Batterie-Tester
Hintergrund
Für mein Projekt Solar-USV benötigte ich eine passende 12V-Batterie. Dabei hatte ich die Erfahrung machen müssen, dass die angegebene Kapazität oft in der Praxis nicht erreicht wurde. Ich möchte übrigens an dieser Stelle darauf hinweisen, dass diese von mir durchgeführten Messungen keiner gültigen Norm entsprechen. Die verwendeten Messgeräte sind nicht kalibriert im Sinn entsprechender Normen. Die Messerte von Strom und Spannung wurden mit marktüblichen Multimetern überprüft. Die Raumtemperatur entspricht nicht der in Normen oft vorgeschriebenen 25°C. Von daher sind die hier dargestellten Messergebnisse keine gerichtsfesten Prüflaborergebnisse, sondern lediglich das Ergenbnis eines privaten Hobbies!!!
Um die Kapazität einer Batterie einfacher messen zu können habe ich mir daher einen einfachen Batterie-Tester aufgebaut:
Dieser Batterie-Tester besteht aus einem ESP8266-ESP01, einer Spannungsversorgung Gaptec LC78_05-0.5 und nachgeschaltetem AMS1117 (für den ESP01), einem Strom-Spannungs-Sensor INA219 und einem 20A-Relais (SONGLE SRA-05VDC-CL). Der Batterie-Tester arbeitet mit einer Versorgungsspannung zwischen 7 und 28 VDC. Der ESP8266 erfasst eine Spannung und kann bei Bedarf auch einen Strom mit bis zu 3 ADC messen. Das Relais kann für die Lastabschaltung verwendet werden.
ESP8266
Der ESP8266 erfasst die Batteriespannung (und wenn gewünscht auch den Laststrom bis 3 ADC) und sendet diese Daten jede Minute an einen Server (bei mir mein zentraler Raspberry Pi, wo die Daten in einer MariaDB-Tabelle abgelegt werden). Sobald die Batteriespannung eine frei wählbare untere Spannungsgrenze unterschreitet, öffnet das (stromlos offen verschaltete) Lastrelais.
Um nun die Kapazität einer Batterie zu messen, wird diese zuerst vollständig geladen. Dann wird eine Last über diesen Batterie-Tester angeschlossen. Idealer Weise wird eine elektronische Last verwendet, bei der der Laststrom stabil und konstant eingestellt werden kann. Alternativ genügt auch ein beliebiger anderer geeigneter DC-Verbraucher, z.B. eine "alte" 12V-Halogen-Birne.
Beispiel-Entladekurven
95 Ah-Batterie
Im folgenden Diagramm ist die Entladekurve einer 12V-AGM-Batterie dargestellt. Die Kapazität ist mit 95 Ah bei C20 angegeben. Bei einer Nenn-Kapazität von 95 Ah entspricht C20 einen Entladestrom von 95 Ah / 20 h = 4,75 A. Diese Baterie wurde nach dem Laden (Victron Energy Blue Smart IP22 Charger 12/20, bis 14,7 V) mit konstant 4,75 A bis zu einer Ladeschlussspannung von 10,5 V entladen. Das ist angeblich auch die absolut untere Spannungsgrenze für eine Bleibatterie, die allenfalls für die Kapazitätsmessung erreicht werden sollte. Im Zyklusbetrieb sollte eine Bleibatterie nie so weit entladen werden! Diese Batterie erreicht die 10,5 V nach 20,239 h (ca. 20h15min). Damit berechnet sich die gemessene Kapazität zu 20,239 h * 4,75 A = 95,95 Ah. Die gemessene Kapazität liegt damit sogar leicht über der spezifizierten Nennkapazität!
20 Ah-Batterie
Im nächsten Diagramm ist die Entladekurve einer 12V-AGM-Batterie dargestellt, deren Nennkapazizät mit 20 Ah bei C20 angegeben ist. Diese Baterie wurde nach dem Laden (CTEK MXS 3.8, Winter-Modus bis 14,6 V) mit 1,0 A bis zu einer Ladeschlussspannung von 10,5 V entladen. Diese Batterie erreicht die 10,5 V bereits nach 12,521 h (ca. 12h31min). Damit berechnet sich die gemessene Kapazität zu 12,521 h * 1,0 A = 12,521 Ah. Die gemessene Kapazität liegt damit lediglich bei ca. 63% der spezifizierten Nennkapazität!
