Zustand stationärer Batterien Schnelle und eindeutige Diagnosen per Innenwiderstandsmessung

Die Leitwert- und Innenwiderstandsmesstechnik eignet sich für sämtliche Bleibatterie-Typen in USV-Systemen sowie Batteriespeichern. Mit einer erweiterten Messmethode lassen sich Veränderungen und Zustände der Batterien frühzeitig und zuverlässig erfassen. Batteriewechsel erfolgen erst, wenn sie erforderlich sind.

Von außen wirken Batterien wie starre und schwere Energiespeicher. Doch im Inneren laufen hochdynamische Prozesse ab, die von zahlreichen Faktoren beeinflusst werden. Dazu gehören beispielsweise Temperatur, Ladeerhaltungsspannung und Restwelligkeit. Hinzu kommen zunehmend anspruchsvollere Einsatzbedingungen und komplexe Einbausituationen, welche die Lebensdauer der Batterien oft deutlich reduzieren können.

Günstige Batterien können kurzfristig Investitionskosten senken, langfristig erhöhen sie den Wartungsaufwand. Eine sorgfältige und kontinuierliche Zustandsüberwachung ist daher zwingend notwendig, um die Funktionsfähigkeit von Netzersatz- und Energiespeicheranlagen dauerhaft sicherzustellen.

Die fachgerechte Prüfung und Wartung einer Batterieeinheit umfasst unterschiedliche Arbeitsschritte. Dazu gehören die Sichtprüfung von Batteriegehäusen, Polen und Steckverbindungen, Messungen der Temperatur sowie Kontrollen von Ladeeinrichtungen und Belüftungssystemen. Zudem sollten regelmäßige Kapazitätstests erfolgen. Ergänzend zur klassischen Inspektion liefert insbesondere die Innenwiderstandsmessung wertvolle Informationen über den tatsächlichen Zustand der Batterien und identifiziert frühzeitig schwache oder defekte Einheiten.

Ein zuverlässiger Kapazitätstest ist zeitaufwendig

Um den tatsächlichen Zustand einer Batterie zuverlässig zu beurteilen, ist ein umfassender Kapazitätstest erforderlich (Bild 1). Dabei wird die real verfügbare Kapazität durch vollständige Entladung des Batterienstrangs bestimmt. Diese Methode liefert präzise Ergebnisse. Sie ist jedoch aufwendig und sehr zeitintensiv. Aus wirtschaftlichen Gründen ist solch ein umfangreicher Kapazitätstest heute vielfach nur eingeschränkt möglich. Anwender führen ihn entweder gar nicht oder nur in stark verkürzter Form durch, wodurch die Verlässlichkeit der Testergebnisse deutlich abnimmt (Bild 2).

Viele Servicetechniker verlassen sich primär auf die Blockspannungsmessung, um Aussagen über die Batterie und eventuelle Probleme zu treffen. Tatsächlich liefert die alleinige Spannungsmessung bestenfalls Informationen über den aktuellen Ladezustand (SOC – State of Charge), nicht aber über die verfügbare Kapazität (SOH – State of Health). Auch zur Abschätzung der noch verbleibenden Lebensdauer ist sie ungeeignet. Denn eine schlechte Batteriezelle weist im vollgeladenen Zustand oft dieselbe Ruhespannung von rund 2,13 V pro Zelle (entspricht etwa 12,8 V bei sechs Zellen) auf wie eine intakte Zelle.

Um valide Aussagen über die aktuell verfügbare Kapazität treffen zu können, ist ein Entladetest mit angepasster, konstanter Stromlast notwendig. Dieser Test erfolgt bis zum Erreichen der herstellerspezifischen Entladeschlussspannung – zum Beispiel 1,8 V pro Zelle. Dabei darf diese Grenzspannung keinesfalls unterschritten werden, um eine Schädigung der Batterie zu vermeiden. Während des Tests sollten regelmäßige Spannungsmessungen an jeder Zelle erfolgen und dokumentiert werden.

Die Problematik von Entladetests

Neben dem erheblichen organisatorischen, zeitlichen und finanziellen Aufwand tritt bei Kapazitätstests (Teil- oder vollständige Entladung) ein weiteres zentrales Problem auf: Der Entladetest liefert stets nur Aussagen zur verfügbaren Batteriekapazität vor Beginn der Entladung, nicht aber über den Zustand nach dem anschließenden Wiederaufladen.

Insbesondere bei Teilentladungen entsteht eine große Unsicherheit, da sich bestimmte Zellenfehler unter Umständen noch nicht deutlich zeigen oder ohne detaillierte Einzelzellenspannungsmessungen schlicht unerkannt bleiben (Bild 2). Somit lässt sich die tatsächlich langfristige Einsatzfähigkeit einer Batterieanlage durch Entladetests allein nur unzureichend beurteilen.

