Mess- und Prüftechnik / Batterietest Charakterisierung von Primär- und Sekundärzellen

Abstecken des Testrahmens

Die Spezifikation nach IEC 60086-2 definiert einen weiten Bereich von Entladebedingungen; dabei wird ein Widerstand zwischen den Batterieklemmmen angelegt und die Entladerate überwacht.

Die Norm sieht in den meisten Fällen eine Erholungszeit vor: darin wird die Last entfernt und der Batterie eine gewisse Zeit zur Wiederherstellung eingeräumt. Dieser Entlade- und Wiederherstellungszyklus entspricht der Funktionsweise einiger IoT-Geräte: die Batterie wird unter Geräteaktivität (z.B. Messen oder Übertragen) entladen, im Ruhemodus bei gewöhnlich viel geringerem Stromumsatz teilweise wiederhergestellt.

Diese Wiederherstellungszeit ist wichtig, insbesondere bei IoT-Anwendungen auf Basis von Knopfzellen oder AAAs, um die volle Auslastung der Batteriekapazität zu gewährleisten.

Die genaue Darstellung einer Batterie mit einem elektrischen Modell ist dagegen schwierig, da ihre Entladung einen komplexen chemischen Prozess bedeutet. Das für unser Modell verwendete Entladeprofil basiert auf der gemessenen Batteriespannung, zusätzlich wurde der Erholungseffekt ignoriert. Ziel war es, ein einfaches, repräsentatives Modell zu erstellen, das die Batterie mit einem Spannungspotenzial (Open-Circuit-Voltage; OCV) und einem Innenwiderstand approximiert, der innerhalb des Otii Arc erzeugt und gesteuert wird.

Bild 1 zeigt die für diese Aufgabe ausgewählten Batterien. Die implementierten Entladebedingungen bilden zwei Szenarien ab, das gewährt einen tieferen Einblick zur Widerstandsapproximation einzelner Batterien.  

Das erste Szenario verteilt den durchschnittlichen Entladestrom von 100 mA auf zwei Stromstufen mit 160 mA für 30 s und 80 mA für 90 s. Dies ergibt eine interne Widerstandsauflösung von 12,5 mΩ da Otii Arc eine Spannungsauflösung von 1 mV hat. (capital delta R equals fraction numerator capital delta U over denominator capital delta I end fraction equals fraction numerator 1 space m V over denominator 80 space m A end fraction)

Im zweiten Szenario floß ein durchschnittlicher Entladestrom von 25 mA, in den Stromstufen von 40 mA für 60 s auf 10 mA für 60 s. Dieses Entladeprofil ergibt eine interne Widerstandsauflösung von etwa 33 mΩ.

Da AAA-Batterien etwa 1000 mAh besitzen war zu erwarten, dass eine Batterie im 100-mA-Test etwa 10 Stunden hält und im 25-mA-Test über 40 Stunden. Als letzter Test wurden fünf Batterien desselben Lieferanten und Pakets mit einer Durchschnittsrate von 100 mA entladen; so wurden Schwankungen der Batteriequalität innerhalb einer einzigen Lieferung bewertet.