Wie testet man die Kapazität einer Lithium-Ionen-Batterie? Ein Leitfaden zur genauen Messung

Die Prüfung der Kapazität einer Lithium-Ionen-Batterie ist ein präziser Prozess eines kontrollierten Lade- und Entladezyklus. Um sie genau zu messen, laden Sie die Batterie zunächst vollständig auf ihre maximale Spannung auf und entladen sie dann bei einem konstanten, bekannten Strom vollständig, bis sie ihre minimale sichere Spannung erreicht. Die während dieser Entladephase entnommene Gesamtenergiemenge ist ihre gemessene Kapazität.

Das Kernprinzip ist nicht nur das Laden und Entladen, sondern die Standardisierung. Die gemessene Kapazität einer Batterie ändert sich je nachdem, wie schnell Sie sie entladen. Ein zuverlässiger Test erfordert daher die Verwendung einer konsistenten und kontrollierten Entladerate, bekannt als C-Rate.

Das Prinzip: Ein kontrollierter „Arbeitszyklus“

Was ist Batteriekapazität?

Die Batteriekapazität ist das Maß für die Ladung, die eine Batterie speichern und abgeben kann. Sie wird typischerweise in Amperestunden (Ah) oder Milliampere-Stunden (mAh) gemessen.

Stellen Sie es sich wie die Größe des „Kraftstofftanks“ der Batterie vor. Ein Kapazitätstest misst genau, wie viel „Kraftstoff“ Sie unter bestimmten Bedingungen daraus gewinnen können.

Der Lade-Entlade-Zyklus

Die grundlegende Testmethode besteht darin, einen vollständigen, sorgfältig gemessenen Zyklus durchzuführen.

Zuerst stellen Sie einen bekannten „vollen“ Zustand her. Dann entladen Sie die Batterie unter einer kontrollierten Last und messen präzise die entnommene Energie, bis Sie einen bekannten „leeren“ Zustand erreichen.

Das standardisierte Testverfahren

Ein professioneller Kapazitätstest folgt einem strengen, mehrstufigen Prozess, um Genauigkeit und Wiederholbarkeit zu gewährleisten.

Schritt 1: Das CC-CV-Laden

Eine Lithium-Ionen-Batterie wird mit einer Methode namens Konstantstrom, Konstantspannung (CC-CV) korrekt geladen.

Das Ladegerät legt einen konstanten Strom an (die CC-Phase), bis die Spannung der Batterie ihren Höchstwert erreicht, typischerweise 4,2 V. Anschließend hält es diese Spannung konstant (die CV-Phase), während der Strom auf natürliche Weise abnimmt.

Schritt 2: Definition von „vollständig geladen“

Die Batterie ist nicht sofort voll, wenn sie 4,2 V erreicht. Sie müssen warten, bis der Strom in der CV-Phase auf einen niedrigen Wert abfällt, bekannt als Abschaltstrom (termination current).

Dieser wird typischerweise zwischen 2 % und 5 % der Nennkapazität (0,02C bis 0,05C) festgelegt. Das Beenden des Ladevorgangs an diesem Punkt stellt sicher, dass die Batterie konsistent und vollständig gesättigt ist.

Schritt 3: Die Konstantstrom-Entladung

Dies ist die Messphase. Die Batterie wird an einen speziellen Analysator angeschlossen, der sie mit einem bestimmten, konstanten Strom entlädt.

Der Analysator protokolliert kontinuierlich den Strom über die Zeit, bis die Batterie als „leer“ gilt.

Schritt 4: Definition von „vollständig entladen“

Eine Batterie ist „leer“, wenn ihre Spannung auf die vom Hersteller angegebene Abschaltspannung (cut-off voltage) fällt, die oft zwischen 2,5 V und 3,0 V liegt.

Eine Lithium-Ionen-Zelle unter diesen Punkt zu entladen, kann irreversible Schäden verursachen und stellt ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar. Der Analysator stoppt den Test bei dieser Spannung automatisch.

Den kritischen Faktor verstehen: Die C-Rate

Was ist eine C-Rate?

Die C-Rate beschreibt die Entladerate im Verhältnis zur maximalen Kapazität der Batterie. Eine 1C-Rate ist der Strom, der erforderlich ist, um die gesamte Batterie in einer Stunde zu entladen.

Bei einer 2.000-mAh-Batterie beträgt eine 1C-Entladerate 2.000 mA (oder 2 A). Eine 0,5C-Rate entspricht 1.000 mA (1 A) und eine 2C-Rate entspricht 4.000 mA (4 A).

