Akkus Qualitäts-, Kapazitäts- und Lebensdauertests

Wiederaufladbare Batterien oder Akkus werden üblicherweise mittels Lade- und Entladezyklen getestet. Ein typischer Testaufbau besteht aus programmierbaren Spannungsversorgungen, elektronischen Lasten sowie Spannungs- und Strommessgeräten. Kann das alles nicht auch ein einziges Messgerät lösen?

Die Entladecharakteristik einer wiederaufladbaren Batterie liefert wichtige Hinweise auf deren Kapazität und Lebensdauer. Und im Fertigungstest läuft oft ein Lade- und Entladezyklus, um die Qualität der Batterie zu bestimmen und um sicherzustellen, dass die Batterie nicht kurzgeschlossen ist. Dabei kommen vielfältige Methoden zum Einsatz, beispielsweise eine konstante Strom- oder Spannungsquelle.

Bei der konstanten Spannungsmethode liefert eine programmierbare Spannungsquelle eine feste Spannung. Der Strom der Spannungsquelle ist für eine sichere Ladungsgeschwindigkeit begrenzt. Wenn sich die Batterie dem vollen Ladezustand nähert, fällt der Ladestrom, bis er schließlich gegen Null geht. Um Sicherheitsrisiken und Schäden zu vermeiden, darf die Batterie nicht überladen werden.

Batterieentladungen auf Niveaus unterhalb ihrer Entladeschlussspannung, sogenannte Tiefentladungen, können wiederum längere Ladezeiten und Schäden verursachen. Batterien werden auch mittels eines Konstantstroms geladen. Bei dieser Methode liefert eine programmierbare Stromquelle einen konstanten Strom. Die Stromquelle lädt beziehungsweise entlädt die Batterie so lange, bis ein vorprogrammiertes Spannungsniveau erreicht wird.

Lade- und Entladegeschwindigkeiten werden in Form der Kapazität definiert. Die Batteriekapazität errechnet sich aus dem Zeitintegral des Stromflusses aus der Batterie vom Beginn des Stromflusses bis zum Erreichen einer spezifizierten Ausschaltspannung. Die Kapazität C ist in Amperestunden spezifiziert und sollte als Laststrom ausgedrückt werden.

Zum Beispiel wird eine Zelle mit 500 mAh bei einem Entladestrom von 50 mA mit einer Rate von 0,1C oder C/10 entladen. Diese Batterie könnte eine Last von 10 mA fünfzig Stunden lang versorgen. Batteriegröße, Chemie, Temperatur, Entladungsgeschwindigkeit, Unterbrechungszeit, etc. sind Faktoren, die die Kapazität beeinflussen.

Ladungsgeschwindigkeiten variieren abhängig von der Anwendung. Im Folgenden wollen wir näher auf diese Testmethoden eingehen, wobei jeweils die »Sourcemeter«-Instrumente von Keithley mehrere separate Geräte ersetzen. Da diese Systeme sowohl Strom als auch Spannung einprägen und gleichzeitig messen können, braucht man nur ein Gerät zum Zyklustest.

Bild 1 zeigt eine wiederaufladbare Batterie, die an ein solches Sourcemeter angeschlossen ist. Im Konstantspannungsmodus stellt der Benutzer den Wert der Spannungsquelle auf ein Niveau ein, auf das die Batterie letztendlich geladen oder entladen werden soll. Zudem legt er die Strombegrenzung für den entsprechenden Batterietyp passend fest. Daher bleibt das Instrument beim Laden oder Entladen solange in der Strombegrenzung und arbeitet als Konstantstromquelle, bis es das Spannungsniveau erreicht.

Bild 2 zeigt ein Sourcemeter, das entweder Strom, Spannung oder beides messen kann, wenn es als Konstantstromquelle arbeitet. Zuerst stellt der Benutzer den gewünschten Stromausgangswert ein. Zum Laden nutzt man einen positiven, zum Entladen einen negativen Teststrom. Beim Entladen setzt der Anwender die Spannungsbegrenzung auf ein gewünschtes Spannungsniveau.

