Was Kapazität überhaupt bedeutet
Die Kapazität einer Batterie wird in Amperestunden angegeben und beschreibt, welche Ladungsmenge sie unter definierten Bedingungen abgeben kann. Entscheidend ist das Wort definiert: Ein Kapazitätswert ohne die zugehörigen Randbedingungen ist ohne Aussagekraft.
Zu diesen Randbedingungen gehören das Entladeregime, also über welchen Zeitraum entladen wird, die Entladeschlussspannung, bei der die Messung endet, und die Bezugstemperatur. Deshalb steht auf Datenblättern eine Angabe wie C10 oder K5: Die Zahl bezeichnet den Zeitraum in Stunden, für den der Wert gilt. Eine Batterie mit 500 Amperestunden bei zehnstündiger Entladung liefert bei einstündiger Entladung deutlich weniger, ohne dass etwas defekt wäre.
Die Bezugstemperatur steht ebenfalls im Datenblatt. Bei stationären Batterien sind zwanzig oder fünfundzwanzig Grad Celsius üblich, bei Traktionsbatterien dreißig Grad. Jede Messung, die davon abweicht, muss rechnerisch korrigiert werden, weil eine warme Batterie mehr liefert als eine kalte, ohne deswegen besser zu sein.
Warum die Spannung keine Kapazitätsaussage ist
Die verbreitetste Fehlannahme im Umgang mit Batterien lautet, dass eine normale Spannung eine intakte Batterie anzeigt. Die Ruhespannung sagt bei Blei etwas über den Ladezustand aus, die Erhaltungsladespannung sagt lediglich, dass das Ladegerät arbeitet. Beide sagen nichts darüber, wie viel Energie unter Last zur Verfügung steht.
Eine gealterte Batterie kann eine völlig unauffällige Spannung zeigen und trotzdem nach wenigen Minuten unter Last einbrechen. Genau dieser Fall ist der Grund, warum Anlagen einen Betriebsdauertest nicht bestehen, obwohl im laufenden Betrieb nichts auffällig war.
Verfahren 1: Der Entladetest
Der Entladetest, auch Kapazitätsprüfung genannt, ist das Referenzverfahren. Die vollständig geladene Batterie wird mit einem definierten, geregelten Strom entladen, bis die vorgegebene Entladeschlussspannung erreicht ist. Aus Strom und Zeit ergibt sich die entnommene Ladungsmenge, die nach Temperaturkorrektur ins Verhältnis zur Nennkapazität gesetzt wird.
Nur dieses Verfahren weist die tatsächlich verfügbare Energie nach. Alle anderen Verfahren liefern Hilfsgrößen. In der Praxis wird die Entladung mit einem Batterielastsimulator durchgeführt, der den Strom über die gesamte Dauer konstant hält und Spannung, Strom und Zeit protokolliert. Ein Zellspannungsmonitor erfasst parallel die Spannung jedes einzelnen Blocks.
Damit das Ergebnis aussagekräftig ist, müssen einige Bedingungen stimmen: Die Batterie muss vor dem Test vollständig geladen und ausreichend lange in Ruhe gewesen sein, der Prüfstrom muss zum Anwendungsfall passen, die Temperatur muss erfasst und korrigiert werden, und die Entladung sollte auch dann fortgesetzt werden, wenn die Sollzeit bereits überschritten ist. Nur so entsteht ein Zahlenwert statt eines bloßen Bestanden-Vermerks.
Der Nachteil des Verfahrens liegt auf der Hand: Es kostet Zeit, es entlädt die Anlage und es erfordert anschließend eine vollständige Wiederaufladung. Für sicherheitsrelevante Anlagen ist es dennoch nicht verhandelbar, weil es die einzige Prüfung ist, die eine belastbare Aussage liefert.
Verfahren 2: Innenwiderstands- und Impedanzmessung
Bei diesem Verfahren wird der Innenwiderstand oder die Wechselstromimpedanz eines Blocks gemessen, ohne die Batterie nennenswert zu entladen. Die Messung dauert Sekunden statt Stunden und lässt sich im laufenden Betrieb durchführen.
Was sie liefert, ist ein Vergleichswert, kein Kapazitätswert. Der Innenwiderstand einer alternden Batterie steigt, und Blöcke mit deutlich abweichenden Werten fallen sofort auf. Damit ist das Verfahren hervorragend geeignet, um Ausreißer in einem Strang zu finden und Trends über die Jahre zu verfolgen. Ein einzelner Messwert ohne Vergleichsbasis ist dagegen wenig wert.
