Energieanzeige: Tatsache oder Trugschluss?

Man stellt sich die Batterie gern als Stromspeicher vor, ähnlich einem Tank für Flüssigtreibstoff. Vereinfacht darf man die Batterie als solchen betrachten; doch ist die Messung von in einem elektrochemischen Element gespeicherter Energie viel komplexer. Die Ergieankanzeige einer Batterie wird allgemein schlecht verstanden; darum soll dieser Artikel über die Schwierigkeiten beim Messen der in einer Batterie gespeicherten Energie aufklären.

Während eine normale Anzeige die Treibstoffmenge in einem Tank bekannter Größe misst, ist die Stromtankgröße nicht genau definiert, und es wird nur die Ruhespannung angezeigt, was dem Ladezustand der Batterie entspricht. Die für die Batterie angegebenen Amperestunden gelten nur, solange die Batterie noch neu ist. Man kann sich die Batterie als schrumpfenden Behälter vorstellen, der bei jeder neuen Ladung eine geringere Energiemenge aufnehmen kann; die angegebenen Amperestunden sind nur als Bezugsgröße zu gebrauchen. Die von der Batterie zur Verfügung stehende Energie ist unbestimmt, weil sie von den Entladungsbedingungen abhängig ist. Dazu gehören Batteriekapazität, Laststrom und Betriebstemperatur: Parameter, die dem Nutzer kaum bekannt sind. Im Hinblick auf diese Einschränkungen ist es kaum verwunderlich, dass eine Stromtankanzeige nicht verlässlich ist.

Die einfachste Messmethode für den Ladezustand ist die Spannungsmessung, die jedoch ungenau sein kann. Aber warum? Batteriechemien haben verschiedenartige Architekturen und Spannungsprofile. Die Temperatur spielt auch eine Rolle. In der Wärme ist die Spannung höher, in der Kälte niedriger. Außerdem zeigt die Ruhespannung kurz nach einer Ladung oder Entladung keine genaue Anzeige für den Ladezustand an, denn die Batterie braucht einige Stunden, um sich auf den neuen Zustand einzustellen. Hersteller empfehlen sogar 24 Stunden Ruhezeit vor einer Messung. Bei Nickel- und Lithium-Batterien ist die größte Schwierigkeit jedoch die flache Entladungsspannungskurve. Weiterhin senkt der Laststrom die Spannung beim Entladen ab.

Fortgeschrittene Messgeräte bestimmen den Ladezustand aus der Coulomb-Zählung. Die Theorie hierzu wurde vor 250 Jahren von Charles-Augustin de Coulomb erforscht und im Coulomb-Gesetz niedergelegt. Es arbeitet auf dem Binzip, Lade- und der Entladeströme zu messen. In Abbildung 1 wird das Prinzip dargestellt.

Abbildung 1: Prinzip einer Tankanzeige mit Hilfe der Coulomb-Zählung.

Die gespeicherte Energie entspricht dem Ladezustand. Eine Messanordnung misst den hinein- und den herausfließenden Strom.

Courtesy of Cadex

Eigentlich sollte die Coulomb-Zählung präzise sein, aber auch sie ist fehlerbehaftet. Wenn man z. B. eine Batterie eine Stunde lang mit 1 A lädt, sollte dieser Strom eigentlich für die Entladung zur Verfügung stehen. Das ist aber nicht der Fall. Eine schlechte Ladungsannahme, insbesondere gegen Ende der Ladung, sowie Verluste während der Lagerung und Entladung verringern die gelieferte Energie und verfälschen die Messung. Die verfügbare Energie ist immer geringer als die der Batterie zugeführte. So beträgt der Wirkungsgrad eines Energiezyklus (Laden und wieder Entladen) bei einer Li-Ion-Batterie in einem Tesla Roadster etwa 86 Prozent.

