Die zunehmende Verwendung von Akkus als Haupt bzw. Notstromquelle erhöht die Notwendigkeit, für ihre Sicherheit und optimale Leistung Sorge zu tragen. Wie können Akkus ordnungsgemäß diagnostiziert und gewartet werden, um die mit ihrem Einsatz verbundenen Risiken möglichst niedrig zu halten und ihre Lebensdauer zu verlängern?

Vielseitigkeit und Anwendung von Akkus

Akkus, sprich wiederaufladbare Batterien, werden nicht nur als Energiequellen für elektronische Geräte oder Elektrowerkzeuge verwendet, sondern auch in Notstromsystemen, Autos mit Verbrennungs- oder Elektroantrieb und in Gabelstaplern.

Mit der Entwicklung von Technologien für erneuerbare Energien wie Solar- und Windenergie ist der Bedarf an einer effizienten Energiespeicherung in Energiesystemen entstanden. Infolgedessen sind Batterien zu einem immer wichtiger werdenden Element für die Stromversorgung in unserem Leben geworden. Ihre Rolle als Energiequelle wird sowohl für die Elektromobilität als auch für die Stabilität der Stromnetze immer wichtiger.

Risiken im Zusammenhang mit dem Einsatz von Batterien

Batterien können trotz ihrer Vielseitigkeit und ihrer Vorteile eine Gefahrenquelle sein. Eines der häufigsten Probleme ist die Gefahr eines Batteriebrandes oder einer Explosion. Zu hohe Temperaturwerte, mechanische Beschädigungen, Produktionsmängel oder unsachgemäßes Laden können zu einem unkontrollierten Temperaturanstieg und den damit verbundenen Problemen führen. 

Ein weiteres Problem im Zusammenhang mit der Verwendung von Batterien sind ihre begrenzte Lebensdauer und der Kapazitätsschwund aufgrund von Lade- und Entladezyklen. Obwohl Technologie und Entwicklung voranschreiten und immer neu Batterietypen entwickelt werden, bleibt das Problem des Kapazitätsschwund bestehen. Dies macht es erforderlich, die Leistung der Batterie zu kontrollieren und diese im Laufe der Zeit auszutauschen. 

Auch das ordnungsgemäße Recycling und die Entsorgung von beschädigten und abgenutzten Batterien stellen eine große Herausforderung dar. Da in ihnen Substanzen wie Lithium, Blei oder Schwefelsäure vorhanden sind, können unsachgemäß entsorgte Batterien eine Gefahr für die Umwelt darstellen. Um die Auswirkungen von Altbatterien auf die Umwelt und die öffentliche Gesundheit zu minimieren, sind ordnungsgemäße Recyclingverfahren unerlässlich.

Akku-Typen im Vergleich

Es gibt viele verschiedene Akku-Typen, jeder hat  seine Eigenschaften und seinen Zweck und ist von Problemen geprägt. Zu den beliebtesten davon gehören Blei-Säure-, Lithium-Ionen- (Li-Ion) und Lithium-Eisen-Phosphat- (LiFePO4) Akkus.
Blei-Säure-Batterien sind schwerer und nehmen bei gleicher Kapazität mehr Platz als Lithium-Ionen- und Lithium-Eisen-Phosphat- (LiFePO4) Batterien in Anspruch. Außerdem neigen die Blei-Säure-Batterien zu einer schnelleren Selbstentladung und weisen eine geringere Lebensdauer als Li-Ionen- und LiFePO4-Batterien auf. 

Blei-Säure-Batterien sind einfacher und billiger in der Fertigung. Sie können einen hohen Anlaufstrom liefern. Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien hingegen sind widerstandsfähiger gegen Tiefentladung, und Li-Ion-Batterien haben den besten elektrischen Wirkungsgrad. 

Es ist wichtig zu beachten, dass Sie für die korrekte Auswahl eines Akkus Ihre eigenen Bedürfnisse, wie den Verwendungszweck und die Betriebsbedingungen, richtig definieren und anschließend die richtige Ausrüstung anhand der Herstellerangaben zusammenstellen müssen.

Methoden zur Diagnose von Batterien

Alle Batterien, welcher Art auch immer, haben eins gemeinsam: eine bestimmte, begrenzte Lebensdauer, die durch die Anzahl der Lade- und Entladezyklen bestimmt wird. Wie können Sie sicher sein, dass der Akku in Ihrem Auto oder die Hausbatterie sicher und leistungsstark ist? Wann ist ein Akku zum Austausch fällig?

Um den Akku-Betriebszustand beurteilen zu können, sind diagnostische Tests erforderlich, die eine umfassende Analyse von Zustand und Leistung ermöglichen. Solche Tests umfassen:

• Sichtprüfung,
• Strom- und Spannungsmessung,
• Messung der Welligkeitsspannung,
• Überprüfung der Stromversorgungsparameter,
• Kapazitätsprüfung, 
• Prüfung des Innenwiderstands.

Die Sichtprüfung ist ein grundlegender, aber sehr wichtiger Teil der Zustandsbeurteilung eines Akkus. Sie umfasst eine genaue Inspektion der äußeren Oberfläche des Akkus zur Erkennung sichtbarer Schäden wie Risse, Elektrolytaustritt, Korrosion an den Terminalen, Verformung des Gehäuses oder Anzeichen von Überhitzung. Dieser Prozess erfordert keine hochentwickelte Ausrüstung, aber es sind Kenntnisse und Erfahrung erforderlich, um den Betriebszustand des Akkus anhand der sichtbaren Symptome richtig zu beurteilen.

