Die Speicherkapazität von Batteriesystemen zur Ersatz- oder USV-Versorgung muss in regelmäßigen Abständen überprüft werden, um die Ausfallsicherheit sensibler Apparaturen – beispielsweise in medizinischen Einrichtungen – zu gewährleisten. Neben den bei USV-Systemen typischen Entladekapazitätstests lässt sich der State of Health von Blei-Säure-Akkumulatoren durch andere Testverfahren auch bei Ladeerhaltung prüfen. Zur schnellen und zuverlässigen Erfassung etwaiger Kapazitätseinbußen bietet der neue Batterietester von Gossen Metrawatt ein umfangreiches Prüfspektrum mit modernem Datenmanagement, Export- und Reportfunktionen.
Mit fortschreitender digitaler Vernetzung in Gebäudetechnik, Prozess- und Fertigungsindustrie steigen auch die Anforderungen an die ausfallsichere Energieversorgung. Ersatzstrom- und USV-Anlagen schützen kritische Systeme der Datenkommunikation, Sicherheitseinrichtungen, medizintechnische Apparaturen oder Produktionsmaschinen nicht nur gegen Stromausfall, sondern garantieren auch bei durch Netzstörungen verursachten Spannungsschwankungen zu jedem Zeitpunkt die notwendige konstante Versorgung.
Gut drei Viertel der weltweit installierten Batteriespeicher zur Ersatz- und USV-Versorgung nutzen Blei-Säure-Akkumulatoren (Bild 1). Verglichen mit anderen Batterievarianten wie Lithium Ionen-Akkus stellt dieser Speichertyp für viele Anwendungen die sicherere und wirtschaftlichere Lösung dar – sowohl hinsichtlich der Anschaffung als auch der Kosten pro Amperestunde. Heute kommen überwiegend verschlossene, ventilgeregelte VRLA-Akkumulatoren mit angedicktem Elektrolyten zum Einsatz. Sie stehen als Blei-Gel-Ausführungen oder für hohe Anlaufströme auch als AGM-Varianten mit in Glasfaservlies gebundenem Elektrolyten zur Verfügung. Beide Bauformen sind hinsichtlich der Temperatur- und Ladebedingungen allerdings wesentlich empfindlicher als geschlossene Bleiakkus. So tendieren VRLA-Akkus, wenn sie über längere Zeit mit zu hohen Spannungen aufgeladen werden, aufgrund verstärkter Ausgasung zum allmählichen Austrocknen. Neben der Ladespannung und der Entladehäufigkeit wirken sich weitere Faktoren und Umweltbedingungen wie Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit auf den Batteriestatus aus. Daher lassen sich Lebensdauer und Batteriealterung nicht pauschal bestimmen. Schon eine defekte Einheit der in Reihe geschalteten Blöcke kann die Lebensdauer des gesamten Strangs verringern. Folglich müssen die Speicher regelmäßig geprüft werden, um sicherzustellen, dass im Störfall die gespeicherte Energie für die angeschlossenen Lasten ausreicht.
Bild 1: Beispiel eines stationären Batteriespeichers
Zur exakten Bestimmung des State of Health von Batterien, der auch den Ladungsspeicher einbezieht, ist ein vollständiger Kapazitätstest bis zur Entladeschlussspannung unerlässlich. Der Test kann entweder durch Anschluss einer externen Last mit voreingestelltem Entladestrom erfolgen oder indem die elektrischen Verbraucher aktiv geschaltet und über die USV versorgt werden. Mit der zweiten Variante lässt sich die Entladekapazität der Batterien auf Grundlage der realen Verbrauchswerte ermitteln. Der neue, für eine maximale Gesamtspannung von 600 V DC ausgelegte Batterietester METRACELL BT PRO (Bild 2) von Gossen Metrawatt ermöglicht zudem auch Intervallprüfungen, um Spannungs- und Stromverläufe in definierten Abständen unter aktiver Last zu messen. Auf diese Weise lässt sich die Kapazität unter realen Bedingungen bei genauer Dokumentation des Spannungsverlaufs bestimmen. Im Prüfprozess werden bis zu 300.000 Datensätze automatisch geloggt und über die mitgelieferte Management-Software verwaltet.
Bild 2
Als weitere Funktion integriert der Metracell eine Prüfung der Blockspannungen bis 24 V DC während des Lade- oder Entladevorgangs. Dieses Messverfahren erlaubt es, zuvor festgestellte Kapazitätseinbußen und Spannungsabfälle auf Blockebene zu identifizieren, indem bspw. nach erfolgtem Entladekapazitätstest geprüft wird, welche Blöcke im Verlauf der Batterieladung ein auffälliges Spannungsverhalten zeigen. Die Blockspannungsprüfung erfordert mindestens zwei Messreihen – zu Beginn und Ende des Lade- oder Entladevorgangs sowie idealerweise zusätzlich während des Vorgangs. Die gespeicherten Messwerte lassen sich per Mausklick zu Prüfreports mit grafischer und vergleichender Messwertdarstellung aufbereiten.
