Einführung in die Leitfähigkeitsmessung

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1 Einführung in die Leitfähigkeitsmessung 11/10/ST Inhaltsangabe Warum Leitfähigkeitsmessung? Situationsbeschreibung Der Leitfähigkeitstest hat vergleichsweise zum Kapazitätstest folgende Vorteile Hinweis zum Leitwert Bestimmung des Referenzwerts Warum Temperaturmessung vor der Leitfähigkeitsmessung? Warum ist gute Polverbindung bei der Leitfähigkeitsmessung notwendig? Definitionen Warum Leitfähigkeitsmessung? Situationsbeschreibung Beim Kauf von Batterien wird entsprechend der Anwendung ein bestimmter Batterietyp und eine bestimmte Kapazität ausgewählt. Insbesondere bei Standby-, USV-, Notstrom-, Puffer- oder Telekom-Batterieanwendungen tritt das Problem auf, dass die Batterien nur in selten auftretenden Fällen und dann aber mit einer sehr hohen Zuverlässigkeit arbeiten müssen. Um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten, muß die Alterung der Batterie beobachtet werden. Das Schwierige hierbei ist, dass sich die Abnahme der Kapazität nicht wie z. B. bei Fahrstrombatterien während des täglichen Betriebes beobachten lässt. Die tatsächliche momentane Kapazität (von VRLA-, AGM- oder Gel-Batterien) kann nur durch die vollständige Entladung der Batterie bestimmt werden. Dies ist aufwendig und birgt Risiken in sich. Die häufig angewendete Spannungsmessung gibt bestenfalls Aufschluß über den Ladezustand, aber nicht über die Kapazität. Erst recht gibt die Spannungsmessung keine Aussage über die zu erwartende Rest-Lebensdauer der Batterie. Deswegen sind von den einzelnen Nutzerfirmen bzw. deren Service-Auftragnehmern häufig noch die klassischen Serviceprozeduren und Zyklen vorgesehen. Meist wird wie folgt verfahren: Durchführung eines Kapazitätstests mit externen Hochstromverbrauchern nach Erstinstallation und vor Ablauf der Garantiezeit. Danach werden oftmals nur noch Sichtprobenprüfungen und evtl. Spannungsmessungen durchgeführt. Je älter die Batterie ist, um so ungewisser ist ihr Zustand und um so gefährlicher ist ein richtiger Kapazitätstest (vollständige Entladung), der allein Auskunft über die Kapazität geben würde.

2 Manchmal wird der Kompromiss einer Teilentladung gewählt (kurzzeitiges Umschalten auf den Verbraucher bei Wegnahme der Pufferladung). Gleichzeitig wird die Spannung aller Zellen verfolgt. So kann zwar das Risiko der Umpolung einzelner Zellen (und die damit verbundenen Gefahren) reduziert werden, aber die tatsächliche Kapazität kann nicht ermittelt werden. Außerdem bleibt der Aufwand ebenfalls groß. Es gibt bei allen Kapazitätstests (bei Teilentladung und vollständiger Entladung) zusätzlich zu Kostenaufwand und Risiko noch ein weiteres Problem: Die nicht gegebene Rückwirkungsfreiheit. Der Entladetest gibt nur Auskunft über die Batterie-Kapazität vor der Entladung. Der Kapazitätstest sagt nichts über den Zustand der Batterie nach der erneuten Aufladung. Der Eingriff durch die Entladung ist erheblich, da Stand-by-Batterien empfindlich auf Entladung reagieren. Es hat sich immer wieder gezeigt, dass problembehaftete Zellen/Blöcke nach Kapazitätstests und der folgenden Wiederaufladung schlecht wurden. Die Unsicherheit ist groß, insbesondere dann, wenn nur Teilentladungen durchgeführt wurden, bei der bestimmte Zellenfehler noch nicht auffällig wurden. Die Systemsicherheit kann nach einem Kapazitätstest erheblich verringert sein, obwohl diese aufwändige Methode ja gerade das Gegenteil bewirken soll. Generell stellt jeder Kapazitätstest einen Entladezyklus dar und reduziert die Lebensdauer von Standby-Batterien. Der Leitfähigkeitstest hat vergleichsweise zum Kapazitätstest folgende Vorteile: Schnell (wenige Sekunden pro Zelle/Block) Sicher (Batterie bleibt für den Störfall voll funktionsfähig) Kostengünstig (Austausch nur der kritischen Blöcke) Messung im on-line Betrieb (bei angeschlossener Ladung) durchführbar Rückwirkungsfrei (keine Reduzierung der Lebensdauer, Meßergebnis entspricht dem tatsächlichen Zustand der Batterie nach der Messung) Keine Erwärmung des Batterieraums Keine Gefahr einer Explosion durch hohe Entladungsströme und Zerstörung einer Zelle Kein Transport von schweren Lastwiderständen Keine Kosten und Zeitverlust für die Wiederaufladung Kleines handliches batteriebetriebenes Meßgerät Der Leitfähigkeitstest ist ein indirektes Verfahren, um die Kapazität einer Zelle/eines Blocks zu beurteilen. Dabei ist nicht nur der absolute Wert der Leitfähigkeit maßgebend, sondern der auf den Referenzwert bezogene Leitwert und seine Veränderung über der Betriebszeit. Hinweis zum Leitwert: Der hier betrachtete Leitwert ist nicht der Kehrwert des ohmschen Widerstandes, sondern der durch zweifache Pulsströme bei 22,5 Hz gemessene komplexe Leitwert. Die Meßwerte sind somit nicht vergleichbar mit Innenwiderstandsmessungen trivialer Meßprinzipien.