Wie die C-Rate die gemessene Kapazität beeinflusst

Dies ist das wichtigste Konzept, das man verstehen muss. Eine höhere C-Rate (schnellere Entladung) führt zu einer geringeren gemessenen Kapazität.

Dies geschieht aufgrund des Innenwiderstands und anderer Ineffizienzen. Das schnelle Abziehen von Strom bewirkt, dass die Spannung der Batterie schneller abfällt, wodurch die Abschaltspannung früher erreicht wird und etwas Energie im Inneren „zurückbleibt“.

Auswahl einer Standard-C-Rate für Tests

Um ein Ergebnis zu erhalten, das mit der Herstellerangabe verglichen werden kann, müssen Sie eine langsame, standardmäßige Entladerate verwenden.

Der Industriestandard für die Angabe der Kapazität ist oft 0,2C. Das bedeutet, die Batterie über fünf Stunden zu entladen. Die Verwendung dieser Rate minimiert den Einfluss des Innenwiderstands und liefert eine großzügigere und wiederholbare Kapazitätsmessung.

Häufige Fallstricke und externe Faktoren

Einfluss der Temperatur auf den Test

Die Batterietechnologie ist stark temperaturabhängig. Tests in einem kalten Raum führen zu einem geringeren Kapazitätswert, während ein sehr warmer Raum möglicherweise eine etwas höhere Kapazität anzeigt, aber die Alterung der Batterie beschleunigt.

Für konsistente Ergebnisse sollten alle Tests bei einer stabilen, kontrollierten Raumtemperatur (z. B. 20–25 °C oder 68–77 °F) durchgeführt werden.

Alter und Zyklenzahl

Die Kapazität einer Batterie ist keine feste Größe. Sie nimmt mit jedem Lade-/Entladezyklus und mit dem Alter dauerhaft ab. Ein Kapazitätstest liefert nur eine Momentaufnahme des aktuellen Gesundheitszustands (State of Health, SOH) der Batterie.

Verwendung ungenauer Geräte

Das einfache Anschließen einer Last an eine Batterie und das Messen der Zeit mit einem Multimeter ist kein genauer Test. Diese Methode kann keinen konstanten Strom aufrechterhalten, während die Spannung der Batterie abfällt.

Ein zuverlässiger Test erfordert einen spezialisierten Batterieanalysator oder eine programmierbare elektronische Last, die eine Konstantstromentladung aufrechterhalten und die Ergebnisse automatisch protokollieren kann.

So erhalten Sie eine zuverlässige Messung

Um sicherzustellen, dass Ihre Testergebnisse aussagekräftig sind, müssen Sie zunächst Ihr Ziel definieren.

• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Überprüfung von Herstellerangaben liegt: Verwenden Sie die Entlade-C-Rate, die im offiziellen Datenblatt der Batterie angegeben ist, was am häufigsten 0,2C ist.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf dem Vergleich zweier verschiedener Batterien liegt: Sie müssen beide unter exakt den gleichen Bedingungen testen – identische C-Rate, Temperatur und Abschaltspannungen.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Beurteilung des Zustands einer gebrauchten Batterie liegt: Testen Sie sie mit einer Standardrate von 0,2C und vergleichen Sie das Ergebnis mit ihrer ursprünglichen Nennkapazität, um ihre Degradation zu bestimmen.

Durch die Kontrolle dieser Variablen entwickeln Sie sich von einer einfachen Schätzung zu einer echten, datengestützten Bewertung der Leistung Ihrer Batterie.

Zusammenfassungstabelle:

Testfaktor	Auswirkung auf die Kapazitätsmessung	Wichtige Überlegung
Entlade-C-Rate	Höhere C-Rate = geringere gemessene Kapazität	Verwenden Sie 0,2C (fünfstündige Entladung) für die Standardbewertung.
Temperatur	Kalt = geringere Kapazität; Wärme = höhere Kapazität (schädigt aber die Batterie)	Test bei stabiler Raumtemperatur (20–25 °C / 68–77 °F).
Abschaltspannung	Eine Entladung unter die Mindestspannung verursacht dauerhafte Schäden.	Stoppen Sie bei der vom Hersteller angegebenen Spannung (z. B. 2,5 V–3,0 V).
Ausrüstung	Inkonsistenter Strom führt zu ungenauen Ergebnissen.	Verwenden Sie einen spezialisierten Batterieanalysator für die Konstantstromentladung.

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