Während der letzten 20 Jahre setzten sich drei Batterieschnelltestmethoden als Basis durch: DC-Last (Gleichspannung), AC-Leitfähigkeit (Wechselspannung) und Mehrfrequenzen Elektrochemische Impedanz Spektroskopie (EIS). Alle diese Methoden basieren auf dem Widerstandswert, welcher die Möglichkeiten einer Batterie, einen gewissen Strom abzugeben, am besten wiedergibt. Der Innenwiderstand vermittelt hilfreiche Informationen, die auf Probleme hinweisen können, und die anzeigen, wenn eine Batterie ersetzt werden sollte. Es kommt jedoch oft vor, dass eine Batterie unter das kritische Niveau von 80% (der Kapazität), durch die IEEE vorgegeben, absinkt, bevor die Schwäche tatsächlich festgestellt werden kann. Werder vermittelt der Widerstand allein einen linearen Zusammenhang mit der Batteriekapazität, noch besteht eine Verbindung mit der Erhöhung des Zellenwiderstandes und der Alterung.

Wenn der Innenwiderstand von absolut neuen VRLA-Zellen aus derselben Produktion gemessen wird, sind Abweichungen von 8% zwischen den Zellen durchaus üblich. Der Fabrikationsprozess und das Material sind massgeblich an diesen Abweichungen beteiligt. Eher als sich auf die absoluten Widerstandwerte zu verlassen, werden die Servicetechniker angehalten, eine Momentaufnahme des Zellenwiderstandes bei der Inbetriebsetzung der Batterie vorzunehmen, und dann die feinen Änderungen, die mit der Alterung der Zelle auftreten, zu messen. Eine Erhöhung des Widerstandes um 25% gegenüber der ersten Messung zeigt an, dass die Leistung von 100% auf ca. 80% gesunken ist. Die Batteriehersteller akzeptieren einen Garantieersatz, wenn der Innenwiderstand um 50% zugenommen hat.

Bevor wir die verschiedenen Testmethoden untersuchen, lassen Sie uns kurz unsere Kenntnisse über Widerstand und Impedanz auffrischen, Bezeichnungen, die oft falsch angewendet werden im Zusammenhang mit der Leitfähigkeit einer Batterie. Der Widerstand ist rein ohmisch und enthält keine Reaktanz. Es gibt keine Phasenverschiebung, denn Strom und Spannung sind vereint. Ein Heizelement ist solch eine rein ohmsche Last. Es arbeitet gleich gut mit Gleichstrom (DC) wie auch mit Wechselstrom (AC

Die meisten elektrischen Lasten, die Batterie inbegriffen, enthalten eine Reaktanzkomponente. Der reaktive Teil der Last variiert mit der Frequenz. Zum Beispiel nimmt die reaktive Kapazität eines Kondensators mit zunehmender Frequenz ab. Ein Kondensator ist ein Isolator gegen DC und kein Strom kann fliessen. Der Induktor, andererseits, arbeitet in der entgegengesetzten Richtung und die Reaktanz nimmt mit steigender Frequenz zu. DC entspricht einem elektrischen Kurzschluss. Eine Batterie ist eine Kombination von ohmschem Widerstand, als auch von kapazitiver und induktiver Reaktanz. Der Ausdruck 'Impedanz' bezieht sich auf alle drei Typen.

Die Batterie kann als ein Kit von elektrischen Elementen angesehen werden. Figur 1 zeigt ein Blei-Säure-Batteriemodell nach 'Randles' nach den Bezeichnungen Widerstand und Kondensator (R1, R2 und C1). Die induktive Reaktanz wird normalerweise vernachlässigt, da sie bei tiefen Frequenzen in einer Batterie eine nur unwichtige Rolle spielt.

Figur 1: Modell von Randles einer Blei-Säure-Batterie. Der gesamte Batteriewiderstand besteht aus einem rein ohmschen, einem induktiven und einem kapazitiven Widerstand. Es gibt jedoch viele andere Modelle.

Batterieschnelltestmethoden, und wie sie arbeiten.

Lassen Sie uns nun die verschiedenen Batterietestmethoden ansehen, und ihre Stärken und Grenzen beurteilen. Es ist wichtig zu wissen, dass jede Methode eine andere Innenwiderstandsmessung liefert, auch wenn die gleiche Batterie gemessen wird. Keine Messung ist richtig oder falsch. Zum Beispiel, eine Zelle kann höhere Widerstandswerte anzeigen mit der DC-Last-Methode als mit einem 1000Hz-Wechselstromsignal. Dies sagt aber nur aus, dass die Batterie eine bessere Leistung abgibt mit AC, als mit DC. Die Hersteller akzeptieren alle Abweichungen, solange die Messungen mit demselben Typ von Messinstrument durchgeführt wurden.