Ein häufiger Fehler bei der Entwicklung einer Energieanzeige ist die Annahme, dass die Batterie sich nicht verändert. Bei solch einem Gerät wird die Anzeige nach etwa zwei Jahren ungenau. Reduziert sich die Kapazität im Alter z. B. um 50 Prozent, so zeigt die Tankanzeige nach Vollladung immer noch 100 Prozent Ladezustand an, obwohl nur die halbe Energiemenge zur Verfügung steht. Bei einem Handy oder Laptop mag solch ein Anzeigefehler ein geringes Ärgernis bedeuten, wesentlich schlimmere Auswirkungen hat es bei einem Fahrzeug mit Elektroantrieb, das einen Fahrplan zu erfüllen hat. 

Eine mit Coulomb-Zählung betriebene Energieanzeige erfordert regelmäßige Kalibrierung, d.h. die Kapazität der Batterie muss ständig neu bestimmt werden. Durch die Kalibrierung wird der zwischen Ladung und Entladung auftretende Unterschied korrigiert, der Unterschied also zwischen der chemischen und der digitalen Batterie. Dieser Unterschied ist sehr gering, wenn die Batterie mit konstantem Strom voll entladen und dann wieder voll geladen wird. Der Fehler würde unter 1 % liegen. Im normalen Betrieb wird eine Batterie jedoch nur für einige Minuten und mit einem Lastprofil entladen, das schwer zu erfassen ist, um dann wieder teilweise geladen zu werden. Wird sie dann eine Weile nicht benutzt, findet entsprechend Temperatur und Alter Selbstentladung statt. 

Möglich ist das manuelle Kalibrieren durch das völlige Entladen der Batterie. Das kann im Gerät selbst oder mit Hilfe eines Batterieanalysers geschehen. Ist die Batterie ganz entladen, wird die Full-discharge-Flagge gesetzt. Jetzt muss die Batterie voll geladen werden, um die Full-charge-Flagge zu setzen. Mit Hilfe der Entfernung zwischen den beiden Markierungen kann jetzt der Ladezustand wieder genau bestimmt werden. Ein Gerät sollte alle drei Monate oder nach 40 Teilentladungen neu kalibriert werden. Geräte, die durch Gebrauch regelmäßig voll entladen und geladen werden bedürfen keiner manuellen Kalibrierung. Abbildung 2 zeigt das Setzen der Full-discharge-Flagge und der Full-charge-Flaggen.

Abbildung 2: Full-discharge-Flagge und Full-charge-Flaggen für die Kalibrierung

Die Kalibrierung erfolgt durch Vollladung, Vollentladung und eine nochmalige Vollladung. Als Teil der Batteriewartung kann das im Gerät selbst oder mit Hilfe eines Batterieanalysers geschehen.

Was ist nun, wenn eine Batterie nicht regelmäßig kalibriert wird? Kann man solch eine Batterie unbekümmert benutzen? Intelligente Ladegeräte passen sich den Erfordernissen einer chemischen Batterie an, und es bestehen keinerlei Sicherheitsbedenken, wenn die Batterie nicht kalibriert ist. Die Batterie wird voll geladen und funktioniert normal, aber die Digitalanzeige kann ungenau sein und zu Unannehmlichkeiten führen. 

Um ein Kalibrieren überflüssig zu machen, „lernen“ moderne Tankanzeigen, indem sie schätzen, wie viel Energie die Batterie nach der letzten Ladung abgeben konnte. Das Lernen kann auch die Ladezeit berücksichtigen weil eine schlechte Batterie schneller geladen wird als eine gute. Cadex Electronics hat das sogenannte Adaptive System on Diffusion (ASOD) entwickelt, das das Batteriealter im Lernprozess berücksichtigt und über die gesamte Lebenszeit einer Batterie, etwa 1000 Lade/Entlade-Zyklen, einen Kapazitätsfehler von nur +/-2 % erzielt, während der Ladezustand mit einer Genauigkeit von +/-5 % bestimmt wird. ASOD benötigt keine externen Parameter. Wird die Batterie ausgewechselt, stellt sich die Lernmatrix in einer Übergangszeit auf die neue Batterie ein und ist bald wieder so präzise wie bei der alten Batterie. Die neue Batterie muss allerdings vom gleichen Typ sein. 

