Akku-Test im TestLab

Elektronik-Labor Mikrocontroller PicoBasic TestLab

Der kleine Akku in Knopfzellen-Form stammt aus einer Garten-Solarleuchte, die durch eindringende Feuchtigkeit völlig zerstört wurde. Der Aufdruck lautet 1,2 V 40 mAh, NiMH. Meine Erfahrung ist, dass solche Akkus auch nach einer lang andauernden Tiefentladung wieder neu eingesetzt werden können. Vermutlich sinkt die Kapazität, und der Innenwiderstand steigt an. Das wollte ich genauer wissen. Der Akku wird über einen Vorwiderstand von 100 Ohm an einem Port des Arduino geladen und entladen. Der Widerstand von 2,2 k zum Eingang A1 dient nur zum Schutz. Falls nämlich der Akku verpolt angeschlossen würde, könnte er sonst den Controller zerstören.

Für die Messungen habe ich ein kleines Hilfsprogramm geschrieben, dass alle Port immer wieder eine Minute lang an und eine Minute lang ausschaltet. Bei Bedarf könnte man mehrere Ports parallelschalten, um größere Ströme zu erzielen. Man kann das Programm beliebig starten und stoppen. Weil dies praktisch immer während der Minuten-Wartezeit geschieht, wird eine Besonderheit des PicoBasic relevant. Stop führt eine praktisch unendlich lange Wartezeit aus, während Go die laufende Wartezeit beendet. Man kann deshalb mit Stop und Go auch eine laufende Wartezeit beenden.

Rem OnOff120s
0x09FF Pdir = 255
L1:
0x08FF Pout = 255
0x1B01 Delay min = 1
0x0800 Pout = 0
0x1B01 Delay min = 1
0x2001 Goto L1:

Um nicht nur die Akkuspannung, sondern auch den Strom beurteilen zu können, wird eine Zweikanalmessung durchgeführt. AD0 (schwarz) misst die Spannung am Port, AD1 (rot) die am Akku. Der Innenwiderstand des Ports sorgt dafür, dass man nicht ganz bis 0 V oder 5 V kommt. Aus der Spannungsdifferenz beider Kanäle und dem Widerstand von 100 Ohm kann man den Strom bestimmen.

Diese Messung zeigt am Anfang, wie der Akku praktisch vollständig entladen wurde. Dazu war das Hilfsprogramm in der Aus-Phase mit Stop angehalten worden. Zuerst konnte er noch 1 V halten, dann sank die Spannung rapide ab. Nach zwei Minuten wurde das Hilfsproprogramm mit Go erneut gestartet. Das Programm lief sechs Minuten lang, sodass dreimal jeweils eine Minute lang geladen und eine Minute lang entladen wurde. Der Ladestrom war mit ca. 25 mA größer als der Entladestrom mit etwa 10 mA. Entsprechend sieht man, dass in jeder Phase eine etwas größere Spannung erreicht wurde.

Es ist nicht auszuschließen, dass der kleine Akku durch dieses Intervallladen wieder etwas lebendiger wird. Dann wurde das Programm im An-Zustand erneut angehalten, um den Akku mehrere Minuten lang zu laden. Die Akkuspannung stieg bis auf 1,5 V, was üblicherweise als Ladeschluss gewertet wird. allerdinge muss man den Spannungsabfall am Innenwiderstand hinzurechnen, sodass man eigentlich bis ca. 1,7 V laden müsste. Der Akku ist also nur zu einem kleinen Teil seiner vermutlichen Kapazität geladen.

Interessant sind die Spannungssprünge von ca. 0,2 V bei jedem Umschalten. Da der Strom sich um rund 35 mA ändert, kann daraus der Innenwiderstand von ca. 6 Ohm bestimmt werden. Damit wäre der Akku für sehr kleine Verbraucher immer noch brauchbar. Spannend bleibt, ob sich der Innenwiderstand durch das Intervallladen noch verringern lässt

Diese Messung zeigt eine längere Entladephase. Die Akkuspannung war zuerst 1,2 V und sank dann im Laufe von 20 Minuten fast bis auf 1 V ab. Wenn man den Entladestrom vereinfachend als 10 mA annimmt, hat er in dieser Zeit eine Ladung von 3,3 mAh abgegeben.

Danach wurde der Akku noch einmal voll aufgeladen und dann mit 100 Ohm direkt nach GND belastet. Die Geschwindigkeit der Messung wurde auf 720 s/div gestellt. Damit umfasst die x-Achse genau zwei Stunden. Aber schon nach 48 Minuten war der Akku leer. 10 mA *0,8 h = 8 mAh. Die ursprüngliche Kapazität ist also auf 20% abgesunken. Für die meisten Anwendungen ist der Akku damit unbrauchbar. Nur als Übungsobjekt für die Messung war er noch zu gebrauchen.

Dann sollte noch ein kleiner Li-Akku mit 3,7 V, 300 mAh untersucht werden. Zuerst wurde er mit dem Labornetzgerät bis auf 4,2 V geladen. Ohne den Ladestrom fiel die Spannung sofort auf 3,5 V ab. Ich führe das auf die interne Schutzschaltung zurück, die vermutlich einen Spannungsabfall von 0,5 V beim Laden bewirkt. Vermutlich ist die Schaltung so ausgelegt, dass man mit 5 V laden kann. Das würde bedeuten, dass der Akku nicht ganz voll geladen wurde.

Um mit einer Messdauer von zwei Stunden auszukommen, brauchte ich eine größeren Entladestrom, Ich habe deshalb eine kleine Glühlampe mit 12V/5W als Last verwendet. Die Messung am Labornetzteil zeigt, dass bei 3,5 V ein Strom von 150 mA fließt. Also müssten die 300 mAh in zwei Stunden erreicht werden können. Der Vorteil der Glühlampe gegenüber einem Widerstand ist, dass sie den Strom in einem gewissen Maße stabilisiert. Bei sinkender Spannung wird dir Glühfaden kälter und niederohmiger, sodass die Stromstärke nicht im gleichen Maß abnimmt.

Die Entladekurve zeigt einen Sprung von ca. 0,1 V bei Anlegen der Last. Daraus kann man einen Innenwiderstand von weniger als 1 Ohm ableiten. Wie erwartet nimmt die Spannung dann zuerst langsam und am Ende immer steiler ab.

In einem weiteren Versuche habe ich den Akku noch einmal stärker geladen, und zwar mit 5 V und bis zu dem Punkt, wo die eingebaute Schutzschaltung den Ladevorgang abgeschaltet hat. Bei der Entladung wurden diesmal etwa 1,5 Stunden erreicht, was auf rund 75% der Nennkapazität hinausläuft. Die Artefakte in Teilbereichen der Entladekurve sind vermutlich auf Kontaktprobleme und die damit verbundenen Änderungen in der Spannungsreferenz des Nano zurückzuführen.

Zum Schluss habe ich auch noch einen Li-Akku aus einer E-Zigarette getestet, der allerdings nicht voll aufgeladen war. Hier wurden ca. 75 mAh abgegeben. Weil dieser Typ keine Schutzschaltung besitzt, musste die Messung rechtzeitig vor einer vollen Tiefentladung beendet werden.

Siehe auch: Akkus aus E-Zigaretten

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