Messen des Innenwiderstands

Ein bewährtes Verfahren zur schnellen und zuverlässigen Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Batterien ist die Messung des Innenwiderstands (Einzelblockmessung). Im Gegensatz zu zeit- und kostenaufwändigen Entladetests liefert das Verfahren rasche Ergebnisse und reduziert dadurch deutlich den Wartungsaufwand.

Die Messung des Innenwiderstands erlaubt eine indirekte Aussage über den aktuellen Zustand der Batterie. Dabei kommt es nicht ausschließlich auf absolute Messwerte an: entscheidend sind vielmehr die Veränderungen der Messwerte im Zeitverlauf. Ideal ist deshalb eine regelmäßige Durchführung der Messungen, beginnend möglichst schon bei der Inbetriebnahme (Referenzwert-Messung). Ein ansteigender Innenwiderstand deutet in der Regel auf eine abnehmende Leistungsfähigkeit und fortschreitende Alterung der Batterie hin. Somit bietet dieses Messverfahren eine schnelle, zuverlässige und praxisgerechte Möglichkeit, um belastbare Daten aus dem Inneren der Batterieblöcke zu erhalten.

Messgeräte für den Innenwiderstand verschiedener Hersteller unterscheiden sich überwiegend in der verwendeten Messfrequenz: So nutzt Franklin (früher Midtronics) eine Messfrequenz von 22 Hz, während Fluke, Hioki und andere Hersteller 1.000 Hz einsetzen. Die Firma G. Jost aus Troisdorf kombiniert hingegen eine Wechselstrommessung (AC, 1.000 Hz) mit einer näherungsweisen Gleichstrommessung (DC). Dank der erweiterten Methode lassen sich unterschiedliche Veränderungen innerhalb der Batterie differenzierter erfassen (Bild 3).

Randles-Modell

Ein häufig verwendetes Ersatzschaltbild einer Bleibatterie ist das Randles-Modell. Es zeigt die wesentlichen elektrischen Komponenten im Inneren der Batterie. Erfolgt die Innenwiderstandsmessung mit 22 Hz, fließen sämtliche Komponenten gemeinsam in einen einzigen Messwert ein. Dadurch ist es nicht möglich, einzelne Einflussfaktoren gezielt zu unterscheiden.

Bei Messungen mit 1.000 Hz wird hingegen der Anteil der Doppelschichtkapazität (Cdl) vollständig kurzgeschlossen und bleibt damit im Ergebnis unerkannt. Erst durch eine kombinierte Messung bei 1.000 Hz (AC) und einer zusätzlichen näherungsweisen Gleichstrommessung (DC) lassen sich sämtliche Komponenten differenziert erfassen. Diese Methode ermöglicht eine getrennte Darstellung der inneren Batteriewerte, was eine deutlich zuverlässigere und gezieltere Zustandsüberwachung erlaubt.

Batterie-Veränderungen erkennen

In der ersten Zeile sind die Messwerte einer intakten 100-Ah-Batterie dargestellt, wie sie mit verschiedenen Batterietestern erfasst werden. Diese initial gemessenen Werte bilden die Referenz für alle zukünftigen Messungen. In den nachfolgenden Zeilen wird gezielt zuerst der elektrische ohmsche Widerstand (R_el) und anschließend der ladungstransferbedingte Widerstand (Charge-Transfer-Widerstand (R_ct)) des Testobjekts jeweils um etwa 50 % erhöht. Der Batterietester TMC-2001RTS erkennt und quantifiziert diese Widerstandsveränderungen: 50 % bei R_el sowie 49 % bei R_ct.

Demgegenüber liefern Messungen mit 22-Hz-Geräten keine ausreichende Genauigkeit zur exakten Erkennung signifikanter Widerstandsänderungen. Systeme, die mit 1.000 Hz messen, erfassen zwar den rein ohmschen Widerstand (R_el) korrekt, unterschlagen jedoch den Widerstand R_ct vollständig – und damit sämtliche elektrochemischen Veränderungen, obwohl es sich bei der Batterie im Kern um ein elektrochemisches Bauteil handelt.

Unabhängig von diesen Unterschieden und Diskussionen um Widerstandswerte gilt jedoch: Alle genannten Messmethoden sind nur ergänzende Hilfsmittel zur schnellen und effizienten Identifikation potenziell beschädigter Batteriezellen. Eine definitive Aussage über den tatsächlichen Zustand (State of Health (SOH)) und die Batteriekapazität ist ausschließlich durch einen vollständig durchgeführten Kapazitätstest bis zur Entladeschlussspannung möglich, bei dem auch der Ladungsspeicher S umfassend berücksichtigt wird.

