Starten ist einfach …, doch kann ich auch steuern und bremsen?
Ein Blick auf die neue Technik der Schätzung der Reservekapazität von Akkus

1992 wurde die Messung der Wechselstrom-Leitfähigkeit (AC conductance) zur Bestimmung des Kaltstartstroms eines Fahrzeugakkus eingeführt. Dies ist eine als Durchbruch gefeierte nichtinvasive Methode, die eine Vollentladung zur Bestimmung des Akkuzustands zum großen Teil unnötig macht. Der Test dauert nur Sekunden, die Messergebnisse werden digital angezeigt, und der Akkuzustand wird wörtlich dargestellt. An den Akkupolen können keine Funken auftreten, und das Messinstrument erwärmt sich nicht.

Doch die Bestimmung der Wechselstrom-Leitfähigkeit mit nur einer Frequenz hat ihre Grenzen. So wird der Kaltstartstrom (CCA) nicht gemäß SAE-Standard gemessen, sondern die Fähigkeit des Akkus zur Leistungsabgabe geschätzt. Dieser Bezugswert der Leistung hängt jedoch vom Ladezustand und anderen Akkuzuständen ab. Es kommt vor, dass ein guter Akku die Prüfung nicht besteht und umgekehrt. Der größte Nachteil ist jedoch, dass die Reservekapazität (Reserve Capacity) nicht gemessen wird. Dennoch ist die Bestimmung der Wechselstrom-Leitfähigkeit als Methode der Schätzung der Lebensdauer eines Akkus allgemein anerkannt.

Was nun ist der Unterschied zwischen Kaltstartstrom und Reservekapazität? Ein hoher Kaltstartstrom garantiert gute Leitfähigkeit des Akku und damit gute Leistung beim Anlassen. Ein hoher Kaltstartstrom ist nur durch einen niedrigen Innenwiderstand des Akku möglich. In Abbildung 1 wird ein hoher Kaltstartstrom durch einen großen, offenen Hahn dargestellt, der einen ungehinderten Stromfluss ermöglicht.

Abbildung 1: Akku mit hohem Kaltstartstrom und 100% Reservekapazität. Ein Akku mit hohem Kaltstartstrom gleicht einem großen, offenen Hahn, der ungehinderten Fluss ermöglicht. .

Die Reservekapazität ist die Energiemenge, die der Akku speichern kann. Ein neuer Akku hat eine Kapazität von 100%. Mit dem Alter des Akkus sinkt die Reservekapazität, bis er bei einer Reservekapazität von unter 70% ersetzt werden muss. Die Reservekapazität bezieht sich stets auf einen voll geladenen Akku; der Ladezustand sollte auf die Messung der Reservekapazität keinen Einfluss haben.

Bei einem Akku kann die Messung des Kaltstartstroms einen hohen Wert ergeben, und das Fahrzeug startet gut, obwohl die Reservekapazität niedrig ist. Der Akku wird jedoch in kürzester Zeit leer sein, wenn weiterhin Strom gezogen wird. In Abbildung 2 wird solch ein Akku dargestellt. Eine Kristallisierung der Zellen, die mit dem Altern des Akku eintritt, ist permanent und kann nicht rückgängig gemacht werden.

Abbildung 2: Akku mit hohem Kaltstartstrom, aber niedriger Reservekapazität. Der Akku dreht den Anlasser gut durch, wird jedoch schnell leer, wenn weiterhin Strom gezogen wird..

Abbildung 3 zeigt einen Akku mit guter Reservekapazität aber niedrigem Kaltstartstrom. Dieser Akku dreht den Anlasser nicht gut durch und muss ersetzt werden, obwohl er für geringere Lasten noch verwendet werden könnte.

Abbildung 3: Akku mit niedrigem Kaltstartstrom, aber hoher Reservekapazität. Der niedrige Kaltstartstrom dreht den Anlasser trotz hoher Reservekapazität nicht gut durch.

Wegen des steigenden Bedarfs an Strom im Fahrzeug für andere Zwecke als das Anlassen, ist die Bestimmung der Energiereserve wichtiger als die des Kaltstartstroms. Man sagt auch: "Starten ist einfach …, aber kann ich auch steuern und bremsen?" Die Prüfgeräte von heute müssen diesem neuen Erfordernis angepasst werden und die Messung der Reservekapazität einschließen. Die europäischen Autohersteller legen großen Wert auf die Reservekapazität, während in Nordamerika der Kaltstartstrom immer noch der Standard bei der Bestimmung der Batterieleistung ist. Die meisten modernen Akkuprüfgeräte können zusätzlich noch den Ladezustand bestimmen.

