Elektronik Kontor Messtechnik In 15 Sekunden den Zustand der Batterie ermitteln

Mit der Verfügbarkeit der Batterie geht es um die Kerneigenschaft einer Netzersatzanlage — der Überbrückung von Stromausfällen. Um Veränderungen rechtzeitig — möglichst vor einem Ausfall — zu erkennen, lässt sich mit Hilfe der Leitfähigkeitsmessung schnell und sicher der aktuelle Zustand der Batterie erfassen. So sind Serviceeinsätze deutlich effektiver durchführbar. Denn Bleibatterien werden dann ausgetauscht, wenn es notwendig ist.

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Elektronik-Kontor Messtechnik GmbH

Von außen betrachtet stellen sich Batterien als starre und schwere Energiespeicher dar. Die Vorgänge im inneren sind aber enorm dynamisch und von vielen Einflussfaktoren wie Temperatur, Ladespannung, Restwelligkeit und anderen Faktoren, abhängig. Ungünstige Umgebungsbedingungen schlagen sich deutlich durch eine reduzierte Lebensdauer nieder. Gerade preiswerte Batterien sparen zunächst Investitionskosten, aber langfristig keine Wartungskosten, da eine Zustandsveränderung noch aufmerksamer erfasst werden muss. Nur so kann die Einsatzfähigkeit der Netzersatzanlage sichergestellt bleiben.

Die Beurteilung und Inspektion einer Notstromanlage, egal für welchen Einsatz, beinhaltet eine Vielzahl von Maßnahmen. Dazu gehört die optische Inspektion der Batteriegehäuse und Pole, der Anschlüsse und Verbinder, die Temperaturmessung, die Kontrolle der Ladeeinrichtung und die Kapazitätsprüfung um schwache und defekte Batterien zu erkennen.

Um den Zustand einer Batterie zuverlässig zu erfassen wird bislang häufig ein aufwändiger Kapazitätstest durchgeführt. Die tatsächliche, momentane Kapazität (von AGM- oder Gel-Batterien und auch Batterien mit flüssigem Elektrolyten) wird dabei durch die vollständige Entladung der Batterie bestimmt. Dies ist heute in vielen Fällen aus Kostengründen nicht mehr möglich und wird von den meisten Anwendern nur noch in reduzierter Form durchgeführt. Dabei sinkt die Zuverlässigkeit des Entladetests aber erheblich.

Die Spannungsmessung hat wenig Aussagekraft

Viele Servicetechniker haben sich als „Spannungsexperten“ entwickelt. Sie können durch Messung der Batteriespannung über einzelne Probleme der Batterie eine Aussage treffen. Aber die Spannungsmessung gibt bestenfalls zuverlässigen Aufschluss über den Ladezustand, aber nicht über die Restkapazität der Batterie! Erst recht ergibt die Spannungsmessung keine Aussage über die noch zu erwartende Lebensdauer. Eine geladene schlechte Batterie weist die gleiche Ruhespannung von ca. 2,09 V auf, wie eine geladene, gute Batterie.

Um eine Information über die momentane Kapazität zu erhalten muss ein Entladetest mit entsprechender Stromentnahme bis zum Erreichen der Grenzspannung von z.B. 1,8V/Zelle erfolgen.

Die Problematik der Entladetests

Es gibt bei allen Kapazitätstests (bei Teilentladung und vollständiger Entladung) zusätzlich zu Zeit- und Kostenaufwand noch ein weiteres Problem: Die nicht gegebene Rückwirkungsfreiheit.

Der Entladetest gibt nur Auskunft über die Batterie-Kapazität vor der Entladung. Der Kapazitätstest sagt nichts über den Zustand der Batterie nach der erneuten Aufladung. Der Eingriff durch die Entladung ist erheblich, da Stand-by-Batterien empfindlich auf Entladung reagieren. Es hat sich immer wieder gezeigt, dass problembehaftete Zellen/Blöcke nach Kapazitätstests und der folgenden Wiederaufladung ausfallen. Die Unsicherheit des Verfahrens ist groß, insbesondere dann, wenn nur Teilentladungen durchgeführt wurden und bestimmte Zellenfehler noch nicht auffällig wurden, oder keine Einzelzellenspannung gemessen wurde.

Leitwertmessung zur Bestimmung der Kapazität

Abhilfe liefert eine spezielle Messung des Innenwiderstands: Mit Hilfe der patentierten Leitwertmessung kann eine schnelle und zuverlässige Aussage über die Restkapazität und der Leistungsfähigkeit einer Batterie getroffen werden. Die Anzahl zeitaufwändiger Entladetests wird deutlich reduziert. Dadurch wird auch der Forderung nach Verringerung der Wartungskosten Rechnung getragen.

Der Leitfähigkeitstest ist ein indirektes Verfahren, um die Kapazität einer Zelle/eines Blocks zu beurteilen. Dabei ist nicht nur der absolute Wert der Leitfähigkeit maßgebend, sondern der auf den Referenzwert bezogene Leitwert und seine Veränderung über der Betriebszeit.