Rahmenbedingungen für zuverlässige Messungen

Für eine zuverlässige Beurteilung des Batterie-Innenwiderstands ist es entscheidend, bei jeder Messung folgende Bedingungen zu beachten:

• Referenz- und Vergleichswerte möglichst vorab ermitteln.

• Batterie sollte vollständig geladen sein.

• Messung stets am gleichen Kontaktpunkt durchführen.

• Messungen immer im gleichen Betriebszustand vornehmen (entweder ständig mit oder stets ohne Ladeerhaltungsbetrieb).

• Block-Temperatur unmittelbar vor der Messung erfassen.

Erstellung und Bedeutung von Referenzwerten: Sollte kein herstellerseitiger Referenzwert existieren oder ein solcher nicht in einschlägigen Tabellen hinterlegt sein, empfiehlt es sich, einen eigenen Ausgangswert zu ermitteln. Dabei ist darauf zu achten, dass der Referenzwert mit genau derselben Gerätetechnologie gemessen wird, wie sie später auch im Feld eingesetzt wird. Nur auf diese Weise lassen sich dauerhaft vergleichbare Messergebnisse sicherstellen.

Warum ist die Temperaturmessung wichtig? Der Leitwert oder Innenwiderstand einer Batterie ist stark temperaturabhängig. Um Messergebnisse sinnvoll vergleichen zu können, müssen diese entweder temperaturunabhängig oder auf eine Referenztemperatur von 20 °C bezogen sein. Moderne Batterietester nutzen eine automatische Temperaturkompensation. Vor der Leitwertmessung erfasst entweder ein integrierter Infrarot-Temperatursensor oder ein externer Temperatursensor die aktuelle Blocktemperatur und ermöglicht somit normierte und vergleichbare Ergebnisse.

Warum ist die Kontaktqualität entscheidend?

Der Leitwert einer Batteriezelle oder eines Batterieblocks ist generell sehr hoch und liegt typischerweise zwischen mehreren hundert bis einigen tausend Siemens (S). Dementsprechend befinden sich die gemessenen Innenwiderstände im Milliohm-Bereich (mOhm). Obwohl eine Vierpolmessung (Kelvin-Prinzip, Bild 4) den Einfluss der Leitungswiderstände eliminiert, beeinflusst eine schlechte Kontaktstelle zwischen Prüfspitze und Batteriepol das Messergebnis dennoch erheblich.

Um eine optimale Messgenauigkeit und Wiederholbarkeit zu gewährleisten, sind Prüfspitzen idealerweise federnd gelagert, um einen gleichmäßigen Anpressdruck sicherzustellen. Zudem sollten Batterie-Polkontakte aus weichem Material (Blei) bestehen sowie sauber und korrosionsfrei sein. Um konsistente Vergleichswerte zu erhalten, muss der einmal definierte Kontaktpunkt bei allen zukünftigen Messungen konstant beibehalten werden.

Sollen zusätzlich Übergangswiderstände zwischen Batteriepol und Verbinder überprüft werden, beispielsweise zur Erkennung lockerer Kontakte, empfiehlt es sich, pro Zelle oder Block zwei Messungen durchzuführen. Ein deutlicher Unterschied zwischen diesen beiden Messungen weist auf problematische Übergangswiderstände hin.

Erfahrungen aus der Praxis zeigen, dass Widerstandsänderungen ab etwa 30 % über dem Mittelwert als sicherer Indikator für defekte Batterieblöcke dienen können.

Erforderliche Kontakte für zuverlässige Messungen

Viele moderne Batteriesysteme verfügen über einen umfassenden Berührungsschutz. Dieser erlaubt oft nur noch die Kontaktaufnahme mit einzelnen, schlanken Messspitzen eines Multimeters. Das hier beschriebene Verfahren zur Leitwert- oder Innenwiderstandsmessung erfordert eine größere, gut erreichbare Kontaktfläche von etwa 6 mm Durchmesser. Um das zu gewährleisten, bieten einige Batteriehersteller spezielle Hardware wie Servicekappen (z.B. BAE), Polschrauben mit vergrößerter Oberfläche oder zusätzliche Kontaktzylinder an (z.B. Hoppecke). Alternativ gibt es spezielle Polschraubenvarianten mit zwei nebeneinanderliegenden Kontaktöffnungen, um eine optimale Verbindung zu ermöglichen.

