Das schnelle Testen von Batterien

Beim Betrachten der Charakteristik, bezogen auf den Gesundheitszustand (SoH) und den Ladezustand (SoC) einer Batterie, so können interessante und störende Effekte beobachtet werden - die Eigenschaften sind kompliziert und nicht linear. Das Schlimmste an allem ist, dass die Parameter einzigartig sind für jeden Batterietyp. Diese natürliche Komplexität macht es schwierig, eine Formel für den Schnelltest zu erfinden, die auf alle Batterietypen zutrifft.

Trotz diesen scheinbar unüberwindbaren Hindernissen, ist ein Batterieschnelltest möglich. Aber die Frage stellt sich, wie zuverlässig diese Testresultate sind und wie kann das System an die verschiedenen Batterietypen angepasst werden. Die Kosten der Messinstrumente und eine leichte Bedienung sind auch von Wichtigkeit. Dieser Artikel bewertet die zur Zeit angewandten Methoden, welche den Test unter Belastung, den Leitfähigkeitstest und den 6-Punkte-Test, der von Cadex entwickelt wurde, beinhaltet.

Der Test unter Belastung

Der Test unter Belastung ergibt wichtige Informationen über die Batterie, bestehend aus der offenen Klemmenspannung, der Klemmenspannung unter Belastung und des Innenwiderstandes. Batterien auf Nickelbasis sollten immer eine offene Klemmenspannung von ca. 1.1V/Zelle anzeigen, auch wenn sie leer ist. Die elektrochemische Reaktion der verschiedenen Metalle in der Zelle ergeben dieses Spannungspotential. Eine tiefere Spannung kann eine Anzeige für hohe Selbstentladung oder einen teilweisen elektrischen Kurzschluss sein.

Eine Batterie auf Bleibasis muss immer geladen sein, und die offene Klemmenspannung sollte 2.0V/Zelle oder höher sein. Wenn sie tiefer als 2.0 Volt ist, wird eine Sulfatierung aufgebaut, die das weitere Aufladen schwierig, wenn nicht unmöglich macht. Eine offene Klemmenspannung von 2.10V/Zelle zeigt an, dass die Batterie, grob geschätzt, 50% geladen ist.

Die Spannung einer Batterie auf Lithiumbasis kann in einem gewissen Mass einen Hinweis auf den Ladezustand (SoC) geben. Eine voll geladenen Zelle zeigt ca. 4.0V/Zelle an, und an einer teilweise geladenen Zelle misst man eine Spannung zwischen 3.0 und 4.0V/Zelle.

Der Test unter Belastung verwendet eine momentane Last, während der die Spannung gemessen wird. Strom durch Spannung ergibt den Widerstand. Zuverlässigere Resultate werden erhalten, wen die Belastung in zwei Schritten erfolgt. Figur 1 zeigt den Spannungsverlauf eines solchen Tests in zwei Schritten.

Figur 1:DC Belastungstest. Der DC-Belastungs-test misst den Batte-rie-Innenwiderstand mit Hilfe des Span-nungsabfalls bei zwei verschiedenen Lasten verschie-dener Stärken.

Der AC-Leitfähigkeitstest
Eine andere Methode, den Batterie-Innenwiderstand zu messen, ist der AC-Leitfähigkeitstest. Ein Wechselstrom von 50 bis 1000 Hz wird an den Batterieklemmen angelegt. Die Reaktanz der Batterie ergibt eine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom, welche den Zustand der Batterie umschreibt. Die AC-Leitfähigkeit arbeitet am besten mit Einzelzellen. Figur 2 zeigt die Beziehung zwischen Spannung und Strom an einer Batterie.

Figur 2: AC-Belastungstest Die AC-Methode misst die Phasen-verschiebung zwischen Spannung und Strom. Die Batteriereaktanz und/oder die Spannungsabweich-ungen werden verwendet, um die Impedanz zu berechnen.

Gewisse AC-Widerstandsmessgeräte verwenden nur Ladefaktor und ignorieren die Informationen betreffs der Phasenverschiebung. Diese Technik verhält sich ähnlich wie die Impulsmethode, in welcher die Wechselspannung der Batteriegleichspannung überlagert wird, und als kurze Lade- und Entladeimpulse agiert. Die Amplitude der Stromschwankungen wird verwendet, um den Innenwiderstand zu berechnen.

