Rechnergestützte Messtechnik Akku-Betriebsdauer auf dem Prüfstand

Betriebszeit-Messungen an akkubetriebenen Geräten
Betriebszeit-Messungen an akkubetriebenen Geräten

Bei akkubetriebenen Geräten ist die mögliche Betriebsdauer pro Ladung eine der wichtigsten Kenngrößen. Daher muss ein Hersteller die „Akku- Laufzeit“ seiner Geräte kennen, nicht nur im Interesse des Endverbrauchers, sondern auch um festzustellen, ob Änderungen der Energieverwaltung tatsächlich erfolgreich waren, also zu einer längeren Akku- Betriebsdauer führen.

Die Akku-Betriebsdauer wird bestimmt, indem man das Gerät mit vollgeladenem Energiespeicher einschaltet und dann die Zeit misst, bis es seinen Dienst einstellt. Diese Definition ist einfach, aber die Umsetzung hat ihre Tücken, denn eine Reihe von Variablen beeinflusst die Messung - und der Teufel steckt im Detail (Tabelle).

Was kann die
Akku-Simulation?

Man könnte beispielsweise in Betracht ziehen, eine Stromversorgung zu verwenden, die im Rahmen einer Betriebsdauer-Messung einen Akku simuliert. Das hat sich aber nicht als praktikabel erwiesen. Es ist zwar ein gewisser Aufwand, mit echten Akkus eine hinreichende Reproduzierbarkeit der Akku-Daten zu erreichen (Typ und Ladungszustand). Wenn man aber mit einer Labor-Stromversorgung einen Akku simuliert, bringt man damit zusätzliche Variablen und Fehlerquellen in die Messung.

Variable bei der Akku-
Betriebsdauer-Messung

Überlegungen
Lösung
AkkuAkkus sind nicht alle gleich, auch beim gleichen Typ des gleichen Herstellers zeigen sich Exemplarstreuungen;
die Akkus können unterschiedlich alt sein oder von verschiedenen Produktionsstandorten stammen.
Messung mehrfach mit verschiedenen Exemplaren des Akkus durchführen.
Ladezustand des Akkus Für die korrekte Zeitbestimmung muss man mit einem vollgeladenen Akku anfangen. Ist der Akku zu Beginn der Messung bereits teilweise entladen oder weist er aufgrund seines Alters bereits eine verringerte Kapazität auf, ist die Akku-Betriebsdauer kürzer. Sicherstellen, dass man nur mit vollständig aufgeladenen Akkus misst. Vor der Messung die Akkus mit einem Konditioniergerät konditionieren, vollständig entladen, danach wieder vollständig aufladen.
Anwendung des TestobjektsBei der Messung der Akku- Betriebsdauer muss man das Testobjekt „laufen lassen”.  Was aber bedeutet das? In verschiedenen Betriebszuständen braucht das Testobjekt unterschiedlich viel Strom und läuft somit mit einer Akku-Ladung unterschiedlich lang. Bei einem Smartphone beispielsweise bestimmt man die Akku- Betriebsdauer mit einer Kombination von Sprechen, Versenden von Kurzmitteilungen, Herunterladen und Anschauen von Videos und Internetzugriff.Für die Messung der Akku-Betriebsdauer muss eine Standardnutzung festgelegt werden (bzw. ein Zyklus verschiedener Nutzungsarten), die dann während der Messung streng eingehalten werden muss.
Bestimmung des Endes der Akku-BetriebsdauerBei komplexeren Geräten könnte man das Ende der Akku-Betriebsdauer bestimmen als Zeitpunkt, wenn das Gerät eine Akku-Warnung ausgibt. Bei einfacheren Geräten (etwa einer Taschenlampe) könnte man diesen Zeitpunkt festlegen als die Zeit, an dem das Licht erlischt.Akku-Spannung als Näherungswert verwenden, d.h., die Zeit messen, bis die Akku-Spannung eine vordefinierte geringe Schwellenspannung erreicht, und diese dann als Zeichen dafür nehmen, dass das Gerät nicht mehr arbeitet.
Die verschiedenen Einflussparameter bei der Akku-Betriebsdauer-Messung

Eine normale Stromversorgung arbeitet anders als ein Akku, denn sie wird nie leer. Somit erreicht eine Betriebsdauer-Messung nie die Abbruchbedingung. Damit man eine Stromversorgung als Akku-Emulator nutzen kann, muss sie spezielle Fähigkeiten aufweisen: Ihr Ausgangswiderstand muss einstellbar sein, und sie muss eine exzellente Transientenantwort auf die impulsartige Stromentnahme durch das Testobjekt aufweisen. Um einen Akku allerdings vollständig zu emulieren, muss die Ausgangsspannung der Stromversorgung im Lauf der Laufzeitmessung je nach entnommener Ladungsmenge absinken.

Eine solche Simulation der Akku-Entladung ist nicht ganz einfach, man braucht dazu eine ausgefeilte Modellierung des Akkus. Wenn die Modelldarstellung eines Akkus nicht passt, stimmen die Ergebnisse von Laufzeitmessungen, die mit einer programmierbaren Stromversorgung ermittelt werden, nicht mit den Ergebnissen überein, die man mit einem echten Akku ermittelt. Solange also kein guter Akku-Modellierungs-Algorithmus verfügbar ist, dürfte es die beste Methode sein, die Betriebsdauer-Messung mit echten Akkus durchzuführen, weil das genau die gleichen Ergebnisse erbringt, die der Anwender in der Praxis mit dem betreffenden Gerät hat.

