Mobilgeräte-Wachstum als Treiber für den Laborstromversorgungsmarkt Nachfrageschub für Batterietests

Andreas Grimm, Hameg: »Der Aufwand für die Qualifikation - und im Rahmen der Produktüberwachung auch der Requalifikation - von Zellenpacks ist erheblich und ist wirtschaftlich nur durch Automatisierung und Parallelisierung zu leisten. Dieser Aufwand ist jedoch vergleichsweise gering, wenn sich dadurch Imageschäden infolge von Rückrufaktionen vermeiden lassen.«

Wiederkehrende Meldungen zu Qualitätsproblemen der in Laptops, Mobiltelefonen und MP3-Player verbauten Batterien treiben den Bedarf an Standardmesstechnik zur Bemusterung, Serienüberwachung und Requalifikation in die Höhe.

»Wurden bis vor kurzem noch MP3-Player mit einer einzelnen Primärzelle - Mikro- oder auch AAA-Zelle genannt - geliefert, kommen bei modernen Geräten wie dem iPod Touch zwischenzeitlich aus Designgründen oft nur noch herstellerspezifische Akkupacks zur Anwendung«, erklärt Andreas Grimm, Leiter Produktmanagement von Hameg Instruments. »Diese sind nicht selten fest verbaut und erfordern aufwendige Zellenqualifikationen. In praktisch allen Lebensbereichen - von der elektrischen Zahnbürste bis hin zum Elektrofahrrad - hält die Elektronik mit aufladbaren Akkus weiter unaufhaltsam Einzug.«

Hierbei sind zwei Industrien grundsätzlich zu unterscheiden: der Zulieferer des Zellenpacks und der Hersteller des batteriebetriebenen Endgerätes. Beide vereinbaren in der technischen Lieferbedingung zahlreiche Merkmale, die einerseits die Sicherheitsanforderungen, andererseits die technischen Parameter wie Ri (Innenwiderstand), Kapazität und Anzahl der Ladezyklen abdecken.

»Die Einhaltung der Sicherheitsanforderungen wird von akkreditierten Laboren gemäß internationaler Richtlinien überprüft«, so Grimm. »Diese Sicherheitstests sollen Personen- und Sachschäden durch Unfälle oder unsachgemäßen Gebrauch ausschließen. Hier werden mechanische, thermische und elektrische Stresstests durchgeführt. Dazu erfolgen Deformierung und Durchstoßen, Überhitzung auf 150 °C und - bei deaktivierter Schutzschaltung - verschiedene Kurzschluss- und Überladetests. Unter keiner dieser Extrembelastungen darf ein Akku explodieren oder brennen.«

Performance-Tests am laufenden Band

Kleinste Verunreinigungen im Batterieherstellprozess können sowohl die Sicherheits- als auch die Performance-Eigenschaften beeinträchtigen. Die immer wiederkehrenden Meldungen zu Qualitätsproblemen werden wegen ihrer Öffentlichkeitswirkung wohl in erster Linie Sicherheitsthemen als Ursache haben. Daher lassen Auffälligkeiten in der Serienstreuung des Performance Monitorings immer auch Verdachtsmomente zu Sicherheitsthemen aufkommen.

Eines der größten Ärgernisse beim Betrieb eines Gerätes ist die stark nachlassende Kapazität. Zugesicherte Eigenschaften wie z.B. 500 Ladezyklen, 30 mOhm Innenwiderstand oder 1000 mAh Kapazität einschließlich deren Serienstreuung zu verifizieren, stellen sowohl für den Batterielieferanten als auch den Gerätehersteller eine Herausforderung dar. Kommt es zu Performanceproblemen, fallen diese naturgemäß erst nach einigen Monaten des Lebenszyklusses beim Kunden auf. Die wenigsten Kunden werden sich aktiv beschweren. Daher ist Prophylaxe das erste Gebot, um einem Negativ-Image vorzubeugen.

Batterietechnologien im Vergleich

Die verschiedenen Technologien wie Nickel-Metallhydrid, Lithium-Ionen oder Lithium-Polymer weisen unterschiedliche Vor- und Nachteile auf. »Um die Vergleichbarkeit zu ermöglichen, werden einige wenige Standardparameter herangezogen«, führt der Experte aus. »Dazu zählt zunächst eine normierte Angabe für Lade- und Entladestrom. Hierbei steht ‚1C’ für den Entladestrom, mit dem die Zelle innerhalb einer Stunde entladen wird - 1A bei einer Kapazität von 1000mAh. Ein Entladestrom von 5C bedeutet somit den fünffachen Entnahmestrom. Bei Anwendungen, die eine hohe Lebensdauer, also den Erhalt der Nennkapazität, gewährleisten wollen, werden Lade- und Entladeströme von typisch bis zu 1C gewählt.« Bei einer 1000-mAh-Zelle seien mit 1C je nach Technologie und Auslegung der Zelle zwischen 350 und 1000 Ladezyklen realistisch. Bei Erreichen der spezifizierten Anzahl von Ladezyklen müsse die Zelle in der Regel noch mindestens 80 Prozent ihrer Nennkapazität aufweisen.

»Die Nickel-Metallhydrid-Technologie ist sehr preiswert, hat eine Nennspannung pro Zelle von 1,2 V, verfügt jedoch im Gegensatz zu den Lithium-Technologien über eine geringere Energiedichte - Kapazität pro Volumen -, über eine nennenswerte Selbstentladung von typisch 15 Prozent pro Monat, sowie über den so genannten Memory-Effekt«, führt Grimm aus. »Letzterer ergibt sich nach häufiger Teilentladung und anschließender Ladung. Er mindert die entnehmbare Kapazität schon nach einigen Wochen, kann aber durch Vollentladung z.B. nach 20 Teilzyklen rückgängig gemacht werden. Vorteil der NiMH-Technologie ist ihre Robustheit, die sich in höheren Lade- und Entladeströmen von bis zu 5C widerspiegeln.«

Akkus mit Lithium-Technologie weisen eine Nennspannung von ca. 3,6 V auf, verfügen ebenfalls über eine typische Anzahl von bis zu 1000 Ladezyklen, haben keinen Memory-Effekt, eine sehr viel geringere Selbstentladung und eine deutlich flachere Entladekurve. Sie werden jedoch irreversibel in ihrer Kapazität durch Überladung, Tiefentladung oder Ladung bei Temperaturen unterhalb 3 °C bzw. oberhalb 45 °C geschädigt. Unterhalb 0 °C tritt eine Lithiumabscheidung an der Anode in Kraft, was zu signifikanten Sicherheitsrisiken führt. Um dies zu vermeiden, sind integrierte elektronische Schutzschaltungen im Zellenpack unerlässlich. Diese können aber je nach Ausführung durch parasitäre Ströme der Elektronik »Selbstentladung« im Pack hervorrufen.