Akkulaufzeit abschätzen So charakterisieren Sie mit Leistungsanalysator und SMU einen Akku

Autor / Redakteur: Blake Vermeer* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Ein Leistungsanalysator und eine SMU charakterisieren das Design eines akkubetriebenen Gerätes. Im folgenden Beitrag zeigen wir eine Fallstudie, um unter anderem die Akkulaufzeit abzuschätzen.

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Akkulaufzeit abschätzen: Ob im Mobiltelefon oder Elektroauto – die verbauten Akkus lassen sich mit einem Leistungsanalysator und SMU charakterisieren.
Akkulaufzeit abschätzen: Ob im Mobiltelefon oder Elektroauto – die verbauten Akkus lassen sich mit einem Leistungsanalysator und SMU charakterisieren.
(Bild: androm31, pixelio.de)

Mobiltelefone, Elektroautos oder den Strom im smarten Stromnetz speichern: Der Einsatz von Akku-Technik nimmt zu. Ein Entwickler von akkubetriebenen Geräten muss in der Lage sein, die Akkuleistung in seinem Design zu charakterisieren. Dabei werden sie von Präzisionsleistungsanalysatoren und programmierbaren bidirektionalen DC-Stromversorgungen unterstützt, um schnell einen Einblick in das Design zu bekommen.

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Von Akkulaufzeit, Entladekurve und Innenwiderstand

Im folgenden Text geht es um eine Fallstudie, in der ein Leistungsanalysator und eine Source Measure Unit (SMU) eingesetzt werden, um die Akkulaufzeit abzuschätzen sowie die Entladekurve und den Innenwiderstand eines Akkus zu messen. Bei einem akkubetriebenen Gerät ist eine wesentliche Frage, wie lang das Gerät mit einer Akkuladung auskommt.

Die Antwort auf diese Frage ist nicht ganz einfach, weil die Akkulaufzeit von verschiedenen Faktoren abhängt. Zuerst sollte man einen Blick auf das Datenblatt des Akkus werfen. Dort finden sich Entladekurven bei verschiedenen konstanten Entladeströmen. Kennt man den durchschnittlichen Stromverbrauch des Geräts und seine Abschaltspannung, kann man anhand einer solchen Entladekurve die mögliche Akkulaufzeit des Geräts abschätzen.

Ein gewisses Problem stellt allerdings die Tatsache dar, dass die meisten Geräte keinen gleichbleibenden Stromverbrauch aufweisen. Das gilt besonders für Mobiltelefone, da diese permanent Daten senden und empfangen. Einen solchen Gerätetyp modelliert man besser als eine Impulslast anstatt einer Dauerlast.

Mit einer programmierbaren Gleichstromlast und einem Leistungsanalysator ist es kein Problem, eine Impulslast zu programmieren, mit der man die Akkulaufzeit eines Gerätes bei einer solchen Stromentnahmecharakteristik abschätzen kann. Mit einem einfachen IVI-Programm kann eine programmierbare Gleichstromlast so eingestellt werden, dass sie kontinuierlich in Impulsen Strom entnimmt und sich unterhalb einer Abschaltspannung abschaltet, um den Akku nicht zu beschädigen. Ein Leistungsanalysator überwacht die Spannung an den Akkuanschlüssen und misst kontinuierlich die Stromentnahme des Akkus. Die Messdaten lassen sich auf einen USB-Stick schreiben.

Große Schwankung der Versorgungsspannung

Die Bilder 1 und 2 wurden beide mit dem gleichen Testaufbau und dem gleichen Akku ermittelt. Im zeitlichen Mittel beträgt der durchschnittliche Strom 250 mA. Vergleicht man die Bilder 1 und 2 so wird deutlich, dass mit der Impulslast der Akku 45 Minuten früher leer ist als mit der konstanten Last. Auch schwankte die Klemmenspannung des Akkus infolge des Innenwiderstands während der impulsartigen Entladung erheblich. Der Hardware-Entwickler muss diese große Schwankung der Versorgungsspannung bei der Konstruktion unbedingt berücksichtigen: Alle gewählten Bauteile müssen auch bei der niedrigsten Versorgungsspannung des Entladezyklus noch korrekt funktionieren.

Jeder Akku verfügt über einen Innenwiderstand. Dieser Innenwiderstand begrenzt den maximalen Strom, den der Akku liefern kann. An diesem Widerstand fällt eine Spannung ab und dieser ist auch dafür verantwortlich, dass sich der Akkus während des Betriebs erwärmt. Man stellt sich einen Akku am einfachsten als Serienschaltung einer idealen Spannungsquelle mit einem Widerstand vor. Mit diesem einfachen Modell im Hinterkopf kann man ein Verfahren zur Messung des Innenwiderstands eines Akkus entwickeln.

Wenn man dem Akku einen Stromimpuls bekannter Größe entnimmt und dabei die Änderung der Klemmenspannung misst, ergibt sich der Wert des Innenwiderstands aus dem Quotienten der Spannungsänderung dividiert durch den entnommenen Strom. Diese Messdaten sammelt der Leistungsanalysator bei jeder Stromimpulsentnahme. Der Innenwiderstand des untersuchten Akkus beträgt etwa 180 mΩ. Dieser Wert ändert sich allerdings während der Entladung des Akkus.

Durch den verstärkten Einsatz von Akku-Technik muss man beim Design von Geräten auch verstehen, wie die Charakteristik dieser Stromlieferanten ist. Leistungsanalysatoren und programmierbare Gleichstromlasten unterstützen den Anwender dabei, einen Einblick in diese Charakteristik zu gewinnen.

* Blake Vermeer ist R&D Firmware Engineer bei Keysight Technologies.

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