Kapazität messen - Anfängerfragen

[braunbaer]

Ein fröhliches Hallo in die Runde!

Das Messen der Kapazität von Li-Ion-Akkus sollte für viele keine Fragen mehr offen lassen. Und es gibt ja auch einige Beiträge dazu. Doch leider bin ich viel zu ungebildet an dieser Stelle, darum verzeiht mir bitte, dass ich doch noch Fragen habe. Ein bisschen ist auch der Weg das Ziel.

Seit kurzem habe ich diese Messvorrichtung, und messe wie folgt die Kapazität:



Hier habe ich gerade einen Akku unbekannter Herkunft am Wickel. Der hat bescheidene 785 mAh.
Für meine DL31 habe ich mir zwei feine Akkus gekauft, die hier: Soshine 18650 3400mAh geschützt. Der eine hat 3175mAh, der andere 3171 mAh.

Jetzt meine Fragen:
- weiß jemand, wie genau so eine Messvorrichtung prinzipiell ist?Sind das Ergebnisse vom Mond oder passt die Größe so in etwa? Grund: angepriesen sind die Akkus mit 3400 bzw. "Min. Kapazität 3250mAh". Na gut, 3170 ist von 3250 nicht so weit weg. Darum die Frage, wie groß die Messungenauigkeit ist.
- welchen Grund hat es, dass die Messelektronik die Entladespannung während des Entladevorgangs reduziert? Begonnen wird mit etwas über 1 Ampere Entladestrom, doch gegen Ende wird es dann so bei 700mA, Meine Erwartung ist, dass mit konstantem Strom entladen wird.
- die Schutzschaltung soll bei 2,65 V dicht machen. Wie genau ist die eingestellt? Mein Messgerät zeigt alles mögliche an, zwischen 2,45 und 2,8 V. Je nachdem, wo ich messe (direkt am Akku) oder an der Schaltung, und natürlich ob ich entlade oder nicht. Hier fehlen mir echt die Zusammenhänge.



Dann habe ich noch eine Frage zur Taschenlampe: kann man messen, wie viel Strom auf der höchsten Stufe benötigt wird? Gibt es da einen Trick? Ich würde sonst versuchen, einen Drahtstrecke zu bauen, die Akkus dazwischenklemmen und dann außerhalb des Gehäuses messen. Aber so eine fliegende Verbindung, vielleicht geht es ja auch einfacher.

Am ende würde ich dann gerne prüfen, ob ich voraussagen kann, wie lange die Lampe leuchten dürfte. Das ist vielleicht ganz spannend zu wissen, wenn man tauchen geht (DL31 = DivingLight).


Spannendes Thema das ganze. Vielleicht kann mir der eine oder andere mit etwas Wissen aushelfen.

Viele Grüße
Ingo

 

[steidlmick]

- weiß jemand, wie genau so eine Messvorrichtung prinzipiell ist?Sind das Ergebnisse vom Mond oder passt die Größe so in etwa?

Die Größenordnung passt zwar, aber wenn man die vom Hersteller selbst angegebenen Messungenauigkeiten berücksichtigt sowie die Fehler, die man selbst noch hinzufügt (Übergangswiderstände an Kontaktflächen, Leitungswiderstände etc.), dann halte ich eine Genauigkeit von besser als +/- 5% für unrealistisch, wahrscheinlich wird der erreichbare Fehler im Bereich 5 - 10 % liegen.

Grund: angepriesen sind die Akkus mit 3400 bzw. "Min. Kapazität 3250mAh". Na gut, 3170 ist von 3250 nicht so weit weg. Darum die Frage, wie groß die Messungenauigkeit ist.

Es geht hier nicht so sehr um die Messungenauigkeit, sondern auch sehr um die Messbedingungen, unter denen der Hersteller die Kapazität bestimmt hat.
Neben dem Entladestrom spielt dabei z.B. auch die Temperatur und eine ggf. durchgeführt Vorkonditionierung eine Rolle.
Der Hersteller führt natürlich Messungen auch bei eher geringen Entladeströmen durch, um einen höheren Messwert für die entnehmbare Ladungsmenge zu erreichen...
Daher ist es so oder so wenig realistisch, die vom Hersteller angegebene Kapazität möglichst exakt zu erreichen.

Wenn dann noch eine eher grobschlächtige und wenig professionelle "Messtechnik" dazu kommt, dann wird das natürlich noch weniger wahrscheinlich.

- welchen Grund hat es, dass die Messelektronik die Entladespannung während des Entladevorgangs reduziert? Begonnen wird mit etwas über 1 Ampere Entladestrom, doch gegen Ende wird es dann so bei 700mA, Meine Erwartung ist, dass mit konstantem Strom entladen wird.

Dafür gibt es keinen wirklichen Grund, vermutlich hat sich der Hersteller zwar etwas dabei gedacht, aber nötig ist so eine doch eher magere Reduzierung nicht. Ich kenne die Konstruktion des Geräts nicht, vielleicht liegt es an einer eher einfachen technischen Ausführung.
In vielen unabhängigen Test wird meistens mit konstanten Entladeströmen gearbeitet, allerdings auch mit entsprechend höherwertiger Messtechnik.

- die Schutzschaltung soll bei 2,65 V dicht machen. Wie genau ist die eingestellt?