Die Gleichstromlademethode: Die rein ohmsche Messung ist eine der ältesten und zuverlässigsten Testmethode. Das Instrument legt während einigen Sekunden eine Ladung an. Der Ladestrom liegt im Bereich von 25 bis 70A, in Abhängigkeit von der Batteriegrösse. Der Spannungsabfall geteilt durch den Strom ergibt den Innenwiderstand. Die Messungen sind sehr zuverlässig und reproduzierbar. Die Hersteller erheben Anspruch auf Widerstandsmessungen im Bereich von 10 Mikroohm. Während des Tests wärmt sich das Gerät auf, und muss bei kontinuierlichen Messungen gekühlt werden.

Die DC-Ladung verbindet die Widerstande R1 und R2 vom Randles-Modell in einen einzigen, kombinierten Widerstand und ignoriert den Kondensator. C ist eine wichtige Komponente der Batterie und entspricht 1,5 Farad pro 100Ah Zellenkapazität.

Figur 2: DC-LademethodeDie wirkliche Einheit des Modells von Randles kann nicht gesehen werden. R1 und R2 erscheinen wie ein einziger ohmscher Wert.

AC-Leitfähigkeitsmethode: Anstelle einer DC-Ladung, injiziert das Instrument ein Wechselstrom (AC) Signal in die Batterie. Eine Frequenz von 80 bis 100 Hz wurde gewählt, um die Reaktanz zu minimisieren. Bei dieser Frequenz sind die induktive und die kapazitive Reaktanz entgegengesetzt und es entsteht eine minimale Spannungsverschiebung. Die Hersteller von AC-Leitfähigkeitsmessgeräten erheben Anspruch auf eine Messgenauigkeit des Batteriewiderstandes im Bereich von 50 Mikroohm. Die AC-Leitfähigkeit gewann an Wichtigkeit um 1992; Die Instrumente sind klein und erwärmen sich nicht bei Gebrauch.

Die Einfrequenzen-Technologie sieht die Komponenten nach dem Randles Modell als eine komplexe Impedanz, genannt Modul Z. Der stärkste Einfluss kommt von der Leitfähigkeit des ersten Widerstandes.

Figur 3: Wechselstrom-Leitfähigkeitsmethode. Die individuellen Komponenten nach dem Randles Modell können nicht auseinander gehalten werden und erscheinen als Einheit.

Multifrequenz-elekrtochemische-Impedanz-Spektroskopie (EIS): Cadex Electronics hat eine Schnelltestmethode auf der Basis von EIS entwickelt. Das Gerät, als Spectro™ bezeichnet, injiziert 24 Frequenzen im Bereich von 20 bis 2000 Hz. Die sinusförmigen Signale sind auf 10mV/Zelle begrenzt, um innerhalb der thermischen Batteriespannung von Blei-Säure zu bleiben. Dies ergibt zuverlässige Messresultate für kleine wie auch für grosse Batterien.

Mit der Multifrequenz-Impedanz-Spektroskopie können alle drei Widerstandswerte des Randles Modells erfasst werden. Ein patentierter Prozess evaluiert die feinen Nuancen zwischen den verschiedenen Frequenzen, um so eine tiefgehende Analyse der Batterie zu erhalten.

Figur 4: Spectro™ Methode R1, R2 und C können separat gemessen werden, was eine gute Schätzung der Batterieleitfähigkeit und der Kapazität gestattet.

Spectro™ ist die komplexeste der drei Methoden. Der 20-Sekunden-Test verarbeitet ca. 40 Millionen Daten. Das Gerät ist in der Lage, Werte von wenigen Mikroohms zu messen. Mit Hilfe von gespeicherten Matrizen als Referenz, ist Spectro™ in der Lage, die Kapazität in Ah, die Leitfähigkeit (CCA) und den Ladezustand einer Batterie zu schätzen.

Das Konzept der EIS ist nicht neu. In der Vergangenheit waren EIS Systeme in speziell dafür konfigurierte Computer und verschiedene Laborgeräte eingebunden. Die Fortschritte in der Datenverarbeitung erlauben heute diese Prozesse zu automatisieren und die Hochgeschwindigkeits-Signalprozessoren gestatten, diese Technologie in tragbare Geräte einzubauen.