Ingenieure wollen mehr sehen als nur die Betriebsdauer

Wenn man ein Gerät entwickelt, möchte man einen möglichst umfassenden Einblick gewinnen, was während der Messung passiert, will also mehr Daten erfassen als lediglich die Betriebsdauer. Im vorliegenden Fall verfolgt man zusätzlich simultan die Akku-Spannung und den entnommenen Strom. Trägt man Spannung und Strom gegen die Zeit auf, bekommt man ein vollständiges Bild der Akku-Betriebs-dauer-Messung (Bild 1).

Will man gleichzeitig die Akku-Spannung messen und den Strom, der über Akku und Testobjekt fließt, braucht man dazu zwei Digitalmultimeter (DMM), einen zweikanaligen Datenlogger oder einen zweikanaligen A/D-Wandler. Die Messung der Akku-Spannung  ist trivial. Die Spannung ändert sich langsam. Wenn das DMM oder der Datenlogger einmal pro Sekunde misst, sollte das allemal schnell genug sein, um die langsam abfallende Akku-Spannung zu erfassen. Den Strom hingegen zu messen, ist nicht so einfach. Viele akkubetriebene Geräte arbeiten mit ausgefeilten Energiesparmechanismen, um eine möglichst lange Betriebsdauer zu erzielen. Diese schalten Subsysteme im Gerät nach Bedarf ein und aus, manchmal nur für wenige Sekunden-Bruchteile. Infolgedessen kann die Stromaufnahme des Geräts in kürzester Zeit zwischen μA und A schwanken.  Ein DMM, das bei seinen Messungen über hunderte von ms hinweg integriert, kann so schnelle Stromschwankungen aber nicht erfassen.

Ein weiteres Problem bei DMMs ist der durch die Strommessung verursachte Spannungsverlust. Konfiguriert man ein DMM als Amperemeter, fließt der zu messende Strom im DMM durch einen kalibrierten Messwiderstand. Das DMM misst den Spannungsabfall über diesem Widerstand und errechnet daraus den Strom. Dieser Spannungsabfall im DMM verringert aber die Versorgungsspannung für das Testobjekt, manchmal um mehrere hundert Millivolt (Bild 2).

Will man eine sich schnell ändernde Größe über einen langen Zeitraum verfolgen, ist ein A/D-Wandler die beste Lösung. Ein A/D-Wandler verfügt über eine hinreichend große Bandbreite, so dass er eine sich schnell ändernde Größe verfolgen kann. Allerdings kann ein A/D-Wandler Strom nicht direkt messen, daher muss man mit ihm den Spannungsabfall an einem  Messwiderstand messen. Wenn aber der Dynamikbereich des zu messenden Stroms von μA bis A reicht, wie groß soll der Messwiderstand dann sein? Bemisst man den Messwiderstand so, dass er den niedrigsten Strom genau misst, fällt an ihm bei hohen Strömen untragbar viel Spannung ab, so dass das Testobjekt nicht mehr richtig funktioniert. Ist der Messwiderstand aber für den großen Strom bemessen, so fällt an ihm bei kleinen Strömen so wenig Spannung ab, dass der A/D-Wandler sie nicht mehr genau messen kann. Man muss bezüglich der Messgenauigkeit bei kleinen Strömen einen Kompromiss schließen, indem man einen Messwiderstand wählt, der sowohl für hohe Ströme geeignet ist (mit akzeptablem Spannungsabfall) als auch für kleine Ströme (mit einem Spannungsabfall am unteren Rand des Messbereichs des A/D-Wandlers).

Eine neue Lösung für Akku-Betriebsdauer-Messungen

Im Jahr 2010 brachte Agilent Technologies die speziell zur Messung des Entladeverhaltens von Akkus entwickelte Zwei-Quadranten-SMU (Source/Measure Unit) N6781A und eine Software für Akku-Betriebsdauer-Messungen auf den Markt (Bild 3). Die SMU kann als Strommessgerät ohne Spannungsabfall konfiguriert werden, das bedeutet, dass im Gerät kein Spannungsabfall auftritt, wenn es den Strom zwischen Akku und Testobjekt misst. Das Ge-rät bietet zusätzlich einen „nahtlosen Messbereich, es kann damit mit 100000 Samples pro Sekunde Ströme zwischen μA und A messen und wechselt dabei sofort und automatisch den Messbereich, ohne dass beim Wechsel Daten verloren gehen. Damit ist das Gerät gut geeignet für die Messung von dynamischen Strombelastungen im Rahmen von Akku-BetriebsdauerMessungen. Gleichzeitig erfasst das Gerät die Akkuspannung. Mit der Steuer- und Analyse-Software 14585 von Agilent kann man letztlich eine Akku-Betriebsdauer-Messung schnell einrichten und durchführen sowie die Messwerte erfassen und grafisch ausgeben, ohne dass man dafür irgendwelche Messprogramme zu schreiben hätte.

 Bob Zollo
arbeitet seit 27 Jahren bei HP/Agilent. Dabei war er viele Jahre in den Marketing-Organisationen für Stromversorgungen, Testsysteme und andere Gerätekategorien tätig. Derzeit arbeitet er als Produktplaner für die Systems Products Division bei Agilent in den USA.