Das Gerät arbeitet solange als Konstantstromquelle, bis dieses Spannungsniveau erreicht wird. An diesem Punkt geht das Gerät in die Begrenzung und agiert als Konstantspannungsquelle. Beim Ent-laden setzt man die Spannungs-begrenzung auf ein höheres Niveau als die Batterienennspannung. Sie darf in diesem Fall niemals geringer sein, da ansonsten das Gerät in der Begrenzung arbeitet und einen Strom ausgibt, der höher als gewünscht ist.

Achtung: Bei der Nutzung eines Sourcemeters zur Ladung und Entladung einer Batterie mittels Stromausgabe ist darauf zu achten, dass die Batteriespannung niemals den Spannungsbegrenzungswert überschreitet, da sonst überhöhter Strom aus der Batterie gezogen wird. Dabei sollte der Ausschaltzustand der Stromquelle hochohmig sein. Andere Ausschaltzustände setzen die Spannungsbegrenzung auf null, was wieder zu einem unerwünscht hohen Strom führen würde. Neben der Methode des konstanten Stroms können auch Strompulse konstanten Wertes verwendet werden. Das empfiehlt sich besonders in Anwendungen, die digitale Lastströme nutzen.

Testautomatisierung

Da Lade- und Entladezyklen oft mehrere Stunden dauern, ist eine Automatisierung der Tests mit einem PC und programmierbaren Geräten wünschenswert. Sourcemeter können dazu neben der altbekannten IEEE-488-Schnittstelle auch mittels LXI (LAN Extension for Instruments) über Ethernet Kommandos empfangen und ausführen und Ergebnisse liefern.

Eine deutlich verbesserte Testintegration und Geschwindigkeit wird mit der neuen »Test Script Processor«-Technologie (TSP) von Keithley erreicht. Dabei erstellt der Anwender Testskripts, lädt sie auf die Sourcemeter der »2600«-Serie und lässt komplette Tests auf Geräteebene ausführen. Auf eine Kommunikation zwischen Gerät und PC kann man während des Tests verzichten, sodass sich das Timing verbessert und die Testzeiten verkürzen.

Das Messinstrument nimmt die Lade- oder Entladekurve auf und berechnet mit seinem integrierten Prozessor daraus die Batteriekapazität. Deren Wert kann zur Offline-Bearbeitung zur Verfügung gestellt oder für weitere Prozesse auf Geräteebene verwendet werden. Letztendlich benötigt man den PC nur noch zum Laden der Skripts und zur Offline-Analyse.

Um statistisch relevante Aussagen über die Qualität von Batterien zu erhalten, ist es wünschenswert, mehrere Batterien simultan zu testen (Bild 3). Dazu werden sie in Reihe geschaltet und mit einem Sourcemeter mittels der Methode der konstanten Stromquelle geladen oder entladen. Ein Digital-multimeter-/Umschaltsystem erfasst die einzelnen Batteriespannungen.

In diesem Fall tritt der Vorteil der Geräte mit TSP-Technologie noch deutlicher zutage. Das Sourcemeter der »2600«-Reihe und das Digitalmultimeter-/Umschaltsystem der »3706«-Reihe (siehe großes Bild) nutzen eine Master/Slave-Konfiguration mithilfe der TSP-Link-Verbindung, um den kompletten Test schnell und autark durchführen zu können. Über diesen firmeneigenen Bus kommunizieren die Geräte Befehle und Daten. Das Thema der Batterieselbstentladung wird hier nicht näher betrachtet. Jedoch lässt sich auch diese mittels eines Vergleichs von Lade- und Entladekurven bestimmen, die vor und nach längeren Ruhepausen mit einem Sourcemeter erfasst werden.

Über den Autor:

Peter Bachmayr ist Technischer Marketing Manager bei Keithley Instruments Tektronix.