3 Meßströme und Auswertungsfirmware wurden über lange Meßreihen optimiert, um eine gute Korrelation zwischen Leitfähigkeit und der Batterie-Kapazität zu erhalten. Bei Anwendung von diesem ausgeklügelten Meßverfahren und der Einhaltung einiger Rahmenbedingungen, läßt ein über die Zeit abnehmender Leitwert auf eine abnehmende Kapazität schließen. Da die Leitfähigkeit aber vom Aufbau, der Kapazität und dem Ladezustand der Zelle abhängt, ist der Referenzwert spezifisch für jeden Batterietyp und im geladenen Zustand zu bestimmen. Bestimmung des Referenzwerts Der Referenzwert wird ggf. vom Hersteller bei 20 C angegeben. Es wird zwischen dem Offline-Referenzwert, der den Leitwert der vollgeladenen, aber noch nicht in Betrieb befindlichen Batterie kennzeichnet (d.h. ohne Pufferladung) und dem On-line-Referenzwert unterschieden. Der On-line-Referenzwert ist der Leitwert, der sich nach einer Betriebszeit, z. B. für VRLA- Batterien nach mehr als 90 Tagen im On-line-Betrieb (mit Pufferladung) einstellt. Der Rekombinationsprozess ist nach dieser Zeit voll ausgebildet. Gibt der Hersteller keinen Referenzwert an, muß dieser selbst erarbeiten werden. Der zuverlässigste Weg ist die Leitfähigkeitsmessung zirka 90 Tage nach der Erstinstallation im On-line-Betrieb. Ist dieses nicht möglich gewesen, so empfehlen wir die Leitfähigkeitsmessung vor einem Kapazitätstest und nach der wieder vollständig aufgeladenen Batterie. Entspricht die durch den Kapazitätstest festgestellte Kapazität der Nennkapazität, so ist der gemessene Leitwert der Referenzwert. Ist die Kapazität durch Alterung geringer als die Nennkapazität, so ist der gemessene Leitwert ebenfalls geringer als der Referenzwert. Es müssen dann - wie unten beschrieben - die Zellen/Blöcke selbst betrachtete werden. Der Leitwert wird dann durch Mittelwertbildung berechnet. In diesem Fall empfiehlt es sich, die Messung einer Batterie von Zelle zu Zelle, bzw. Block zu Block vollständig durchzuführen und den höchsten Leitwert als ersten Referenzwert heranzuziehen. Dieser höchste Leitwert entspricht dann dem Referenzwert, wenn dieser nicht mehr als 10% über dem Mittelwert aller Zellen/Blöcke liegt. Bei älteren Batterien kann es durchaus zu höheren Abweichungen zwischen den besten Zellen/Blöcken und dem Durchschnitt aller kommen. Hier muß man sich wie folgt helfen: Nach Messung aller Zellen wird der Durchschnittswert der besten 3 bis 5 Zellen ermittelt. Dieser Wert muß zur Erlangung des Referenzwertes entsprechend dem Zustand dieser Zellen/Blöcke gegebenenfalls erhöht werden. Es ist dabei eine Abschätzung vorzunehmen, die auf folgenden Betrachtungen beruht: Alter der besten Zelle/des besten Blocks bezogen auf die angegebene Lebensdauer dieses Zell-/Block-Typs. Temperaturverhältnisse während der gesamten Standzeit der Batterie bis heute. Überhöhte Temperatur reduziert die Lebensdauer (z. B. reduziert eine permanente Betriebstemperatur von 30 C die Lebensdauer um die Hälfte verglichen mit einer Betriebstemperatur von 20 C) und erhöht die Kapazität und die Selbstentladung der Batterie. Zu niedrige Temperatur reduziert die Kapazität.