100 Ah-Batterie
Im dritten Diagramm ist die Entladekurve einer 12V-AGM-Batterie dargestellt, deren Nennkapazizät mit 107 Ah bei C20 angegeben ist (entspricht 5,35 A). Diese Baterie wurde nach dem Laden (Victron Energy Blue Smart IP22 Charger 12/20, bis 14,4 V) mit 4,0 A bis zu einer Ladeschlussspannung von 10,5 V entladen. Diese Batterie erreicht die 10,5 V nach 27,48 h. Damit berechnet sich die gemessene Kapazität zu 27,58 h * 4,0 A = 110,3 Ah. Die gemessene Kapazität liegt damit durchaus im spezifizierten Bereich.
C-Rate
Die Kapazität einer (Blei-)Batterie hängt wesentlich vom Entladestrom ab. Der Entladestrom wird häufig mit der C-Rate angegeben. C20 bedeutet eine Entladung in 20 Stunden mit einem Entladestrom C/20h, bis die Batterie leer ist. Wann eine Bleibatterie vollständig leer ist, wird häufig bei 10,5 V angegeben. Wie bereits erwähnt, sollte eine Bleibatterie aber nie so tief entladen werden. Vor allem im Zyklusbetrieb limitiert die untere Spannung die Lebensdauer wohl deutlich. C20 entspricht bei einer 100 Ah-Batterie einem Entladestrom von 100Ah/20h = 5A. Häufig wird die Nenn-Kapazität bei sehr großen C-Raten, also sehr kleinen Entladeströmen angegeben. Bei hochwertigen Batterien wird die Nennkapazität bei unterschiedlichen C-Raten angegeben, z.B bei C20 und C80 oder C100. Damit kann man sich einen guten Eindruck verschaffen, ob die Kapazität der Batterie für den jeweiligen Einsatzzweck geeignet ist. Im Zyklusbetrieb (typisch für PV-Batterien), wo Batterien ständig geladen und entladen werden, sollte die Batteriespannung im entladenen Zustand möglichst deutlich über 11,5 V bleiben.
Mein Fazit
Für einige bezahlbare DIY- oder Bastel-Projekte und auch für so manch andere Anwendungen sind nach wie vor Blei-Akkumulatoren im Einsatz. Diese sind robust, halbwegs sicher beim Laden und Entladen und deutlich günstiger als z.B. LiFePO4-Batterien. Es lohnt sich aber, die Kapazität einer Blei-Batterie zu überprüfen. Ich habe bei diversen DIY-Projekten tatsächlich festsellen müssen, dass einige der gekauften Batterien bei weitem nicht die spezifizierte Kapazität erreichen. Nun ist es für den interessierten Laien leider nicht so einfach zu beurteilen, wie denn die Kapazität einer Blei-Batterie überhaupt gemessen wird. Wie ist zum Beispiel ein vollständiger Ladevorgang definiert? Und bis zu welcher Spannung wird die Batterie entladen? Günstige Ladegeräte für 12-V-Batterien haben fest eingestellte Ladeschluss-Spannungen. Hier kann der Ladevorgang gar nicht beeinflusst werden. Bei hochwertigeren Ladegeräten kann oft zwischen zwei Ladeschluss-Spannungen gewählt werden, z.B. 14,4 und 14,7 V. Selten kann die Ladeschluss-Spannung frei z.B. auf Werte jenseits von 15 V eingestellt werden. Die minimale Spannung einer 12-V-Batterie wird häufig mit 10,5 V (2,1 V je Zelle) angegeben. Daher ist das die minimale Spannung, die ich für die Kapazitäts-Messung verwende.
Bei einigen Batterie habe ich auch beobachtet, dass die gemessene Kapazität bei jedem Ladevorgang merklich und deutlich messbar abnimmt. Bei anderen Batterie konnte ich auch nach mehreren hundert Lade-Entladezyklen keinen nennenswerten Kapazitätsverlust messen.
Nach ca. einem guten Dutzend 12-V-Batterien, die ich wie hier beschrieben vermessen habe, scheint es in der Qualität bei Blei-Batterien doch erstaunlich große Unterschiede zu geben!