Akkus und Batterien testen Profiling, Emulation und Zyklustest von Batterien mit einem Gerät

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Batterien werden vom IoT-Thermometer bis zum Elektrofahrzeug, vom Smartphone, der Smartwatch oder dem Laptop bis zum Energiespeicher einer Solaranlage, von der Unterhaltungselektronik bis zur Medizintechnik eingesetzt. Ein Ausfall hat unterschiedliche Auswirkungen. Daher ist das Testen von Batterien aller Art derzeit eines der Kernthemen der Messtechnik. Dabei müssen Batterien in unterschiedlichen Lebensphasen geprüft werden.

Bei den Batterien sind strenggenommen Primärbatterien, also nicht wiederaufladbare, und Sekundärbatterien, also Akkus oder im englischen „Rechargeable Batteries“ zu unterscheiden. Im Rahmen der Messtechnik sind vor allem die Akkus interessant. Für den Test von Akkus im Alltag gibt es billige, kleine Geräte. Mit ihnen lässt sich prüfen, ob Batterie oder Akku „noch Saft hat“. Für industrielle Aufgaben sind aber ganz andere und tiefere technische Analysen notwendig. Das geht bis hin zur Untersuchung mikroskopisch kleiner Verunreinigungen in der Struktur der Batterie. Unter den vielen Aufgaben sind diese drei immer wiederkehrenden Testszenarien wichtig: Profiling, Emulation und Zyklustest von Batterien.

Profiling, Emulation und Zyklustest im Detail

Beim Profiling einer Batterie wird durch Laden/Entladen ein individuelles Modell oder Profil der Batterie ermittelt. Es wird grafisch in Form einer Lade- und Entladekurve dargestellt. Mit der Emulation wird eine Batterie für einen Verbraucher simuliert. Dafür wird die vorher per Profiling ermittelte Lade-/Entladekurve genutzt. Es können außerdem Profile von Standard-Batterien oder zu einem anderen Zeitpunkt profilierten Batterien verwendet werden.

Durch das Emulieren von Ladezuständen wird die Prüf- und Testzeit verkürzt und die Sicherheit als auch Wiederholbarkeit der Prüfung verbessert. Ein Prüfling kann zum Beispiel durch die Emulation von einer simulierten Batterie versorgt werden, ohne dass sie gerade verfügbar ist oder langwierig die verschiedenen Ladezustände oder andere Bedingungen, wie niedrige oder hohe Temperaturen an der physischen Batterie abgewartet werden müssen. Beim Zyklustest einer Batterie schließlich durchläuft diese wiederholt Lade- und Entladezyklen, um den dadurch folgenden Kapazitätsverlust und die Verkürzung der Batterie-Lebensdauer zu ermitteln.

Stromversorgung und Last in einem

Aus der Beschreibung der Prüfszenarien geht hervor, dass ein Prüfgerät für diese Anwendungen eine Kombination aus steuerbarer Stromversorgung (Laden der Batterie), elektronischer Last (Verbraucher zum Entladen der Batterie) und Multimeter-Messgerät sein muss. Bevor das Testen von Batterien wichtig wurde und spezielle Tester entwickelt wurden, musste der Anwender drei oder mehr Geräte kombinieren. Oft sogar von verschiedenen Herstellern.

Das hat seine Tücken, denn diese Geräte müssen synchron arbeiten und in der Praxis von einem Steuer-PC aus gemeinsam programmiert werden, also einfach zusammenpassen. Moderne Messapplikationen bieten daher alles in einem Gerät. Ein solcher Tester ist der Keysight E36731A (Vertrieb: Meilhaus Electronic). Er kombiniert hardwareseitig einen Batterieemulator – also Stromversorgung und Last – mit der Software BenchVue BV9211B/BV9210B für die genannten Testszenarien.

Im Stromversorgungs-Modus liefert die Testapplikation eine Leistung bis 200 W (max. 30 V, max. 20 A), im elektronischen Last-Modus kann eine Leistung bis 250 W aufgenommen werden (max. 60 V, max. 40 A). Die Autoranging-Funktion, also eine automatische Bereichs-Umschaltung, erzeugt mehr Strom bei allen Spannungen. Zu den erweiterten Funktionen gehören Datenprotokollierung, die LIST-Funktion, eine Kontrolle des Spannungsanstiegs, eine Scope-Funktion sowie die vier Betriebsarten CC, CV, CR und CP (Konstant-Strom, -Spannung, -Widerstand und -Leistung).

Angesteuert wird der Tester vom PC aus über USB oder LAN/Ethernet (LXI Core), optional ist GPIB (IEEE488) möglich. Falls in einer Prüfaufgabe zusätzlich eine Temperaturerfassung gefragt ist, kann das Gerät mit einem DAQ-System DAQ970A/DAQ973A vom gleichen Hersteller kombiniert werden. Die Software unterstützt auch diese Messung und so sind Batterieprofile mit Temperaturüberwachung möglich. Keysight bietet zudem für noch anspruchsvollere Analysen mehrkanalige und modulare Geräte wie die Serie N6705B.

Das Cockpit für den Batterietest: Die Software BenchVue

Bei der Emulation wählt der Anwender in der Software das gewünschte Profil aus und stellt bei Bedarf noch einzelne Parameter wie die Kapazität in Amperestunden Ah, eine Strombegrenzung und den Anfangsladezustand in Prozent ein. Für die Batterieemulation können von der Software bereitgestellte oder selbst erstellte Profile geöffnet oder externe Batteriemodelle importiert werden. Mit der Emulationsfunktion werden dann die gewünschten Batterie-Betriebsbedingungen an den Prüfling ausgegeben. Durch die Simulation eines Absinkens des Ladezustandes, beispielsweise von 80 auf 2 Prozent, kann untersucht werden, wie der Prüfling auf eine solch geringe Batterieladung reagiert.

Für die Profilierung werden ebenfalls Parameter anhand der technischen Daten einer Batterie eingestellt und der Prüfling, diesmal die Batterie selbst, vom Tester vollständig entladen. In einem zweiten Schritt werden analog die Parameter für die Ladung anhand der technischen Daten der Batterie gewählt und die Batterie geladen. Die Software ermittelt daraus ein Profil der Batterie, das ist ihr Verhalten in allen Zuständen beim Laden/Entladen.

Für den Zyklustest schließlich lädt und entlädt die Software analog zum Profiling die Batterie mit einstellbaren Parametern. Hier wiederholt in einer Sequenz. So kann im Zeitraffer analysiert werden, wie sich die Batterie langfristig verhält. Es ist mit den Lade-/Ladefunktionen möglich, eine Batterie nur einmal kontrolliert zu laden oder zu entladen und den Vorgang zu analysieren und grafisch darzustellen.

Drei wichtige Testszenarien vereint

Mit dem E36731A und der BenchVue-Software können Profiling, Emulation und zyklisches Testen von Batterien mit einem einzigen Gerät ausgeführt werden. Das spart Zeit, da der Entwickler sich nicht um die Abstimmung und Programmierung verschiedener Geräte kümmern muss. Mit der BenchVue-Software als Cockpit mit vielfältigen Einstell-, Analyse- und Darstellungsmöglichkeiten ist die Bedienung intuitiv.

* Ernst Bratz arbeitet bei Meilhaus Electronic

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