Für die Praxis heißt das: Innenwiderstandsmessungen sind das richtige Werkzeug für die Zeit zwischen zwei Entladetests. Sie ersetzen den Entladetest nicht, sie machen ihn aber planbarer, weil sie zeigen, wann er dringend wird.
Verfahren 3: Säuredichtemessung
Bei geschlossenen Blei-Batterien mit flüssigem Elektrolyt lässt sich die Säuredichte mit einem Aräometer oder einem Refraktometer messen. Da die Säure an der Reaktion beteiligt ist, hängt ihre Dichte direkt vom Ladezustand ab: Eine vollgeladene Zelle zeigt eine hohe Dichte, eine entladene eine niedrige.
Auch dieses Verfahren misst keine Kapazität, sondern den Ladezustand. Sein eigentlicher Wert liegt im Vergleich der Zellen untereinander. Weicht eine Zelle deutlich von den übrigen ab, deutet das auf einen Zellenfehler hin. Große Unterschiede zwischen oberer und unterer Elektrolytschicht weisen auf Säureschichtung hin. Gemessen wird sinnvollerweise am Ende der Vollladung und immer an denselben Zellen, damit die Werte vergleichbar bleiben.
Verfahren 4: Ladungsbilanzierung im Betrieb
Batteriewächter an Traktionsbatterien und Batteriemanagementsysteme in Lithiumsystemen zählen die ein- und ausgehende Ladungsmenge und rechnen daraus einen Ladezustand hoch. Das ist im Alltag außerordentlich nützlich, weil es dem Bediener eine verlässliche Restreichweite anzeigt.
Für die Zustandsbewertung taugt der Wert nur eingeschränkt. Ein Zähler kennt die tatsächliche Kapazität der Batterie nicht, er kennt nur seinen hinterlegten Bezugswert. Ohne regelmäßige Kalibrierung durch eine vollständige Ladung oder Entladung driftet die Anzeige. Ein Ladezustand von hundert Prozent bedeutet, dass die Batterie voll ist, und nicht, dass sie noch ihre Nennkapazität hat.
Was bei Lithiumsystemen anders ist
Bei Lithiumbatterien liefert das Batteriemanagementsystem in der Regel bereits einen Zustandswert, oft als State of Health bezeichnet, zusammen mit Zellspannungen, Temperaturen, Zyklenzahl und Fehlerspeicher. Diese Daten sind auszulesen und über die Zeit zu dokumentieren, weil sich daraus Alterungsverläufe und Auffälligkeiten einzelner Zellen erkennen lassen.
Ein echter Kapazitätsnachweis entsteht auch hier erst über eine kontrollierte vollständige Entladung mit definiertem Strom, die innerhalb der vom Hersteller freigegebenen Grenzen durchzuführen ist. Eine Entladung an einem Lithiumsystem ohne Beteiligung des Batteriemanagements ist weder zulässig noch sinnvoll.
Wie das Ergebnis bewertet wird
Als allgemein anerkannte Schwelle gilt: Unterschreitet die gemessene Kapazität achtzig Prozent des Nennwerts, hat die Batterie das Ende ihrer Brauchbarkeitsdauer erreicht und ist zu ersetzen. Nähert sie sich der Neunzig-Prozent-Marke oder fällt sie gegenüber der Vormessung um mehr als zehn Prozentpunkte ab, ist das Prüfintervall zu verkürzen, weil die Alterung in dieser Phase beschleunigt verläuft.
Zwei Besonderheiten sind dabei zu beachten. Stationäre Batterien sind so ausgelegt, dass sie die zugesagte Kapazität bis zum Ende ihrer Brauchbarkeitsdauer bereitstellen, weshalb neue Batterien regelmäßig über hundert Prozent liegen und sich diesem Wert erst mit den Jahren annähern. Blei-Traktionsbatterien erreichen ihre Nennkapazität dagegen häufig erst nach mehreren Ladezyklen. Eine Abnahmemessung direkt nach der Inbetriebnahme kann deshalb einen zu niedrigen Wert ausweisen, ohne dass etwas nicht in Ordnung wäre.
In einem in Reihe geschalteten Strang bestimmt immer der schwächste Block das Ergebnis. Erst die Erfassung der Einzelblockspannungen beantwortet die entscheidende Frage, ob der gesamte Strang gealtert ist oder ob es einen Ausreißer gibt. Aus dieser Unterscheidung ergibt sich, ob ein gezielter Eingriff genügt oder ob die Anlage als Ganzes zu ersetzen ist.