Kapazitätsmessung

Die wichtigste Einschränkung der DC Ladung und AC Leitfähigkeit ist es, dass diese Methoden die Kapazität nicht messen können. Mit der steigenden Nachfrage nach zusätzlicher Energie in Autos und Lastwagen und dem Bedarf, die Leistung von stationären Batterien mit einer sanften Methode beurteilen zu können, sind Testgeräte nötig geworden, die die Batteriekapazität schätzen können. Cadex hat erreicht, Autobatterien so messen zu können.

Figur 5 zeigt die Messung der Reservekapazität (RC) bei 24 Batterien, die in der horizontalen Achse von schwach nach stark aufgelistet sind. Die Batterien waren zuerst getestet worden nach dem Standard SAE J537, welcher eine volle Ladung, eine Ruheperiode und eine Endladung mit 25A bis zu einer Zellenspannung von 1,75V enthält. Dabei wurde die Reservekapazität (schwarze Rombusse) gemessen. Die Tests wurden dann mit Spectro™ wiederholt (violette Rechtecke) unter Verwendung von batteriespezifischen Matrizen. Die so erhaltenen Resultate entsprechen annähernd dem Laborstandard, wie die Graphik zeigt.

Figur 5: Reserve-Kapazität von 24 Batterien, gemessen mit batteriespezifischen Matrizen. Die schwarzen Rombusse zeigen die Resultate, die mit einer Entladung mit 25A erhalten wurden,; die violetten Rechtecke entsprechen den Werten, die mit Spectro™ gemessen wurden.

Gewisse Leute glauben an einen Zusammenhang zwischen Batterieleitfähigkeit (ohmsche Werte) und der Kapazität. Um zu zeigen, dass dieser Zusammenhang nicht immer zutrifft, hat Cadex Electronics ein ausgedehntes Testprogramm durchgeführt, das 175 Autobatterien enthielt, in welchen der Kaltstartstrom (CCA) mit den RC-Messungen verglichen wurde. CCA entspricht der Leitfähigkeit der Batterie und hat einen engen Zusammenhang mit dem Innerwiderstand. Figur 6 zeigt die Testresultate. Die CCA-Messungen sind auf der vertikalen Y-Achse und die RC-Werte auf der horizontalen X-Achse aufgezeichnet. Um die Auswertung zu vereinfachen, wurden die Batterien als Prozentwerte ihrer Nominalwerte dargestellt, und wurden dann von schwach nach stark auf der X-Achse aufgelistet.

Figur 6: CCA als Funktion von der Reservekapazität (RC). Der Innenwiderstand (dargestellt durch CCA) und die Kapazität folgen der roten Linie nicht. Die Widerstandswerte allein ergeben keine zuverlässige Messung der Kapazität.

Bemerkung: Die CCA- und RC-Resultate wurden gemäss dem Standard SAE J537 erhalten. CCA ist definiert als eine Entladung einer vollgeladenen Batterie bei -18°C und mit dem Strom der CCA-Einstellungen. Wenn die Spannung nach 30 Sekunden bei 7,2V oder darüber verbleibt, hat die Batterie den Test bestanden. Die Reservekapazität RC basiert auf einer Vollladung, einer Ruheperiode und einer Entladung mit 25A bis auf 1,75V/Zelle.

Wenn der Innenwiderstand (CCA) linear mit der Kapazität verlaufen würde, dann wären die blauen Rombusse in unmittelbarer Nähe der roten Referenzlinie. In Wirklichkeit bewegen sich CCA und RC in beiden Richtungen auseinander. Zum Beispiel zeigt die Batterie mit 90% CCA einen RC-Werte von nur 38% an, während die Batterie mit 71% CCA eine Kapazität von 112% liefert (grün gestrichelte Linien)

Ein wichtiger Bedarf ist erfüllt

Cadex hat die EIS-Technologie in ein elegantes handliches Gerät verpackt, das z.Z. einen Beta-Test in den USA, Kanada, Europa und Japan durchläuft. (Besuchen Sie bitte http://www.cadex.com/prod testers ca12.asp.) Durch die Möglichkeit, Batteriekapazitäten zu erhalten, macht die EIS-Technologie zum meist gesuchten Testgerät für Autobatterien, Marine, Luftwaffe, Verteidigung, radgetrieben Fahrzeuge, Verkehrsbetriebe und Notstromanlagen. Kapazitätsschwankungen, wegen Alterung oder anderen Ursachen, können erkannt werden und die Batterien rechtzeitig ersetzt werden.