Entladeschaltung für Akkus

Als ich angefangen habe mich genauer mit NiMH-Akkus zu beschäftigen und diese Seite aufzubauen, habe ich mich viel mit dem Thema beschäftigt und viel ausprobiert. Es gibt viele Ladegeräte mit denen man die Kapazität der Akkus messen kann oder sogar teure Profigeräte, mit denen man Entladekurven aufnehmen kann etc.

All das hat mich aber nicht zufriedengestellt, da ich:

  • mir teure Profigeräte nicht leisten konnte (bzw. wollte)
  • ich mir bei normalen Ladegeräten unsicher war, wie genau die Messungen sind und ich damit keine Entladekurven sinnvoll aufnehmen konnte.

Also habe ich etwas Zeit in den Entwurf einer eigenen Messschaltung gesteckt. Das war mit meinem begrenzten Elektronikwissen zwar eine Herausforderung, aber das Ergebnis hat mich dann irgendwann zufriedengestellt.

Vorstellung der Entladeschaltung

Die Anforderungen beim Entwurf der Schaltung waren:

  • einstellbarer Entladestrom von bis zu 1 A
  • konstanter Entladestrom auch bei nachlassender Akuspannung
  • automatischer Entladestopp bei 1 V Zellenspannung
  • eine Abschätzbarkeit, wie genau die Messungen sind

Der konstante Entladestrom ist notwendig, um erstens reproduzierbare Bedingungen zu schaffen und zweitens, um daraus einfach durch Multiplikation mit der Entladezeit die Kapazität berechnen zu können. Das schließt leider die Entladung über einen einfachen Widerstand aus. Denn dann würde bei sinkender Akkuspannung die bei zunehmender Entladung eintritt, der Strom ebenfalls sinken.

Letztendlich ist dabei folgende Schaltung entstanden:

Entladeschaltung für Akkutest (Schaltplan))

In der Praxis sieht das dann folgendermaßen aus:

Entladeschaltung für Akkutest (Foto)

Verwendet werden noch zwei Messgeräte. Mit einem (Uni-T UT58E) wird die Spannung über einem 0,1-Ohm-Präzisionswiderstand gemessen woraus sich der Entladestrom ergibt. Dieser wird mit zwei Potis (Grob- und Feineinstellung) eingestellt. Ein weiteres Messgerät (Uni-T UT61B) misst die Spannung über dem Akku. Das Uni-T UT61B verfügt über eine PC-Schnittstelle. Darüber wird alle paar Sekunden der Spannungswert protokolliert, was dann die Entladekurve ist. Aus dieser lässt sich dann auch einfach die Entladezeit ablesen, bis ein bestimmter Spannungswert (z.B. 1V) erreicht ist, und durch Multiplikation mit dem Entladestrom die Akkukapazität berechnen.

Bei der Messung der Akkuspannung haben sich dann noch unerwartete Probleme ergeben. Jeder Batteriehalter hat einen Übergangswiderstand an der Kontaktstelle. Bei höheren Strömen fällt darüber schon eine nicht vernachlässigbare Spannung ab. Ich habe schon einen recht hochwertigen Batteriehalter verwendet und vor der Messung die Kontakte gesäubert, aber das generelle Problem bleibt. Am schlimmsten ist eigentlich garnicht der Übergangswiderstand (wenn man den kennt, könnte man den Effekt herausrechnen). Schlimmer ist, dass der Übergangswiderstand nicht konstant ist. Etwas an der Batterie geruckelt und schon ändert sich der Übergangswiderstand.

Die Lösung? Direkt an den Batteriekontakten messen… Das sieht dann so aus:

Entladeschaltung Kontaktierung

Die Kontakte des Batteriehalters sind dabei über der Kontaktstelle mit Klebeband abgeklebt, so dass auch wirklich kein Strom über die Messfühler in den Entladestromkreis fließen kann und die Messung verfälscht. Sieht zugegebenermaßen etwas provisorisch aus, aber es funktioniert. Wer eine elegantere Lösung kennt: bitte melden!