Wie oft gemessen werden sollte
Bei Sicherheitsbeleuchtungsanlagen ist der jährliche Nachweis der vollständigen Bemessungsbetriebsdauer nach DIN VDE 0108-100 vorgeschrieben. Bei stationären Batterien in USV- und Netzersatzanlagen richtet sich das Intervall nach Anlagenkritikalität und Herstellervorgabe, üblich sind jährliche Prüfungen im Rahmen der Wartung. Bei Traktionsbatterien ist die Messung dann angezeigt, wenn Reichweite oder Ladeverhalten auffällig werden, spätestens aber vor einer geplanten Ersatzbeschaffung, damit die Entscheidung auf Zahlen und nicht auf Eindrücken beruht.
Typische Fehler bei der Messung
Die häufigsten Fehler sind schnell aufgezählt und in ihrer Wirkung erheblich: Prüfung mit einem Strom, der nicht zum Anwendungsfall passt, sodass sich das Ergebnis mit keiner Vormessung vergleichen lässt. Prüfung ohne vorherige vollständige Ladung. Fehlende oder nicht dokumentierte Temperatur, wodurch keine Korrektur möglich ist. Verzicht auf die Einzelblockerfassung, wodurch ein einzelner schwacher Block eine intakte Anlage als verbraucht erscheinen lässt. Und schließlich der Abbruch der Entladung beim Erreichen der Sollzeit, wodurch nur ein Bestanden-Vermerk und kein Zahlenwert für die Trendbetrachtung entsteht.
Was in ein Prüfprotokoll gehört
Ein verwertbares Protokoll enthält Batterietyp, Nennkapazität mit zugehörigem Entladeregime, Baujahr und Inbetriebnahmedatum, den verwendeten Prüfstrom, die Entladeschlussspannung, die gemessene Entladedauer, die Elektrolyt- oder Umgebungstemperatur, die daraus errechnete Kapazität in Prozent, die Einzelblockspannungen sowie eine Bewertung mit Empfehlung. Nur ein so aufgebautes Protokoll ist im nächsten Jahr noch etwas wert.
Steurer führt Kapazitätsprüfungen an stationären Batterien und Traktionsbatterien durch, dokumentiert sie in dieser Form und fasst sie im Rahmen von Wartungsverträgen zu einer Verlaufsbetrachtung über die Jahre zusammen.
Regelmäßige Wartung verhindert die meisten Fälle
Alternde Akkus kündigen sich durch nachlassende Testergebnisse an – lange bevor sie als Blinkcode erscheinen. Eine jährliche Inspektion nach DIN VDE 0108-100 inklusive Langzeittest deckt diese Entwicklung frühzeitig auf. Steurer bietet Wartungsverträge für Sicherheitsbeleuchtungsanlagen an, mit Prüfprotokoll und revisionssicherer Dokumentation aus einer Hand.
FAQ
Fragen und Antworten
Nicht zwingend. Über eine Gleichstromzange lässt sich die vorhandene Grundlast erfassen, sodass das Prüfgerät seinen eigenen Entladestrom so nachregelt, dass die Summe konstant bleibt. Ob das im Einzelfall zulässig und sinnvoll ist, hängt von der Anlage und ihrer Kritikalität ab und wird vor der Prüfung festgelegt.
Nein. Zwischen Innenwiderstand und Restkapazität besteht ein Zusammenhang, aber kein belastbar umrechenbarer. Es gibt Batterien mit unauffälligem Innenwiderstand und deutlich reduzierter Kapazität. Die Impedanzmessung ist ein Frühwarnsystem, kein Ersatz für den Nachweis.
Eine vollständige Entladung ist eine Belastung, aber eine, für die die Batterie ausgelegt ist. Entscheidend ist, dass unmittelbar danach vollständig nachgeladen wird und die Batterie nicht entladen stehen bleibt. Der Erkenntnisgewinn übersteigt den Verschleiß deutlich, sofern nicht unnötig oft geprüft wird.
Technisch ja, sinnvoll nur in klar abgegrenzten Fällen. In einem gemischten Strang aus alten und neuen Blöcken bestimmt dauerhaft der schwächste Block das Verhalten, und die neuen Blöcke altern durch die ungleiche Belastung schneller. Bei jungen Anlagen mit einem einzelnen Ausreißer kann ein Teiltausch trotzdem die richtige Entscheidung sein.
In den meisten Fällen liegt es an unterschiedlichen Randbedingungen: anderer Prüfstrom, andere Temperatur, unterschiedlicher Ladezustand vor dem Test. Vergleichbar sind nur Messungen, die unter denselben Bedingungen durchgeführt und dokumentiert wurden.