Generell gilt: Je mehr Zellen oder Batterieblöcke in einen Strang eingebunden sind, desto aussagekräftiger wird eine durchgehende Messung mittels Leitwert- oder Innenwiderstandsmessung sein. Im direkten Vergleich einer großen Anzahl von Messwerten fallen solche Zellen bzw. Blöcke auf, deren Werte deutlich vom oberen Mittelwert aller anderen Batterien abweichen.

Mit methodischem Vorgehen kann diese Messung auch bei älteren Batterien zuverlässig angewendet werden. Durch Kombination mit einem Kapazitätstest lässt sich der ursprüngliche Ausgangs-Leitwert oder Innenwiderstandswert ermitteln. Daraus kann in der Folge ein Grenzwert für den Leitwert oder Innenwiderstand definiert werden, bei dessen Überschreitung ein Austausch angezeigt wird. Besonders vorteilhaft dabei: Gezielte Messungen erlauben es, exakt jene Batterien oder Blöcke auszutauschen, die tatsächlich verschlissen sind. Somit kann auf einen pauschalen Austausch aller Blöcke verzichtet werden.

Dieses Messverfahren eignet sich zudem für die Qualitätskontrolle von neuen Batterien. Mithilfe der ermittelten Innenwiderstandswerte lässt sich die Fertigungsqualität neuer Batteriezellen präzise beurteilen, um so dauerhaft eine hohe Anlagenzuverlässigkeit sicherzustellen.

Gesetzliche Anforderungen und Ergänzungen durch Leitwertmessungen

Die DIN VDE 0100 Teil 718 (vormals DIN VDE 108/10:89) „Bauliche Anlagen für Menschenansammlungen“ sowie die DIN EN 50172 „Sicherheitsbeleuchtungsanlagen“ schreiben einen jährlichen Betriebsdauertest für Batterieanlagen vor, der außerhalb der regulären Betriebszeit durchzuführen ist. Praktisch betrachtet handelt es sich hierbei um einen Entladetest, der oft mit einer zu geringen Last durchgeführt wird. Geprüft wird dabei lediglich, ob zum Zeitpunkt des Tests die vorgeschriebene Überbrückungszeit erreicht wird. Über die tatsächliche verbleibende Leistungsfähigkeit der Batterien liefert dieser Test keine aussagekräftigen Erkenntnisse. Batterien an ihrer Verschleißgrenze können bei späteren Einsätzen daher unerwartet ausfallen.

In solchen Fällen bietet die ergänzende Leitwert- oder Innenwiderstandsmessung zusätzliche aussagekräftige Informationen zum tatsächlichen Zustand der Batterieanlage. Auf diese Weise lassen sich zudem frühzeitig schwache Batterien noch innerhalb der Garantiezeit identifizieren und austauschen. Bei kritischen Infrastruktureinrichtungen, etwa kerntechnischen Anlagen, schreibt der Gesetzgeber sogar explizit die Überprüfung der Übergangswiderstände zwischen Batteriepolen und Verbindern vor. Diese Prüfungen lassen sich mittels Innenwiderstandsmessungen unkompliziert und zuverlässig durchführen.

Moderne Energiespeicher setzen oft Bleibatterien ein, da diese im Preis-Leistungs-Verhältnis weiterhin unübertroffen sind. Gerade in neueren Batteriespeichern, beispielsweise in Kombination mit PV-Anlagen, herrscht häufig Teillastbetrieb. Dieser bedeutend anspruchsvollere Betriebsmodus führt zu erschwerten Bedingungen für Batterien, da Teilentladungen auf lange Sicht ungünstiger für die Lebensdauer sind als der klassische Ladeerhaltungsbetrieb.

Besonders bei Flüssig- oder GEL-Batterien in solchen Speichern stellt die Leitwert- oder Innenwiderstandsmessung oft das einzige praktikable Verfahren dar, um zuverlässige Aussagen über den Zustand einzelner Zellen zu gewinnen. Denn aussagekräftige Belastungstests sind durch die im privaten oder kleingewerblichen Umfeld meist vorhandenen geringen Lasten praktisch nicht möglich.

Im Gegensatz dazu sind Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) für diese Art der Leitwert- bzw. Innenwiderstandsmessung nicht geeignet. Durch die Integration von Batteriemanagement-Systemen (BMS), die elektrische und elektronische Komponenten enthalten, wird beim Messen lediglich der Zustand dieser Elektronik und nicht jener der eigentlichen Zellen erfasst. Diese Messung erlaubt also keine Rückschlüsse auf die Batteriezellen selbst. (heh)

* Michael Jäger ist seit 2002 bei Elektronik-Kontor Messtechnik für den Vertrieb von elektrischen Messgeräten tätig. Der staatlich geprüfte Elektrotechniker ist Produktspezialist für die Batterietester verschiedener Hersteller.

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