Wie kann man die Kapazität und den Zustand (SOH) einer LiFePo4 Zelle messen?

Die Ermittlung der Kapazität und des Zustandes (state of health) eines LiFePo4 Akkus ist nicht ganz einfach. Wir haben es mit 2 Faktoren zu tun:

• Der realen Kapazität
• Den Innenwiderstand der Zelle

In der Praxis zeigt sich ein Leistungsverlust in einem Akkupack als erstes durch Spannungsabweichungen von einzelnen Zellen. Die Faktoren, die dazu führen, sind jedoch unterschiedlich.

Die erste Messung die durchgeführt werden sollte, ist eine Lade/Entlademessung. Hierbei wird eine entladene Zelle bis zur Ladeschlußspannung aufgeladen und die eingespeiste Energie gemessen. Danach wird die Zelle bis zur Entladeschlußspannung entladen und die entnommene Energie gemessen. Die Werte sollte in etwa gleich sein und der Nennkapazität des Akkus minus einer Reserve von etwa 20% entspechen, da wir ja den Akku nicht 100% aufladen und auf 0% entladen wollen, da dies eine Schädigung der Zelle hervorruft.

Ein Test

In den beiden Grafiken ist die Ladekurve und die Entladekurve eines Akkus zu sehen, der einem Akkupack entnommen wurde, weil seine Spannung von den anderen Zellen abgewichen ist.

Die linke Kurve zeigt einen Entladevorgang der bei 3,40V beginnt was etwa 95% Ladung entspricht und bei 3,20V eindet. Bei diesem Spannungswert hat die Zelle noch etwa 10% Restkapazität. Die geladene Kapazität wurde mit 50Ah gemessen. Das sind etwa 83% der Nennkapazität von 60Ah, 2% Abweichung vom Sollwert.

Die rechte Kurve zeigt einen Ladevorgang, der bei 3,20V beginnt (10% Restkapazität) und bei einer Ladespannung von 3,45V endet. Die eingeladene Kapazität beträgt 59,5Ah.
Hier ist der Akku also schon 10% überladen! Bei einem Ladestrom von 50A ist eine Ladeendspannung von 3,45V OK, da durch den hohen Strom sich der Ruhestrom wieder auf etwa 3,30V einpendelt. Bei 5A Ladespannung wird die Zelle überladen. Hier hätte eine Ladeendspannung von etwa 3,40V gewählt werden müssen. 

Die beiden Kurven sehen aber erst einmal sehr gut aus. Die Zelle hat eine Nominalkapazität von 60 A/h, die fast vollständig geladen und entladen wurde!
Heraus läßt sich schließen, das die eigentliche Kapazität der Zelle absolut OK ist! 

Der Innenwiderstand

Wie bereits oben gesagt, ist aber der Zustand einer Akkuzelle nicht nur von der eigentlichen Kapazität abhängig, sondern auch von Innenwiderstand. Der Innenwiderstand einer Zelle ist ein erhebliches Maß für den Zustand einer Zelle! In den obrigen Tests wurde die Zelle mit 5A geladen und entladen. Anders sieht es aus, wenn die Zelle mit 200A belastet wird! Hier macht sich der Innenwiderstand der Zelle erheblich bemerkbar. Je höher dieser ist, desto mehr Spannung fällt im Inneren der Zelle ab und desto höher ist die Selbsterwärmung der Zelle. Das heißt, mehr Leistung wird in der Zelle in Wärme umgewandelt und steht nicht dem Verbraucher (Motor) zur Verfügung! Durch den relativ kleinen Meßstrom ist der Innenwiederstand nicht so sehr aufgefallen. Im Fahrbetrieb in Auto, wo hohe Ströme entnommen werden, wird die Zelle aber schneller entladen, je höher der Innenwiderstand ist.

• Je höher der Innenwiderstand einer Akkuzelle ist, desto weniger Leistung steht dem Verbraucher zu Verfügung.
• Je geringer der Innenwiderstand, desto “gesünder” ist die Zelle.

Innenwiderstand messen

Die Messung des Innenwiderstands einer LiFePo4 Zelle ist am einfachsten mit der ΔU / ΔI Methode zu machen, ohne ein spezielles Messgerät zu benötigen.

Hier hat sich ein Messaufbau bewährt, der mit einfachen Mitteln durchgeführt werden kann und ein reales Ergebnis liefert. Der Akku sollte hierzu zu etwa 80% geladen sein und vor Messbeginn etwa 1 Minute belastet werden. Der Akku sollte eine Temperatur von etwa 20°C haben. Dann wird gemessen:

In einer ersten Messung wird der Akku mit beispielsweise etwa 20A Strom belastet, der Strom wird mit einem Zangenamperemeter gemessen, die Zellspannung mit einem genauen Voltmeter.

In einer zweiten Messung wird der Akku mit beispielsweise etwa 40A Strom belastet, der Strom wird mit einem Zangenamperemeter gemessen, die Zellspannung mit einem genauen Voltmeter.

Die Innenwiderstandsberechnung wird wie folgt ausgerechnet: (U2-U1) / (I2-I1)
Die Berechnung wäre dann Beispliesweise (3,19V – 3,15V) / (40A – 20A) = 0,002 Ohm oder 2mOhm.

Messaufbau

Der Messaufbau besteht aus Kupferlackdraht 0,7mm der auf ein Alurohr gewickelt wurde, mit einer Mittelanzapfung. Das ganze wird einfach in einen Eimer Wasser gelegt, um die Spule zu kühlen. Die Anzapfung ist etwa bei 1/2 der Wicklung die aus 4m Draht besteht. Im Versuchsaufbau wurden 4 Anzapfungen hergestellt, um den Innenwiderstand im Verhältnis zur Stromstärke messen zu können, dies ist aber für die prinzipielle Messung nicht nötig.

Der Widerstand von 4m / 0,7mm Kupferdraht sollte etwa 0,177 Ohm betragen, was einen Strom von (I=U/R) = 3V/0,177Ohm = 17A bzw. Mittelabgriff 34A (ohne Berücksichtigung des Innenwiderstands der Zelle) ausmachen sollte.

Wechselstrom-Innenwiderstand

Bei den Winston LiFePo4 60A soll der Innenwiderstand übrigens laut Datenblatt 0,7mOhm betragen. Diese Angabe entspricht aber nicht der Messmethode, die wir hier angewendet haben. Die Hersteller messen nämlich gern nach der Wechselstrom-Innenwiderstands Methode, in AC/1000kHz, was einen unrealen Wert liefert.

Links

Batterie-Messungen in der Praxis

 

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