Genauigkeit der Messungen

Jede Art von Messung weist eine gewisse Ungenauigkeit auf. Um einen Eindruck zu vermitteln, wie genau die von mir gemessenen Werte sind, ist an dieser Stelle zusammengefasst, welche Genauigkeit man etwa erwarten kann. Das ist recht wichtig zur Interpretation der Ergebnisse.
Vorneweg vielleicht: ich bin kein Experte auf diesem Gebiet. Diese kleine Zusammenstellung wird daher wahrscheinlich wissenschaftlichen Ansprüchen nur unzureichend gerecht. Trotzdem denke ich, dass eine ungefähre Abschätzung, mit welchen Ungenauigkeiten man bei meinen Messungen rechnen kann, mit dem folgenden Ausführungen möglich ist. Für Hinweise und Anregungen von mit der Materie vertrauten Lesern bin ich aber natürlich jederzeit dankbar.

Zusammenfassung zur Messgenauigkeit

Genauigkeit entspricht etwa
(typischer AA-Akku)
Kapazitätsmessung besser -+1% +-20 mAh
Spannungsmessung +-0,6% +-7 mV
Selbstentladung eher große Abweichungen, teilweise > +-10% (siehe unten)

Kapazitätsmessung

Die Kapazität von Akkus messe ich durch entladen mit einem konstanten Strom, der durch eine Konstantstromsenke geregelt wird (sprich auch bei sinkender Akkuspannung wird der Entladestrom konstant gehalten). Entladen wird der Akku dann, bis eine Zellenspannung von 1 V erreicht ist. Gemessen wird der eingestellte Entladestrom über einem Messwiderstand im Stromkreis.

Messwiderstand: verwendet wird ein 0,1 Ohm Präzisionswiderstand mit einer Toleranz von +-0,5%.

Spannungsmessung über Messwiderstand: Das verwendete Messgerät (Uni-T UT58E) besitzt für den verwendeten Messbereich (200,00 mV bei Entladeströmen bis 2 A) eine Toleranz von +-0,05% vom Messwert zuzüglich 3 Digit (= 0,03 mV)

Detektion der Entladeschlussspannung: Auch das Messgerät zur Messung der Entladespannung besitzt natürlich eine Toleranz. Wird nicht genau bei 1 V Zellenspannung gestoppt, wird also auch die Kapazitätsmessung ungenau. Allerdings fällt gegen Ende der Entladung die Zellenspannung sehr steil ab. Da die Messung der Entladespannung mit einer Genauigkeit von 0,5% erfolgt, ist die daraus resultierende Ungenauigkeit auf die Kapazitätsmessung wesentlich kleiner. Sie dürfte deutlich unter 0,1% liegen und damit vernachlässigbar sein.

Zeitmessung: Die Ungenauigkeit der Zeitmessung dürfte um Größenordnungen unter allen anderen Abweichungen liegen, also vernachlässigbar sein.

Temperatureinfluss: Auch die Temperatur hat eine gewisse Auswirkung auf die Kapazität, besonders wenn die Temperaturen Richtung Gefrierpunkt und darunter gehen. Optimal wäre es, z.B. immer bei konstant 20°C zu entladen. Solche Laborbedingungen stelle ich nicht her, aber zumindest sorge ich für mindestens angenehme Zimmertemperatur und messe nicht im Hochsommer. Also immer bei ca. 18-25°C. Die Ungenauigkeit die daraus entsteht, kenne ich leider nicht. Ich vermute zwar, dass das vernachlässigbar ist, Quellen oder eigene Versuche dafür wären aber mal eine Überlegung wert.

Gesamtfehler Kapazitätsmessung: Alles zusammen ergibt das also eine Ungenauigkeit von etwa +-0,55% zuzüglich einem Digitalisierungsfehler, dessen prozentuale Auswirkung abhängig vom Entladestrom ist. Hier ein paar Beispiele für die Ungenauigkeit der Kapazitätsmessung bei verschiedenen Entladeströmen:

1000 mA: +-(0,55% + 0,03%) = +- 0,58%
500 mA: +-(0,55% + 0,06%) = +- 0,61%
250 mA: +-(0,55% + 0,12%) = +- 0,67%
100 mA: +-(0,55% + 0,3%) = +- 0,85%
50 mA: +-(0,55% + 0,6%) = +- 1,15%

Je kleiner der Entladestrom, desto ungenauer wird also die Messung. Selbst bei recht kleinen Entladeströmen dürfte die Messabweichung aber unter 1% bleiben.

