Gestattet der Innenwiderstand Rückschlüsse auf die Batteriekapazität?
Eine Untersuchung über Schnelltestmethoden für stationäre und Auto-Batterien

Isidor Buchmann
Cadex Electronics Inc.
isidor.buchmann@cadex.com
www.buchmann.ca
June 2004

Im Laufe der letzten 20 Jahre haben sich 3 Basismethoden für einen Batterieschnelltest profiliert: DC-Last, AC-Leitfähigkeit und Multifrequenz-Elekrochemische-Impedanz-Spektroskopie (EIS). Alle diese Methoden basieren auf der Widerstandsmessung, einer Messung, die zuverlässig die Möglichkeit einer Batterie, einen hohen Strom abzugeben, anzeigt. Der Innenwiderstand liefert wertvolle Informationen, indem er Probleme erkennt und anzeigt, wenn eine Batterie ersetzt werden sollte. Der Widerstand allein ergibt jedoch noch keinen linearen Zusammenhang in bezug auf die Batteriekapazität. Eine Erhöhung des Zellenwiderstandes gibt nur Aufschluss über die Alterung und liefert einige Indikationen über mögliche Fehlerquellen.

Wenn der Innenwiderstand von brandneuen VRLA (ventilgesteuerten) Zellen in derselben Batterie gemessen wird, sind Abweichungen bis zu 8% normal. Der Herstellungsprozess und das verwendete Material sind nur zwei von vielen möglichen Gründen, welche zu diesen Abweichungen führen können. Anstatt sich bedingungslos auf eine Widerstandsmessung zu verlassen, führen die Servicetechniker eine Momentaufnahme des Zellenwiderstandes bei eingebauter Batterie durch, und messen dann die kleinen Veränderungen, die sich durch das Altern ergeben. Eine Erhöhung des Widerstandes um 25% über dem Nominalwert von 100% ergibt einen ungefähren Leistungsverlust auf 80%. Die Batteriehersteller honorieren einen Garantieanspruch, wenn der Innenwiderstand um 50% gestiegen ist.
Bevor wir die verschiedenen Testmethoden analisieren, lassen Sie uns die Kenntnisse über Innenwiderstand und Impedanz auffrischen, Ausdrücke, die oft falsch angewendet werden, wenn es um die Leitfähigkeit einer Batterie geht.

Ein Widerstand ist ausschliesslich resistive und hat keine Reaktanz. Es entsteht keine Phasenverschiebung, weil Spannung und Strom in einem festen Verhältnis zueinander stehen. Ein Heizelement ist eine derartige reine resistive Last. Sie funktioniert gleich mit Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC).

Die meisten elektrischen Lasten, Batterien eingeschlossen, enthalten eine Reaktanzkomponente. Der reaktive Anteil der Last verändert sich mit der Frequenz. Zum Beispiel sinkt die kapazitive Reaktanz eines Kondensators mit steigender Frequenz. Ein Kondensator ist ein isolierendes Element für Gleichstrom (DC) und der Strom kann nicht fliessen. Die Spule, im Gegensatz dazu, funktioniert umgekehrt and ihre Reaktanz erhöht sich mit steigender Frequenz. Für DC ist es ein elektrischer Kurzschluss. Eine Batterie enthält sowohl einen Ohmschen Widerstand, wie auch kapazitive und induktive Reaktanzen. Der Ausdruck Impedanz enthält alle drei Typen.
Eine Batterie kann als eine Kombination von elektrischen Elementen angesehen werden. Figur 1 stellt ein Basismodell dar einer Blei-Säure-Batterie gemäss Randles, in bezug auf Widerstand und Kondensator (R1, R2 und C1). Die induktive Reaktanz wird allgemein vernachlässigt, da sie nur eine untergeordnete Rolle spielt in einer Batterie bei tiefen Frequenzen.

Figur 1: Modell nach Randles eine Blei-Säure-Batterie. Der gesamte Batteriewiderstand besteht aus einem rein ohmschen Widerstand, wie auch aus induktiven und kapazitiven Reaktanzen. Die Werte dieser Komponenten sind verschieden für jede getestete Batterie.