Der Leitfähigkeitstest hat vergleichsweise zum Kapazitätstest folgende Vorteile:

• Schnell (wenige Sekunden pro Zelle/Block),
• sicher (Batterie bleibt für den Störfall voll funktionsfähig),
• kostengünstig (Austausch nur der kritischen Blöcke),
• Messung im Online-Betrieb (bei angeschlossener Ladung) durchführbar,
• rückwirkungsfrei (keine Reduzierung der Lebensdauer, das Messergebnis entspricht dem tatsächlichen Zustand der Batterie nach der Messung),
• keine Erwärmung des Batterieraums,
• keine Gefahr einer Explosion durch Funkenbildung oder durch hohe Entladeströme,
• kein Transport von schweren Lastwiderständen,
• keine Energie-Kosten und Zeitverlust für die Wiederaufladung,

Einsatz eines handlichen, batteriebetriebenen Messgerätes mit Datenspeicher.

Messströme und Auswertungsfirmware wurden über lange Messreihen optimiert, um eine gute Korrelation zwischen Leitfähigkeit und der Batterie-Kapazität zu erhalten. Bei Anwendung dieses praktischen Messverfahrens und der Einhaltung einiger Rahmenbedingungen lässt ein über die Zeit abnehmender Leitwert auf eine abnehmende Kapazität schließen. Besonders dann, wenn die Alterung auf Korrosion und Austrocknung beruht.

Die Leitwertmessung ist somit ein vergleichendes Verfahren bei dem die Entwicklung des Leitwertes beobachtet wird. Nur durch dieses Verfahren ist es möglich, schnell und zuverlässig Informationen aus dem Inneren der Batterie zu erhalten.

Anerkennung durch verschiedene Organisationen

Die technische Entwicklung der Leitwertmessung wird in über 150 Patenten beschrieben. Weltweit wird das Verfahren in erster Linie von Telekommunikationsunternehmen eingesetzt. Für die Umsetzung und praktische Anwendung wurden eine Vielzahl von Verfahrensanweisungen von verschiedenen Unternehmen entwickelt. Das Verfahren wird in anerkannten, technischen Standards beschrieben:

Technische Organisationen, die Leitwertmessung beschreiben:

• IEEE Standards — 1187, 1188, 450 and 484
• ANSI T1-330 (American National Standards Institute)
• EPRI (Electrical Power Research Group) — Guide for Testing Stationary Batteries
• International Telecommunications Energy Conference, seit 1992
• International Led Zinc Research Organization
• Battery Council International
• Beschreibung im Entwurf der IEC 21/455/CD von 1998

Mit den Handtestern der Celltron-Reihe von Midtronics werden die oben genannten Anforderungen erfüllt. Während der Prüfung eines Strangs braucht das Gerät nicht weiter bedient zu werden. Alle Messwerte werden im Gerät gespeichert.

Häufige Fragen zur Leitwertmessung

Woher bekomme ich den Referenzwert?

Gibt der Hersteller keinen Referenzwert an und ist dieser in entsprechenden Tabellen nicht zu finden, muss dieser selbst ermittelt werden (diese Methode wird empfohlen). Dabei ist wichtig, dass der Leitwert mit der gleichen Gerätetechnologie ermittelt wird wie auch später im Feld. Nur so lassen sich vergleichbare Ergebnisse erzielen. Der zuverlässigste Weg ist die Leitfähigkeitsmessung zirka 90 Tage nach der Erstinstallation im Online-Betrieb. Dann weist die Batterie ihre maximale Kapazität auf. Ist dieses nicht möglich gewesen, so empfiehlt sich die Leitfähigkeitsmessung vor einem Kapazitätstest und nach der erneuten, vollständigen Aufladung der Batterie.

Warum Temperaturmessung vor der Leitfähigkeitsmessung?

Die Leitfähigkeit einer Zelle/eines Blocks ist erheblich von der Temperatur abhängig. Um Messungen miteinander vergleichen zu können, müssen diese unabhängig von der Temperatur, bzw. alle auf dieselbe Temperatur von 20°C bezogen sein. Es ist also eine Temperaturkompensation der gemessenen Leitwerte notwendig, die vom Messgerät selbst ausgeführt werden sollte. Im Messgerät wird dann die aktuelle Batterie-Temperatur eingegeben. Eine berührungslose Temperaturmessung ist mit einem Infrarot-Sensor oder einer Wärmebildkamera leicht durchführbar.

Warum ist gute Polverbindung bei der Leitfähigkeitsmessung notwendig?

Die Leitfähigkeit einer Zelle/eines Blocks ist sehr hoch. Sie liegt im Allgemeinen zwischen einigen 100 und einigen 1000 Siemens. Die gemessenen Innenwiderstände liegen also im mΩ- bis μΩ-Bereich. Die Zuleitungswiderstände bis zu den Prüfspitzen werden zwar durch die angewendete vier-Pol-Messung kompensiert, ein schlechter Übergangswiderstand zwischen Prüfspitzen und Pol kann sich dennoch bis zu einem gewissen Grad im Messergebnis niederschlagen.