Was bedeutet das jetzt? Ein Beispiel:

Ein AA-Akku, für den eine Kapazität von 2000 mAh bei 500 mA Entladestrom gemessen wurde, hat mit diesen Toleranzen eine Kapazität von 2000 mAh +- 12 mAh, die Kapazität liegt also irgendwo zwischen 1988 mAh und 2012 mAh.
Wenn jetzt also Akkusorte z.B. laut Messung eine Kapazität von 2010 mAh hat und die andere eine von 2020 mAh, dann lautet der Schluss nicht, dass die eine minimal besser ist, sondern dass die Kapazität etwa gleich ist, weil die Abweichungen innerhalb der Messtoleranz liegen…

Spannungsmessung

Der zweite Messwert den ich zum Testen von Akkus aufnehme, ist die Entladekurve, also der Spannungsverlauf bei der Entladung bei verschiedenen Entladeströmen. Folgende Ungenauigkeiten können hier auftreten:

Spannungsabfall über Kontakten: Da selbst bei guten Kontakten gerade bei hohen Entladeströmen schon ein Spannungsabfall von einigen Millivolt über diesen entstehen kann, messe ich direkt an den Kontakten des Akkus. Fehler sollten an dieser Stelle daher nicht mehr auftreten
Messgerät: Die Genauigkeit des verwendeten Messgeräts im relevanten Messbereich beträgt +-0,5% + 1 Digit. Da die mittlere Entladespannung von Akkus etwa im Bereich von 1,2 V liegt, macht das: +-(6 mV + 1 mV) = +- 7 mV

Temperatureinfluss: Wie bei der Kapazitätsmessung gilt hier: ich messe zwischen etwa 18-25°C. Meine Vermutung ist, dass der Einfluss auf den Spannungsabfall vernachlässigbar ist.

Gesamtfehler der Spannungsmessung: dürfte damit etwa der Toleranz des Messgerätes entsprechen, sprich etwa +- 7 mV was etwa +-0,6% entspricht

Selbstentladung

Beim Messen der Selbstentladung wird bestimmt, welcher Prozentsatz der Anfangsladung eines Akkus nach einer bestimmten Lagerzeit verloren gegangen ist. Folgende Ungenauigkeiten können dabei auftreten:

Messung der Anfangskapazität: Bereits die Messung der Anfangskapazität (s.o.) weist einen Fehler von rund +-0,7%, je nach Bedingungen auf

Messung der verbleibenden Kapazität: hier kommt der gleiche Fehler, rund +-0,7%, noch einmal dazu

Da allerdings immer das gleiche Messequipment verwendet wird, gleichen sich zumindest die systematischen Fehler bei den zwei nötigen Messungen jedoch aus, wodurch die entstehende Messungenauigkeit eher kleiner als die Summe (0,7% + 0,7%) sein sollte.

Temperatureinfluss: Der Einfluss der Temperatur auf die Selbstentladung ist recht groß. Als Faustregel wird oft genannt, dass sich die Selbstentladung bei 10°C Temperaturerhöhung verdoppelt. Ich achte daher auf die Vermeidung von Extremtemperaturen (sprich möglichst 18-25°C). Trotz allem dürfte die entstehende Ungenauigkeit dadurch recht groß sein.

Gesamtfehler der Selbstentladungsmessung: Vor allem der Temperatureinfluss dürfte hier entscheidend sein. Da die Akkus nicht unter Laborbedingungen bei exakt konstanter Temperatur gelagert werden, dürften die Messabweichungen recht groß sein. Um ungefähre Tendenzen zu erkennen, sollte die Genauigkeit jedoch ausreichen.


Kommentare

Keine Kommentare

Geben Sie Ihren Kommentar hier ein. * Eingabe erforderlich. Sie müssen die Vorschau vor dem Absenden ansehen.