Es gibt einige Unterschiede in der Widerstandsmessung zwischen 'Test unter Belastung' und 'AC-Leitfähigkeitstest'. Die Unterschiede sind deutlicher bei schlechteren Batterien als bei guten Batterien. Welches der Resultate ist richtig? In verschiedener Beziehung ist die AC-Leitfähigkeitsmessung jener des Tests unter Belastung überlegen. Trotzdem kann eine Ein-Frequenzenmessung nicht genügend Daten erfassen, um die Batterie ausreichend zu definieren. Mehr-Frequenzenmessgeräte werden entwickelt, aber ihre Komplexität steigt exponentiell an mit der Anzahl der verwendeten Frequenzen

Widerstandsmessungen, als Gesamtes, ergeben nur ein grobes Bild der Batterieleistung, da mehrere Batterieeigenschaften die Messungen beeinflussen. Zum Beispiel, eine Batterie, die soeben aufgeladen wurde, zeigt eine höhere Widerstandsmessung an, als eine, die während einiger Stunden geruht hat. Eine leere oder beinahe leere Batterie zeigt ebenfalls einen erhöhten Innenwiderstand. Um zuverlässige Messresultate zu erhalten, muss die Batterie zumindest 50% geladen sein.

Im weiteren beeinflusst die Temperatur die Messungen des Innenwiderstandes. Eine heisse Batterie misst tiefere Widerstandswerte als eine bei Umgebungstemperatur oder gar eine, die kalt ist. Dazu kommt ausserdem, dass die Chemie, die Anzahl der in Serie geschalteter Zellen und die Stromeinstellungen (angegeben in mAh) einer Batterie, die Resultate beeinflussen. Viele Batterien enthalten ebenfalls eine Schutzschaltung, die zusätzlich die Messresultate verzerren.

Der Schnelltest von Cadex (QuickTest™)
Cadex Electronics hat eine Methode entwickelt, um den Gesundheitszustand (SoH) einer Batterie in 3 Minuten bestimmen zu können. QuickTest™ verwendet ein hängiges Patent mit Interferenzalgorithmen zur Verschmelzung der Daten aus sechs Variablen, Kapazität, Innenwiderstand, Selbstentladung, Ladeakzeptanz, Entlademöglichkeit und Beweglichkeit des Elektrolyts. Die Daten werden verglichen mit Referenzalgorithmen, um eine zuverlässige Anzeige des Gesundheitszustandes in Prozent zu erhalten. Figur 3 zeigt die allgemeine Struktur eines solchen Netzwerkes.

Figur 3: Allgemeine Struktur des Cadex Schnelltests™ Mehrere Variabeln werden in einem Mikroprozessor gemischt und mit einer Parallellogik verarbeitet. Diese Informationen werden verglichen und gemäss den Batterie-Anwendungen gewichtet

Der Schnelltest QuickTest™ ist in den Batterieanalysern der Serie Cadex C7000 eingebaut und wird verwendet für die Wartung von Batterien auf Nickel-, Lithium- und Bleibasis, für Funkgeräte, Mobiltelefone, Laptop's, Scanner und medizinische Geräte. Die Analyser sind programmierbar durch den Benutzer, und können verschiedene Funktionen erfüllen, wie u.a. formatieren und regenerieren von Batterien, Schnellladung, Test der Lebenserwartung und 'aufwecken'.

QuickTest™ verwendet batteriespezifische Matrizen, die erhalten werden können durch eine Lernprozedur des Analyser's. Diese Lernmöglichkeit erlaubt das Erfassen von neuen Batteriemodellen im Feld. Die Matrizen werden in den Batterieadaptern gespeichert, und konfigurieren automatisch den Analyser mit den richtigen Batterieeinstellungen. Die Adapter enthalten normalerweise die Matrizen ab Produktion. Wenn nicht, können die Matrizen im Feld eingelesen werden, durch 'Lesen' von Batteriedaten von zwei oder mehr Batterien mit dem Learn-Programm des Analyser's. Der benötigte Ladezustand, um den QuickTest™ durchführen zu können, ist 20 bis 90%. Wenn der Ladezustand ausserhalb dieses Bereiches liegt, führt der Analyser automatisch eine kurze Ladung oder Entladung durch.

Wie ist die Definition des Gesundheitszustandes (SoH) und wann soll eine Batterie ersetzt werden? Der SoH zeigt die allgemeinen Batterieeigenschaften, basiert auf den oben erwähnten Variabeln, die da sind Kapazität, Innenwiderstand, Selbstentladung, Ladeakzeptanz, Entlademöglichkeit und Beweglichkeit des Elektrolyts. Wenn eine dieser Variabeln einen schlechten Messwert anzeigt, wird das Endresultat entsprechend beeinflusst. Eine Batterie hat vielleicht eine gute Kapazität, aber der Innenwiderstand ist hoch. In diesem Fall wird das SoH-Messresultat entsprechend verschlechtert. In ähnlicher Weise werden Negativpunkte ermittelt, wenn die Batterie eine hohe Selbstentladung oder andere chemische Mängel zeigt. Eine Batterie sollte ersetzt werden, wenn der SoH unterhalb 80% fällt.