Tests von Akkupacks Batteriemessungen im Labor und die Grenzen des Datenblatts

Bei der Auswahl von Akkuzellen liefert das Datenblatt nur eine grobe Orientierung. Wie sich der fertige Akkupack bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen oder wechselnden Entladeströmen verhält, kann nur schwer abgeschätzt werden. Hier können Labortests helfen.

Im Gegensatz zu anderen elektronischen Bauteilen reagiert ein Akku sehr empfindlich auf Änderungen der Betriebsbedingungen. Wichtige Kenngrößen wie Lebensdauer, Kapazität oder Spitzenleistung sind von den Betriebsbedingungen wie der Umgebungstemperatur, dem Entladeprofil und der Laderate abhängig.

In vielen Fällen weichen die tatsächlichen Einsatzbedingungen erheblich von den im Datenblatt der Zelle angegebenen Idealbedingungen ab. Das heißt für den Entwickler, dass er zusätzliche Messungen oder eine Berechnung der erwarteten Leistung benötigt, um die Leistung eines Akkupacks in der Praxis vorherzusagen. Diese Methoden werden nachfolgend besprochen.

Der Wert des Datenblatts

Bei der Entwicklung oder Spezifizierung eines Akkupacks haben Komponenten wie die Ladeschaltung, die Schutzschaltung und das Gehäuse messbaren Einfluss auf die Leistung des Systems. Der Faktor, der vor allem die elektrische Leistung des Akkupacks einschränkt, ist jedoch die Leistung der Zellen. Darum ist das Datenblatt einer Zelle eine wichtige Ressource.

In der Praxis liefert ein typisches Datenblatt aber nur Angaben zum Verhalten der Zelle unter ganz bestimmten Bedingungen. Nehmen wir als Beispiel ein verbreitetes Produkt, eine zylindrische Lithium-Ionen-Zelle der Bauform 18650. Das Datenblatt des vorliegenden Produkts gibt eine Mindestnennkapazität von 2.750 mAh an.

Diese Spezifikation gilt jedoch nur bei einem konstanten Entladestrom von 550 mA und einer Temperatur von 25 °C. Dasselbe Datenblatt enthält Entladekurven mit der Spannung und der gesamten Ausgangsleistung bei drei verschiedenen Entladeraten - aber ebenfalls nur bei konstantem Stromfluss und 25 °C. Die Auswirkungen von Temperaturschwankungen auf die Nennspannung und die Kapazität werden in einer getrennten Grafik gezeigt, aber auch dies nur bei einem einzigen - wiederum konstanten - Entladestrom, wie er in der Praxis fast nie auftritt.

Die Lebenserwartung in Ladezyklen, also die Anzahl der Lade- und Entladezyklen, die von der Zelle zu erwarten sind, wird auch wieder nur bei einem einzigen konstanten Wert des Entladestroms und einer Temperatur von 25 °C angegeben.

Diese Daten helfen beim Vergleich verschiedener Zellen und bei einer ersten Bewertung ihrer Leistungsfähigkeit. Wenn es etwa um eine Anwendung geht, bei der normalerweise eine durchschnittliche Umgebungstemperatur von 5 °C herrscht, ist so ein Vergleich sinnvoll. Hat zum Beispiel Zelle A sowohl bei 0 °C als auch bei 25 °C eine höhere Kapazität als Zelle B, dann ist es wahrscheinlich, dass sie auch bei 5 °C eine höhere Kapazität haben wird.

Eine solche Art der relativen Beurteilung ist bei der Komponentenauswahl wichtig. Wenn man jedoch wissen will, ob eine ausgewählte Zelle in einem Endprodukt tatsächlich funktioniert, sind absolute Leistungsdaten erforderlich, und hier stößt der Entwickler an die Grenzen des Datenblatts. Er kann zwar eine gewisse Hochrechnung auf Basis des Datenblatts erstellen, Gewissheit über die wirkliche Leistung verschafft jedoch nur ein Test oder Erfahrungswerte über die Zelle aus ähnlichen Anwendungen.

Bei Einsatzbedingungen, die wesentlich von den Bedingungen des Datenblatts abweichen, ist es jedoch unmöglich, die Spezifikation des Datenblatts zur Hochrechnung heranzuziehen. So unterscheidet sich z.B. das Entladeprofil bei einem Pedelec völlig von den idealisierten Bedingungen des Datenblatts mit einem konstanten Entladestrom.

Bei einer Fahrt durch hügeliges Gelände nimmt der Fahrer z.B. an einer Steigung die Spitzenleistung in Anspruch, schaltet den Elektromotor bei der anschließenden Abfahrt im Leerlauf wieder ab, und dies in einem sich wiederholenden Muster von Phasen mit hohem bzw. keinem Entladestrom. In vielen Fällen liegt die Temperatur im Gehäuse des Akkupacks deutlich über 25 °C, weil bei hohen Strömen allein schon durch die Leistungselek-tronik entsprechende Wärme durch Verlustleistung erzeugt wird.

In gleicher Weise müssen die Pedelec-Daten aber auch für den Betrieb in kalten nördlichen Klimazonen berechnet werden, wo bei Betrieb und Lagerung Temperaturen weit unterhalb von 25 °C zu erwarten sind (Bild 1).

Damit ist klar, dass die Leistungsangaben des Datenblatts bei konstantem Strom und einer konstanten mäßigen Temperatur für den Entwickler eines Pedelec-Akkus keine vollständigen Angaben zum Verhalten des Akkupacks in der Praxis liefern.