Das Bestimmen der Reservekapazität ist schwieriger als das Bestimmen des Kaltstartstroms. Es sind viele Methoden ausprobiert worden, einschließlich Mehrfrequenz-Leitfähigkeit, aber die meisten waren nicht erfolgreich. Einer der Gründe ist die große Menge Daten, die bei der Akkuprüfung mit mehreren Frequenzen verarbeitet werden muss. Die Datensammlung ist einfach; aber ihre praktische Nutzung ist das Problem. Der Mangel an schnellen Mikroprozessoren und Probleme bei der Datenverarbeitung standen der Entwicklung fortschrittlicher Akkutester im Weg. Deswegen kam es in den vergangenen 12 Jahre kaum zu Verbesserungen auf diesem Gebiet. Das könnte sich jedoch bald ändern.

Cadex Electronics hat eine Methode erfunden, die die großen Datenmengen verarbeiten kann, welche bei der mit mehreren Frequenzen durchgeführten elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) anfallen. Dieses System mit Namen Spectro™ benutzt 24 Erregerfrequenzen zwischen 20 und 2000 Hertz. Das Signal wird auf 10 mV geregelt, sodass es innerhalb der Temperaturspannung der Bleisäure bleibt. So ist bei kleinen und großen Akkus eine stabile Messung möglich. Die Prüfung dauert 20 Sekunden, in welcher Zeit etwa 40 Mio. Transaktionen ausgeführt werden.

Normalerweise wird für die EIS ein spezielles Gerät und ein Computer zur Analyse der aufgenommenen Daten benötigt. Um die Analyse mit Handgerät zu ermöglichen, wird eine sehr schnelle Datenverarbeitung (digital signal processing) eingesetzt. Für das Spectro™ ist ein Patent gemäß US-Patentanmeldung 20030204328 (Jörn Tinnemeyer) anhängig.
Das Spectro™ wurde hauptsächlich an 12-V-Blei-Säure-Autoakkus demonstriert. Die Vielzahl der zur Verfügung stehenden Autoakkus bietet eine ausgezeichnete Plattform zur Überprüfung der Technik. Diese Technik kann jedoch auch bei Nickel- und Lithium-Akkus angewendet werden.

Ausgehend von der Erfindung hat Cadex einen Handtester für die industrielle Benutzung entwickelt. Das erste Modell (Cadex CA-12) dient der Prüfung von Autoakkus. Der externe Feldversuch für das Gerät beginnt im Sommer 2004. Ein etwas größeres Gerät (Cadex CS-12) für stationäre Akkus befindet sich in der Entwicklung, die 2005 abgeschlossen sein wird.

Eine der Stärken des Spectro™ ist die Bestimmung von Kaltstartstrom, Reservekapazität und Ladezustand durch eine einzige Messung. Eine einfache Bestimmung der Reservekapazität steht seit vielen Jahren auf der Wunschliste von Akkuherstellern und Servicezentren. Durch dieses Gerät ist es jetzt möglich geworden, dies durch nichtinvasive Prüfung mittels eines im Handel erhältlichen Handtesters zu bestimmen. Abbildung 4 zeigt das geplante Anzeigeformat.

Abbildung 4: Angezeigt werden Kaltstartstrom (CCA), Reservekapazität (RC) und Ladezustand (SoC). Während der 20-minütigen Prüfung werden im digitalen Prozessor 40 Mio. Transaktionen verarbeitet.

Vor der Prüfung muss der Akku etwas aufgeladen sein. Der normale Testbereich ist ein Ladezustand von 50-100%. Bereits zu Beginn der Tests wurden über einen großen Temperaturbereich stabile Resultat erzielt. Die Festigkeit gegen elektrische Störeinwirkungen ist gut. Bei Versuchen mit einer parasitären Belastung in Höhe von 30 A wurde keine negative Beeinflussung registriert. Weiterhin ist das Spectro™ anscheinend weniger empfindlich gegen Oberflächenladung, als das bei der Bestimmung der Wechselstrom-Leitfähigkeit durch Einzelfrequenz der Fall ist, und die Bestimmung des Kaltstartstroms ist beständiger. Der Tester toleriert Säureschichtung bis zu einem gewissen Grad; chemische Zusätze können die Messung jedoch beeinflussen. Abbildung 5 zeigt den Tester CA-12, der so groß ist wie ein dickes Buch.

Abbildung 5: Der Akku-Schnelltester Cadex CA-12. Die Testresultate stehen in den meisten globalen Standards zur Verfügung. Die Reservekapazität wird als Prozentsatz der Nennkapazität oder als Entladezeit angezeigt..

Die frühen Testresultate bezüglich Reservekapazität

Die Bestimmung der Genauigkeit und Wiederholbarkeit einer neu erfundenen Technik ist aufwendig. Beim Test des Spectro™ verwendete Cadex 91 Prüflinge verschiedener Leistungsniveaus. Vor der Prüfung wurden die Akkus aufgeladen und nach 24 Stunden Ruhezeit mit 25 A auf 10,5 V (1,75V/Zelle) entladen, wobei die Reservekapazität gemessen wurde. Dieses Verfahren ergab bei der Messung der Kapazität der Akkus eine Varianz von +/-15%. Bei der Bestimmung der Kapazität durch herkömmliche Entladung und eine nichtinvasive Methode darf die Anfälligkeit von Bleisäure nicht vergessen werden.

