der Bestimmung der Kapazität liegen auf der Hand.

Niedrige Ladung. Bei niedriger Ladung verliert der Akku die Kraft und scheint schwach zu sein. Schnelltester wie der Spectro CA-12 können die Kapazität noch bei einem Ladezustand von nur 40 % bestimmen. Bei geringerem Ladezustand fordert das Gerät den Bediener auf, den Test mit geladenem Akku zu wiederholen.
Niedrige Kapazität. Ein Akku niedriger Kapazität kann immer noch eine gute Leitfähigkeit haben und den Motor gut antreiben. Die Spannung ist hoch und alles scheint normal zu sein, nur die Laufzeit nicht. Die Einschätzung der Kapazität ist der beste Hinweis auf den Akkuzustand.
Ungleiche Reihenschaltung. Akkus altern nicht gleich schnell. Wie bei den Gliedern einer Kette bestimmt der Akku mit der niedrigsten Kapazität die Laufzeit. Ein Akkutester, der die Kapazität messen kann, stellt fest, welcher Akku schwach ist, sodass er zu passender Zeit ausgetauscht werden kann. Die leistungsfähigen Akkus können wieder neu gruppiert werden.

So ermutigend dieser Schnelltest auch sein mag, darf man nicht vergessen, dass der Spectro CA-12 kein Universaltester ist, der die Kapazität eines jeden Akkutyps bestimmen kann, sondern er benötigt eine akkuspezifische Matrix als Bezugsebene. Beim Kauf ist das Gerät mit mehreren Matrizen ausgestattet, die den gewählten Akkus automatisch zugeordnet werden. Cadex arbeitet gegenwärtig an der Erweiterung der Matrizenbibliothek, um am Ende alle wichtigen Akkutypen bedienen zu können. Wegen seiner komplexen Technologie ist der Spectro™ teurer als einfache Tester.

Die Bestimmung der Leistungsfähigkeit eines Akkus durch nichtinvasive Methoden wird bald zur allgemein anerkannten Norm, und die Entladungsmethode ist damit überholt. Zu den Anwendungsgebieten gehören: Batterietests bei Garantieansprüchen, Verhinderung von Stillstandszeiten durch Bestimmung des Akkuzustands vor Ausfall und Verbesserung der Zuverlässigkeit von Mietgeräten.

Die Entwickler von Schnelltestmethoden tendieren zum Optimismus hin und stecken ihre Ziele oft so hoch, dass sie außerhalb des Labors eventuell nicht realisierbar sind. Die elektrochemische Impedanz-Spektroskopie ist jedoch ein großer Schritt vorwärts und öffnet völlig neuen Methoden des Akkutestens die Tür. Es ist durchaus möglich, dass sie die lang erwartete Antwort auf die Probleme ist, die ältere Technologien nicht lösen konnten.

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Created: October 2007,