4 Korrosion meist infolge von Elektrolyt-Dämpfen, -Leckagen oder Unterfüllung führt zu erhöhten Widerständen, Erwärmung bei Stromfluß, bis hin zu Pol-Platten-Abrissen und Explosionen. Sulfatierung infolge von Unterladung oder längeren Lagerzeiten Austrocknung infolge von Spannungs- und Temperaturschwankungen. Insbesondere VRLA Batterien sind hierfür anfällig. Interner Kurzschluß durch Zerstörung der Trennwände und Wachstum der positive Platte. Warum Temperaturmessung vor der Leitfähigkeitsmessung? Die Leitfähigkeit einer Zelle/eines Blocks ist auch von der Temperatur abhängig. Um Messungen miteinander vergleichen zu können, müssen diese unabhängig von der Temperatur, bzw. alle auf dieselbe Temperatur von 20 C bezogen sein. Es ist also eine Temperaturkompensation der gemessenen Leitwerte notwendig. Diese führt das Meßgerät selbst aus. Man muß dem Meßgerät nur die aktuelle Batterietemperatur eingeben. Die berührungslose Temperaturmessung ist mit dem im Kit enthaltenen Infrarot-Sensor leicht durchführbar. Warum ist gute Polverbindung bei der Leitfähigkeitsmessung notwendig? Die Leitfähigkeit einer Zelle/eines Blocks ist sehr hoch. Sie liegt im allgemeinen zwischen einigen 100 und einigen 1000 Siemens. Die gemessenen Innenwiderstände liegen also im mωbis µω - Bereich. Die Zuleitungswiderstände bis zu den Prüfspitzen werden zwar durch die angewendete 4-Pol- Messung kompensiert, ein schlechter Übergangswiderstand zwischen Prüfspitzen und Pol kann sich dennoch bis zu einem gewissen Grad im Meßergebnis niederschlagen. Um eine möglichst gute Wiederholgenauigkeit zu erreichen, sind die Prüfspitzen federnd gelagert (konstanter Anpressdruck). Die sicherste Kontaktierung ergibt sich an weichen Polmaterialien (Blei) und geputzten nicht korrodierten Polen. Die Polbrücken (Verbinder) zwischen den Zellen/Blöcken sowie Edelstahlschrauben auf den Polen eignen sich wegen der resultierenden geringen Kontaktfläche nicht so gut wie Bleipole. Um vergleichbare Messwerte zu schaffen, ist es wichtig die einmal gefundene Kontaktfläche bei jeder Messung immer wieder zu verwenden, d.h. nicht heute neben der Polschraube messen und bei der nächsten Wartung (in einem halben Jahr) auf der Polschraube! Falls der Übergangswiderstand von Pol zu Polbrücke selbst gemessen werden soll, z. B. um eine lockere Verschraubung aufzuspüren, besteht die Möglichkeit dieses durch Doppelmessung pro Zelle/Block simultan durchzuführen, indem man die Prüfung BLOCK + VERBINDER wählt.

5 Definitionen: Strang: Eine in Reihe geschaltete Anordnung aus wiederaufladbaren einzelnen Blöcken/Zellen zur Speicherung elektrischer Energie. (z. B. 24, 60, 230, 400 Volt). Eine USV kann mehrere parallele Stränge enthalten. Block: Zellen: Die kleinste auswechselbare Einheit eines Stranges, deren Pole zugänglich sind, der aber selbst intern aus mehreren Zellen bestehen kann. (z. B. 6 Volt Block aus 3 Zellen, 12 Volt Block aus 6 Zellen.) Die kleinste Einheit einer Batterie, deren Pole zugänglich sind (2 Volt) Leitwert: Kehrwert des differenziellen Innenwiderstandes Referenzwert: Referenzleitwert in Siemens einer geladenen Neubatterie mit 100 % Kapazität