Zwischen den turnusmäßig durchgeführten Entladekapazitätstests kann der Batteriestatus auch ohne langwierige Zellentladung durch Messung des elektrischen und elektrochemischen Widerstands geprüft werden. Da die Leitfähigkeit der Batterie bei fortschreitender Alterung etwa durch Korrosion und Sulfatierung der Bleielektroden sinkt, verweist ein erhöhter Innenwiderstand auf eine verringerte Lade- und Entladekapazität. Voraussetzung für valide Widerstandsmessungen ist die Ermittlung des Ausgangswerts möglichst bei Inbetriebnahme des Batteriespeichers. Anhand dieser Referenzgröße kann der Grad der Batteriealterung in Folgeprüfungen sowohl über die Zeitschiene als auch im aktuellen Vergleich der verschalteten Batterieblöcke festgestellt werden.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass Widerstandsveränderungen ab 30% vom Ursprungswert auf defekte Blöcke hinweisen können. Neben der Referenzierung kommt es bei der Bestimmung des Innenwiderstands auf eine hochgenaue Messung an, da sich die Abweichungen im Milliohm-Bereich bewegen. Für die hierzu erforderliche 4-Leiter Messung werden spezielle Kelvin-Sonden benötigt, die Gossen Metrawatt dem Prüfgerät standardmäßig beilegt. Die feinen Messspitzen mit Goldbeschichtung lassen sich punktgenau an die Pole der Batteriezelle anlegen. Die optionale Verbindung mit einem Infrarot-Temperatursensor ermöglicht das Erfassen von Blocktemperaturen, um Temperaturschwankungen oder Hotspots zu ermitteln. Die Messwerte von Innenwiderstand und Temperatur werden automatisch dem entsprechenden Prüfdatensatz zugeordnet und abgespeichert.
Zur Widerstandsmessung prägt der Metracell der Batterie einen Wechselstrom auf und berechnen die Impedanz aus der resultierenden Spannungsantwort. Durch das Aufprägen hoher Frequenzen wird die reale elektrische Impedanz gemessen, um Aufschluss über den Zustand der metallisch leitenden Verbindungen (Korrosionseffekte, Dendritenbildung) sowie die Leitfähigkeit des Elektrolyten zu erhalten. Über die genannte Messung hinaus sollte auch der Einfluss des elektrochemischen Widerstands auf die Batteriekapazität erfasst werden (Bild 3). Der als RCT – Resistance Charge Transfer – bezeichneten Widerstand des Stromflusses an der Schnittstelle von Elektrode und Elektrolyt – stellt einen wesentlichen Indikator für Batterien dar, die Gleichstrom über lange Überbrückungszeiten bereitstellen müssen. Sein Wert hängt stark von der Beschaffenheit und Struktur des aktiven Plattenmaterials, d.h. dessen Porosität, ab. Um den RCT zu bestimmen führt der Metracell eine DC-Widerstandsmessung durch. Während der Ladeerhaltung erhöhte RCT-Werte zeigen an, dass die Ladung eines Blockes mit erhöhten Verlusten oder nur eingeschränkt erfolgt.
Bild 3: Metallische (o.) und elektrochemische (u.) Beeinflussung der Leistungsfähigkeit bei typischer Entladekurve in einem fünfstündigen Kapazitätstest
Da ein signifikanter Anstieg des Innenwiderstands erst ab einer Entladetiefe von rund 50 % feststellbar ist, bietet sich zur exakteren Bestimmung des Lade- und Entladezustands bei geschlossenen Batterien eine Messung der Säuredichte an. Die durch allmähliche Austrocknung abnehmende Säuredichte korreliert mit der alterungsbedingt sinkenden Lade- und Entladekapazität. Für diese Messung ist der Metracell mit einer IrDA-Schnittstelle zur Anbindung eines Dichtesensors ausgerüstet.
Mit dem METRACELL BT PRO hat Gossen Metrawatt einen kompakten, robusten Batterietester mit vielfältigen Prüffunktionen für Blei-Säure-Akkumulatoren eingeführt. Durch Kapazitäts-, Widerstands-, Spannungs- und Intervallmessungen sowie die Erfassung von Temperatur und Säuredichte ergibt sich ein vollständiges Zustandsbild des Batteriespeichers. Das portable, akkubetriebene Prüfgerät mit übersichtlicher Bedienoberfläche verschafft einen unkomplizierten Zugriff auf sämtliche Funktionen. Seine Bluetooth- und Infrarot-Schnittstellen vereinfachen den Datenexport zur Prüfsoftware oder im CSV-Format sowie die Messwertübertragung von externen Messinstrumenten. Die effiziente Logistik für alle Messaufgaben wird durch ein integriertes RFID-Transpondersystem unterstützt, das die Verwaltung und Zuordnung auch bei hunderten Batterieanlagen erleichtert und Fehlerquellen auszuschließen hilft.
Die mitgelieferte Datenbank-Software bereitet die Messwerte grafisch prägnant in Kurven und Diagrammen für die Ausgabe von Reports und Dokumentationen auf. Zudem können die Daten in vergleichender Darstellung ausgegeben werden, um Unterschiede der einzelnen Batterieblöcke zueinander sowie im Vergleich zu früheren Messungen auf einen Blick zu markieren. Auch die Erstellung einer Batterietypen-Bibliothek wird unterstützt. Gossen Metrawatt liefert den Batterietester im Prüfkoffer mit Ladegerät, Messleitungen, Kelvinsonden und Krokodilklemmen (Bild 4). Als Zubehör sind optional u.a. ein Zangenstromsensor zur Messung von Lade- und Entladeströmen sowie ein Infrarot-Temperatursensor erhältlich.
Bild 4: Zur Standausstattung im Prüfkoffer gehören neben Messleitungen und Krokodilklemmen auch die speziellen Kelvin-Sonden für die 4-Leiter-Innenwiderstandsmessung
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