Test und Diagnose Akkus auf dem Prüfstand

Batterien und Akkus sind erstaunlich empfindlich, weswegen zumindest im professionellen Einsatz Prüf- und Diagnoseverfahren das Leben der Stromlieferanten begleiten.

Bei der Zusammenstellung von Zellen zu Akkupacks (Batteriemodulen) ist es wichtig, dass die Zellen untereinander möglichst ähnlich sind (Bild 1). Je nach Verschaltung (seriell oder parallel) werden die Zellen entweder mit gleichem Strom oder mit gleicher Spannung ge- und entladen; dies belastet abweichende Zellen demzufolge stärker. Dies bewirkt, dass diese Zellen schneller altern und als schwächstes Glied die Leistungsfähigkeit des gesamten Moduls bestimmen.

Eine häufig verwendete Abhilfe ist der elektronische Ladungsausgleich. Meist als Teilfunktion eines Batterie-Management-Systems (BMS) sorgt er dafür, dass abweichende Zellen durch zusätzliche Lade- beziehungsweise Entladevorgänge auf den gleichen relativen Ladezustand (State of Charge, SoC) gebracht werden. Damit wird zwar das Symptom behandelt, allerdings um den Preis laufender zusätzlicher Belastung der abweichenden Zellen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Ursache anzugehen, und die Zellen gleich von Anfang an möglichst gleichartig zusammenzustellen. Mit geeigneten Messverfahren lassen sich die Zellen einfach und rasch nach den beiden wichtigsten Kenngrößen Kapazität und Innenwiderstand klassifizieren und damit Module nach Gruppen (Grades) zusammenstellen.

Selektionsmethoden

Bei der Selektion nach Innenwiderstand reicht es im Allgemeinen nicht aus, nur bei einer Standardfrequenz (beispielsweise 1 kHz) zu messen, da Lade- beziehungsweise Entladevorgänge mit höheren Zeitkonstanten ablaufen und demzufolge auch die niederfrequenten Impedanzen eine Rolle spielen. Deshalb ist es sinnvoll, über einen breiten Frequenzbereich (etwa von 1 Hz bis 1 kHz) zu messen und die Ortskurven des Innenwiderstandsverlaufs zu vergleichen (Bild 2). Da die Ortskurven unter anderem vom Ladezustand abhängen, sollte für die Messung ein einheitlicher Ladezustand bestehen, etwa durch Parallelschaltung der zu messenden Zellen. Nach circa einer halben bis einer Stunde hat sich ein Gleichgewicht eingestellt und die einzelnen Zellen können wieder vereinzelt und mit hoher Präzision relativ zueinander vermessen werden.

Generell zeitaufwendiger als eine Innenwiderstandsmessung ist eine 
Kapazitätsmessung, sie kann Stunden statt Sekunden dauern. Deshalb wird sie weniger häufig durchgeführt. Unter Kapazität versteht man dabei das Ladevermögen, also die im Fall einer Vollladung noch maximal speicherbare Ladung oder Energie. Allerdings ist die Streuung der Batteriekapazität vielfach geringer als die des Innenwiderstands, sodass oft eine Selektion nach diesem Parameter ausreicht. Eine zeitsparende und elegante Möglichkeit des Kapazitätstests besteht im Rahmen des Funktions- oder Abschlusstests. Hierbei werden die Batteriemodule meist einem Lade-/Entladezyklus unterworfen, um die Gesamtfunktion (inklusive BMS) zu validieren (Bild 3).

Wie lang lebt der Akku noch?

Wenn man parallel dazu, zum Beispiel während des Entladens, die einzelnen Zellspannungen misst, dann kann man aus den unterschiedlichen Zeiten zum Erreichen der Entladeschlussspannung auf eine von den übrigen Zellen abweichende Kapazität schließen. Hierbei kommt es nicht auf eine absolute Spannungsmessung an; wichtig ist lediglich eine relative Aussage der Spannungsverläufe zueinander. Mit hochauflösender Vielfach-Spannungsmesstechnik lassen sich so innerhalb von Minuten Trends feststellen. Bei hochwertigen Anwendungen macht sich der geringe zusätzliche Mess- und Zeitaufwand bei der Modulherstellung meist durch höhere Zuverlässigkeit und längere Lebensdauer bezahlt.