Inzwischen werden neue Methoden der Ladezustandsmessung erforscht, u.a. mit Hilfe des Quantenmagnetismus (Q-Mag™). Q-Mag von Cadex basiert nicht auf Spannung oder Strom, sondern auf Magnetismus. Beim Entladen einer Blei-Säure-Batterie wechselt die negative Platte von Blei zu Bleisulfat, das eine andere magnetische Suszeptibilität besitzt als Blei. Ein Sensor misst das Magnetfeld mit Hilfe eines quantenmechanischen Prozesses, der Tunneln genannt wird.  Abbildung 3 zeigt die Magnetfelder verschiedener Ladezustände. Bei tiefen Ladezustand ist die magnetische Suszeptibilität dreimal so hoch wie bei einer vollen Batterie.

Ladezustand und MagnetfeldLadezustand und Magnetfeld Abbildung 3: Ladezustand und Magnetfeld

Die magnetische Leitfähigkeit der Platten ist bei einer leeren Batterie dreimal so hoch wie bei einer vollen. Hinweis: TMR = magnetischer Tunnelwiderstand. 

Die Kenntnis des Ladezustands erlaubt ein besseres Laden der Batterie; wichtiger ist jedoch die detaillierte Diagnose mit Kapazitätsschätzung und Lebenserwartung. Von großem Interesse, insbesondere bei der Li-Ion-Batterie mit ihrer flachen Entladekurve, ist die verlässlichere Tankanzeige. 

Abbildung 4 zeigt Q-Mag anhand des relativen Magnetfelds, das beim Entladen einer Lithiumeisenphosphat-Batterie geringer und beim Laden stärker wird. Ein bei der Spannungsmethode auftretender Gummibandeffekt, bei dem ein Entladen die Spannung absenkt und ein Laden diese anhebt, tritt nicht auf. Q-Mag bestimmt den Ladezustand, während die Batterie geladen oder entladen wird. Dabei beträgt die Genauigkeit bei Li-Ion +/-5%, bei Blei-Säure +/-7%, und kalibriert wird durch eine Vollladung. Der für die Erzeugung des Magnetfelds erforderliche Erregerstrom liegt unter 1 mA und ist äußeren Störeinflüssen gegenüber praktisch immun. Q-Mag funktioniert bei Zellen, die mit Folie, Aluminium oder Edelstahl, aber nicht mit Ferritmetallen, ummantelt sind. Entsprechende Forschungen werden in den Cadex-Labors durchgeführt.

Magnetfeldmessung einer Lithiumeisenphosphat-Batterie beim Entladen und Laden.

Abbildung 4: Magnetfeldmessung einer Lithiumeisenphosphat-Batterie beim Entladen und Laden.

Das relative Magnetfeld liefert den präzisen Ladezustand von lithium- und bleibasierten Batterien.

 

Zusammenfassung

Für die Messung des Ladezustands werden normalerweise Spannung, Strom und Coulomb herangezogen. Hierbei mag die Genauigkeit für den Normalverbraucher gut genug sein, doch bei medizinischen und militärischen Geräten sowie bei Elektrofahrzeugen reicht sie nicht aus. Neue Technologien wie Q-Mag versprechen nicht nur einen genaueren Ladezustandswert, sondern liefern auch den Gesundheitszustand und die Lebenserwartung, und das bei mit anderen Technologien vergleichlichem Preis. Mit Hilfe dieser zukunftsweisenden Innovationen ist die moderne Energieanzeige nicht länger ein Trugschluss, sondern sie liefert Tatsachen.

February 2012

Über den Autor
Isidor Buchmann ist Gründer und Geschäftsführer der Cadex Electronics Inc. Über drei Jahrzehnte hinweg hat Herr Buchmann das Verhalten wiederaufladbarer Batterien in praktischen, tagtäglichen Anwendungen studiert und preisgekrönte Artikel geschrieben, darunter den Bestseller „Batteries in a Portable World“ [Batterien in einer mobilen Welt], jetzt in der dritten Auflage. Cadex Electronics ist Hersteller moderner Lade-, Analyse- und Überwachungsgeräte für Batterien. Weitere Informationen über Batterien finden Sie im Internet unter www.batteryuniversity.com; Produktinformationen finden Sie unter www.cadex.com.