Ein weiterer Diagnosetest ist die Spannungsprüfung. Diese Messung gibt Aufschluss über den Ladezustand des Akkus. Vor Überprüfung von Kapazität und Innenimpedanz ist es besonders wichtig, dass der Akku eine ordnungsgemäße Nennspannung aufweist. Die Ruhespannung wird gemessen, wenn keine Belastung anliegt, d. h. der Akku ist zum Zeitpunkt der Messung weder an ein Energie verbrauchendes Gerät noch ein System angeschlossen.

Neben der Ruhespannung ist die Welligkeitsspannung ein wichtiger Messparameter , d. h. die Wechselspannung (AC), die der Gleichspannung (DC) überlagert ist. Die Welligkeitsspannung kann mehreren Quellen entstammen. Eine der Hauptquellen kann eine unzureichende Filterung in den Ladesystemen sein, wo ungeglättete Ströme von Ladegeräten bzw. Wechselrichtern Spannungsschwankungen herbeiführen können - insofern ist es wichtig, die Ladeparameter des Akkus zu überprüfen.

Ein wichtiger Schritt bei der Bewertung der Akku-Leistung ist sein Kapazitätstest. Dieser Prozess beginnt mit dem vollständigen Aufladen des Akkus mittels eines geeigneten Ladegerät / Stromversorgungssystem - die Überprüfung der Stromversorgungsparameter des Akkus ist ebenfalls sehr wichtig. Es muss überprüft werden, ob die Strom- und Spannungsparameter des Ladesystems mit den Anforderungen an die Stromversorgung - wie vom Batteriehersteller vorgegeben - übereinstimmen.

 Bild1. Diagnose von Akku mittels eines Sonel BT-120 Prüfgeräts

Testen Sie Ihren Akku mit dem Prüfgerät Sonel BT-120

Für eine Kapazitätsprüfung benötigen Sie ein Messgerät, das in der Lage ist, Spannung, Strom und Zeit genau zu messen. Der Akkutester Sonel BT-120 ist ein solches Gerät. Das Verfahren setzt mit dem vollständigen Aufladen und anschließenden Entladen des Akkus unter kontrollierter Belastung ein. Die für diese Art von Tests am häufigsten verwendete Last ist ohmscher Natur, es können aber auch andere externe Lasten induktiver und kapazitiver Art je nach Testspezifikation eingesetzt werden.

Während des Tests zeichnet das Gerät Spannungs-, Strom- und Zeitdaten auf und erstellt eine Lade- und/oder Entladekurve. Die Analyse der Kurven im Vergleich zur ursprünglichen Kurve gibt Aufschluss über den Wirkungsgrad des Akkus in den verschiedenen Phasen seines Arbeitszyklus. Anhand dieser Daten wird die tatsächliche Nennkapazität des Akkus ermittelt, die mit den Herstellerangaben verglichen wird. Ergebnisse, die unter 80 % der Nennkapazität liegen, deuten auf eine erhebliche Verschlechterung  des Akkus hin und legen seinen Austausch nahe.

Bild 2. Diagnose von Akku mittels eines Sonel BT-120 Prüfgeräts

Messung der Akku-Innenimpedanz

Ein wichtiges Element bei der Diagnose des betriebstechnischen Zustands des Akkus ist die Messung seiner Innenimpedanz. Wird sie regelmäßig durchgeführt, kann sie ein Hinweisgeber für die Beurteilung des Akku-Betriebszustands sein, da sie eine Bewertung seiner Fähigkeit zur Energieversorgung ermöglicht. Die Innenimpedanz bezieht sich auf den Widerstand, den ein Akku dem Stromfluss in seinem Inneren entgegensetzt. Eine hohe Impedanz kann auf Probleme wie etwa Sulfatierung, Elektrodenverschleiß oder Elektrolytprobleme hinweisen.

Die Innenimpedanz wird in der Regel mit einer Vier-Punkt-Methode (der sog. Kelvin-Methode) gemessen. Der Akkutester Sonel BT-120 misst die Innenimpedanz von Akkus, indem er ein Wechselstromsignal mit einer Frequenz von 1 kHz ± 30 Hz erzeugt und in den zu prüfenden Akku einleitet. Diese Frequenz ist erstens hoch genug, um den Einfluss der Gleichstromkomponenten des Widerstands zu minimieren, und zweitens, um Veränderungen der Impedanz zu erkennen, die durch die Verschlechterung des Akkus verursacht werden. Es ist zu bedenken, dass ein Anstieg der Impedanz, z. B. bei der Energiespeicherung, durch einen Rückgang des Widerstands der Verbindungen zwischen den Blöcken (zwischen den Zellen) und nicht durch eine Verringerung der Batteriekapazität verursacht werden kann. Insofern ist es wichtig, den Wert des Widerstands der Verbindungen zwischen den Blöcken zum Zeitpunkt der Feststellung der Erhöhung der Innenimpedanz zu überprüfen.

 
Bild 3. Diagnose von Akku mittels eines Sonel BT-120 Prüfgeräts

Zusammenfassung

Eine umfassende Batteriediagnose basiert auf einer Vielzahl von Schutzmessungen. Sichtprüfungen, Kapazitätsbewertung, Messungen des Innenwiderstands, der Welligkeitsspannung, des Stroms und der Spannung sowie die Überprüfung der Stromversorgungsparameter sind die Schlüsselelemente bei der Kontrolle des betriebstechnischen Zustands und der Betriebssicherheit der Geräte. Die regelmäßige Durchführung dieser Messungen ermöglicht die frühzeitige Erkennung potenzieller Probleme, wie Materialverschlechterung oder Betriebsinstabilität, was wiederum zur Gewährleistung einer optimalen Batterieleistung beiträgt.

Bild 4. Diagnose von Akku mittels eines Sonel BT-120 Prüfgeräts

Autor:
Michał Cichoń
Produktmanager bei Sonel S.A.