Wenn die Zellen dann erfolgreich kombiniert sind, geht der Akku beziehungsweise der Akkupack in die Anwendung oder erst einmal in die Lagerhaltung. In beiden Fällen besteht nach einiger Zeit der Wunsch – oder die Notwendigkeit –, die Gebrauchstauglichkeit (State of Health, SoH) von nicht mehr neuwertigen Systemen einfach und rasch festzustellen. Typische Szenarien sind: 

  • Messung von Akkus, die nicht mehr die volle Leistung bringen, 
  • Qualifizierung von Akkus in Organisationen mit vielen unterschiedlichen Typen und 
  • Bewertung von neuen Akkus vor der Auslieferung nach einer Lagerzeit. 

Dabei möchte man die aktuelle Kapazität eines Akkus im Verhältnis zu seiner Anfangskapazität (oder auch Nennkapazität) feststellen; ist diese unter einen bestimmten Wert (häufig 80%) abgesunken, gilt das Exemplar als nicht mehr einsatzfähig. Interessanterweise kehrt sich hier die Präferenz der verwendeten Messverfahren um.

Die direkte Methode besteht darin, den Akku – am besten mit dem empfohlenen Ladegerät – aufzuladen und anschließend kontrolliert zu entladen. Während der Entladung wird der Strom gemessen und über der Zeit integriert, das ergibt die Ladung. Ist die Entladeschlussspannung erreicht, findet die Entladung ein Ende; die bis dahin entnommene Ladungsmenge entspricht der noch verfügbaren Entladekapazität. Dieser Vorgang dauert zumeist mehrere Stunden.

Eine wesentlich kürzere Messzeit lässt sich mit indirekten Messverfahren erzielen; dabei wird der Innenwiderstand des Prüflings gemessen. Aus Erfahrung weiß man, dass sich der Innenwiderstand erhöht, wenn die Akkuzellen altern. Aus dem Verhältnis des gemessenen Innenwiderstands zum Initialwert eines neuen Akkus lässt sich dann die Restkapazität abschätzen. Die Genauigkeit der Messung wird von der exemplarabhängigen Streuung der Innenwiderstände bestimmt, meist sind aber zumindest qualitative Aussagen möglich. Bei geeigneter Wahl des Messverfahrens ist das Ergebnis auch nur wenig vom Ladezustand abhängig. Bei Einzelzellen wird das Ende der typischen Gebrauchsdauer durch eine Verdopplung des Innenwiderstands indiziert, bei Fahrrad-Akkus (Li-Ion) ist sie – aufgrund von in Reihe liegenden Schutzkomponenten) – bereits bei einem Anstieg um 50% erreicht.

Selbstdiagnose

Bei der Durchführung einer Akkudiagnose kann ein zweistufiger Ansatz sinnvoll sein. Zunächst erfolgt eine Schnelldiagnose durch Messung des Innenwiderstands Ri im Vergleich zu einem Referenzwert. Diese erlaubt es, in wenigen Sekunden eine qualitative Aussage anhand einer Ampeldarstellung zu treffen (rot: unbrauchbar; gelb: brauchbar; grün: gut). Bei einer grünen Anzeige liegt eindeutig ein gutes Exemplar vor. Im Fall einer gelben oder roten Anzeige kann die verbleibende Restkapazität genauer durch eine Ladungsmessung bestimmt werden.

Als zweiter Schritt folgt die quantitative Kapazitätsmessung. Da viele Akkutypen hochstromfähig sind (z.B. Li-Ion), kann die Entlademessung rasch, beispielsweise innerhalb einer Stunde erfolgen. Dazu wird der vorher (z.B. über Nacht) vollgeladene Akku mit einem Messgerät kontrolliert entladen und so innerhalb einer Stunde das verbleibende Ladevermögen (absolut in Amperestunden oder relativ in Prozent) bestimmt. Als einzige Vorbereitung sollte die Nennkapazität ins Messgerät eingegeben werden.

Durch diesen zweistufigen Ansatz kann man auch größerer Mengen von Akkus effizient und vollständig prüfen: Mit einer raschen Innenwiderstandsmessung wird die »Spreu vom Weizen getrennt« und die guten Exemplare identifiziert, nur die verbleibenden »nicht-guten« Exemplare werden einer etwas längeren Entlademessung unterzogen. Mit zugeschnittener Messtechnik sind beide Prüfungen mit kompakten Geräten und mit wenigen Knopfdrücken durchführbar.