Abbildung 6 zeigt die Reservekapazität von 38 zufällig ausgewählten Autoakkus. Die schwarzen Rauten repräsentieren die durch volle Entladung bestimmte Reservekapazität, während die mit Hilfe einer standardmäßigen Matrix von Spectro™ ermittelte Reservekapazität durch purpurne Quadrate dargestellt wird.

Abbildung 6: Reservekapazität von 38 Akkus, mit generischer Matrix bestimmt. Die schwarzen Rauten zeigen die durch volle Entladung ermittelte Reservekapazität, die purpurnen Quadrate die Schätzung des SpectroTM.

Wie nun kann die Bestimmung der Reservekapazität verbessert werden? Die besten Resultate werden erzielt, wenn die Akkus nach Architektur und Kaltstartstrom (CCA Größe) sortiert werden. Wir haben eine modellspezifische Matrix entwickelt und eine Gruppe von Akkus gleichen Modells geprüft. Abbildung 7 zeigt die Reservekapazität, gemessen mit dem Spectro™ bei konventioneller voller Entladung. Mit der speziellen Matrix erreicht die Genauigkeit der Messungen den Laborstandard.

Abbildung 7: Reservekapazität von 24 Akkus, mit modellspezifischer Matrix bestimmt. Die purpurnen Quadrate (Spectro™) stimmen ziemlich genau mit den schwarzen Rauten überein. Messung mit spezifischer Matrix erreicht Laborstandard.

Obwohl die Testresultate in Abbildung 6 und, insbesondere, in Abbildung 7 sehr ermutigend ausfallen, darf nicht vergessen werden, dass das Spectro™ kein Universal-Testgerät ist, das jeden beliebigen Akku prüfen kann. Es kann nicht mit einem Fotokopiergerät verglichen werden, dass jedes Dokument und jeden flachen Gegenstand dupliziert, wenn man auf einen Knopf drückt. Das Spectro™ benötigt eine akkuspezifische Matrix als Bezug. Die Genauigkeit des Resultats hängt zum großen Teil von der Qualität der Matrix ab. Die Matrizen werden im Testgerät gespeichert und müssen zusammen mit Ah und/oder Kaltstartstrom gewählt werden. Gegenwärtig erarbeiten wir erfolgreich generische Matrizen, die für die Messung von Kaltstartstrom und Reservekapazität verwendet werden können.

Ein weiteres Problem ist der Preis. Wegen der erhöhten Komplexität und Teileanzahl gegenüber der Einzelfrequenz Messung mit wird das Spectro™ teurer. Wir stehen gegenwärtig nicht im Wettbewerb mit anderen Prüfgeräten, sondern bieten jenen eine Lösung, die eine bessere Technik benötigen, weil die bisherige Methode für sie unzureichend ist.

Zusammenfassung
Die Technik ist zu einem Punkt vorgestoßen, an dem die nichtinvasive Bestimmung der Akkuleistung ein allgemein akzeptierter Standard wird. Die volle Entladung des Akku zum Zweck der Messung der Reservekapazität wird nicht länger notwendig sein. Das wurde erst durch die verbesserte Datenverarbeitung bei der elektrochemischen Impedanzspektroskopie mit mehreren Frequenzen (EIS) möglich.

Die Prüfung eines Akku mit Mehrfrequenz-EIS macht nicht nur die Schätzung der Reservekapazität möglich, sondern verbessert auch die Bestimmung des Kaltstartstroms. Statt der Sammlung von Messwerten, die nur die Fähigkeit, Leistung zu liefern, simulieren, wie das bei der Messung der Wechselstrom-Leitfähigkeit mit Einzelfrequenz der Fall ist, kann eine korrekt ausgeführte EIS den tatsächlichen Kaltstartstrom feststellen. Außerdem wird durch die bei der Mehrfrequenzmessung anfallende enorm große Datenmenge auch die Schätzung des Ladezustands verbessert.

Die Einzelfrequenz-Leitfähigkeitsmethode, die heute im üblichen Gebrauch is, wird im Servicebereich auch weiterhin eine wichtige Rolle bei der Akkuprüfung spielen. Ernsthafte Akkubenutzer werden die Einführung fortschrittlicherer Geräte jedoch mit offenen Armen begrüßen. Typische Anwendungsbereiche der neuen EIS-Technik sind die Beurteilung von Garantieansprüchen in der Autoindustrie, die Bestimmung der verbleibenden Lebensdauer von stationären Akkus und die Überprüfung der Reservekapazität von Akkus in Verteidigungsanwendungen. Weiterhin wird die EIS bei der Prüfung der Akkus von Rollstühlen, Golf-Carts, Robotern, Booten und Gabelstaplern unverzichtbar sein, solange die entsprechende Matrix zur Verfügung steht.