Um eine möglichst gute Wiederholgenauigkeit zu erreichen, sind die Prüfspitzen federnd gelagert (konstanter Anpressdruck). Die sicherste Kontaktierung ergibt sich an weichen Polmaterialien (Blei) und geputzten nicht korrodierten Polen. Die Verbinder zwischen den Zellen/Blöcken sowie Edelstahlschrauben auf den Polen eignen sich wegen der resultierenden geringen Kontaktfläche nicht so gut wie die Bleipole.

Um vergleichbare Messwerte zu erhalten, ist es wichtig die einmal gefundene Kontaktfläche bei jeder Messung immer wieder zu verwenden. Falls der Übergangswiderstand von Pol zum Verbinder selbst gemessen werden soll, z.B. um eine lockere Verschraubung aufzuspüren, besteht die Möglichkeit dieses durch Doppelmessung pro Zelle/Block simultan durchzuführen, indem man die Prüfmethode „Block + Verbinder“ im Messgerät wählt.

Können auch alte Batteriestränge getestet werden?

Mit einer entsprechenden Vorgehensweise ist es möglich, auch alte Batterieanlagen mittels Leitwertmessung zu beurteilen. In Verbindung mit einem (letzten) Kapazitätstest wird der ursprüngliche Startleitwert ermittelt, daraus ergibt sich der Grenzleitwert, der den Hinweis auf den Austausch der Batterie gibt. Besonders interessant ist, dass dann zielsicher Batterien gleicher Qualität (Restkapazität) zusammenstellbar sind, ohne dass pauschal alle Batterien entsorgt werden müssen. Entsprechend lässt sich die Leitwertmessung als Qualitätskontrolle für neue Batterien einsetzen.

Werden auch Notlicht- und Sicherheitsanlagen abgedeckt?

DIN VDE 0108/10.89 Teil 1 bzw. EN 50171 (Anforderungen für Sicherheitsbeleuchtung) schreibt für die Batterien vor: „Jährlicher Betriebsdauertest außerhalb der Betriebszeit“. Dies ist praktisch ein Entladetest. Hier kann die Leitwertmessung ergänzend eingesetzt werden um zusätzliche Informationen über die Batterieanlage zu erfassen. Schwache Batterien lassen sich in der Garantiezeit zielsicher identifizieren. Für bestimmte Anlagen (z.B. Kerntechnische Anlagen) ist u.a. die Prüfung der Übergangswiderstände der Verbinder vorgeschrieben. Dies ist mit einem Leitwerttester sehr einfach und zuverlässig möglich.

Wie werden die Daten verwaltet?

Die im Lieferumfang enthaltene Software PowerSure ist eine Datenbank, die alle relevanten Batteriedaten wie Leitwert, Spannung, Temperatur und, wenn separat erfassbar, den Säurewert verwaltet. Die Organisation der Daten nach Kunde, Standort, Anlage, Strang und Batterie ist einfach und übersichtlich. Durch diese Datenbank werden die selbst geführten Excel-Tabellen und Spannungsgrafiken überflüssig.

Zusammenfassung

Durch den Einsatz eines Leitwerttesters wird der Aufwand bei der Batteriewartung erheblich vereinfacht. Die Anzahl und der Umfang von Kapazitätstests kann reduziert werden. Der Zeitraum für den regelmäßigen Austausch von ganzen Strängen kann verlängert werden, bzw. kritische Blöcke werden gezielt identifiziert und ausgetauscht. Die Vorgehensweise entspricht dem Wunsch vieler Anwender, einen Messwert an die Hand zu bekommen, der schnell, mit geringem Aufwand und zuverlässig eine Aussage über die „Gesundheit“ der Batterie liefert. Der längere Einsatz von Batterien führt zu Kostenreduzierungen und auch wichtigen Umweltaspekten wird Rechnung getragen.

Hilfestellung bei der Einführung

Eine Unterstützung und Einweisung für diese Messmethode wird durch den Distributor Elektronik Kontor Messtechnik und durch Midtronics gewährleistet. Seminare bieten Fachleuten Gelegenheit sich intensiv über das Thema zu informieren.

Elektronik-Kontor Messtechnik, mit Stammsitz ist in Heilbronn, arbeitet seit 25 Jahren als herstellerunabhängiger Distributor für elektrische Messgeräte. Schwerpunkte sind Thermografie, Netzqualität und Batterietester.

Midtronics, mit Stammsitz in Willowbrook, Illinois, USA, produziert seit ca. 20 Jahren ausschließlich Batteriemanagement-Systeme und hält dabei über 150 Patente. Alle Automobilhersteller weltweit setzen Midtronics Tester ein.

Michael Jäger, Elektronik Kontor Messtechnik

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