Das ist nur ein sehr ungefährer Wert. Eine reale Gefahr besteht sowieso erst bei sehr viel tieferer Entladung <2.0 V und daher ist es auch völlig ausreichend, wenn die Schutzschaltung erst bei 2.40 V auslösen würde.
Man darf nicht vergessen:
Die Schutzschaltung ist eine Notfallfunktion, keine Normalfunktion, auf die man sich mangels LVP in einem schlecht konstruierten Endgerät verlassen soll.

Dann habe ich noch eine Frage zur Taschenlampe: kann man messen, wie viel Strom auf der höchsten Stufe benötigt wird? Gibt es da einen Trick?

Bei den meisten Lampen kann man das zwar messen, benötigt für eine wirklich zuverlässige Messung jedoch ein DC-Zangenamperemeter.
Man "ersetzt" die Tailcap durch ein Stück dicken Draht und lässt das DC-Zangenamperemeter dort herumgreifen. Da diese Messung kontaktlos erfolgt, wird nicht in den Stromkreislauf der Lampe eingegriffen und man erhält zuverlässige Ergebnisse.

Mit normalen Multimetern geht das nicht! Diese werden in den Stromkreislauf der Lampe eingeschleift und verändern manche Parameter dadurch derart, dass die angezeigten Werte sehr stark von der Realität im Normalbetrieb abweichen.
Unser dänischer Kollege Henrik K. Jensen (HKJ, https://lygte-info.dk) hat hier eine sehr detaillierte Anleitung zum Messen mit einem Multimeter verfasst.
Die müsste eigentlich ziemlich viele Frage beantworten, auch warum genau ein DMM bei immer höher ansteigenden Strömen in Taschenlampen immer ungenauer wird (Abschnitt "Current consumption: High current draw").
Es gibt noch einen weiteren Aspekt, der auf das spezielle Verhalten von LEDs zurückgeht und mit deren Diodenkennlinie zusammenhängt. Da hier jedoch auch der LED-Treiber und dessen Aufbau eine Rolle spielt, lässt sich speziell dazu keine generelle Aussage treffen.

Kurz:
Die niedrigen Ströme bei schwachen Leuchtstufen lassen sich mit einem normalen DMM einigermaßen genau messen, bei mittleren und besonders bei hohen Strömen muss jedoch ein DC-Zangenamperemeter benutzt werden, wenn die Werte auch brauchbar sein sollen.

 

[SammysHP]

- welchen Grund hat es, dass die Messelektronik die Entladespannung während des Entladevorgangs reduziert? Begonnen wird mit etwas über 1 Ampere Entladestrom, doch gegen Ende wird es dann so bei 700mA, Meine Erwartung ist, dass mit konstantem Strom entladen wird.

Der Entladevorgang findet über die beiden Widerstände statt. Da diese einen festen Wert haben und das Ganze dem Ohmschen Gesetz folgt, sinkt folglich auch der Entladestrom.

 

[Flummi]

Wenn die beiden Widerstände zusammen 4 Ohm haben, beginnt die Messung mit 4,2V/4Ohm =1,05A.
Bei Entladeende dann entsprechend 2,8V/4Ohm=700mA.

Solch eine Messung funktioniert, entspricht allerdings nicht den Vorgaben der Akkuhersteller zur Bestimmung der Kapazität. Da soll mit konstantem Strom entladen werden. Die geringer gemessene Kapazität liegt vermutlich auch an der recht hohen Entladeschlussspannung (2,8V ?). Die meisten Akkuhersteller nennen hierzu 2,5V. Das kann schon 50-100mAh ausmachen, insbesondere bei geringem Entladestrom.

 

[braunbaer]

Der Entladevorgang findet über die beiden Widerstände statt. Da diese einen festen Wert haben und das Ganze dem Ohmschen Gesetz folgt, sinkt folglich auch der Entladestrom.

Oh man, na klar. Danke!

Wenn die beiden Widerstände zusammen 4 Ohm haben, beginnt die Messung mit 4,2V/4Ohm =1,05A.
Bei Entladeende dann entsprechend 2,8V/4Ohm=700mA.

Solch eine Messung funktioniert, entspricht allerdings nicht den Vorgaben der Akkuhersteller zur Bestimmung der Kapazität. Da soll mit konstantem Strom entladen werden. Die geringer gemessene Kapazität liegt vermutlich auch an der recht hohen Entladeschlussspannung (2,8V ?). Die meisten Akkuhersteller nennen hierzu 2,5V. Das kann schon 50-100mAh ausmachen, insbesondere bei geringem Entladestrom.

Vielen dank! Ich habe an der Messschaltung eingestellt, dass bei 2,5 V Ende sein soll. Die Akkus sollen eine Entladeschlussspannung von 2,65 V haben. Darum auch die Frage nach der Genauigkeit.

Die 2,8 V hatte ich, kurz nachdem ich die Messung beendet hatte.

Darum die Unsicherheit, was abgeschaltet hat: war es der Akku oder die Schaltung? Ich werde mal 2 V einstellen, dann sollte vorher der Akku aufhören.

Lg
Ingo

Die Größenordnung passt zwar, aber wenn man die vom Hersteller selbst angegebenen Messungenauigkeiten berücksichtigt sowie die Fehler, die man selbst noch hinzufügt (Übergangswiderstände an Kontaktflächen, Leitungswiderstände etc.), dann halte ich eine Genauigkeit von besser als +/- 5% für unrealistisch, wahrscheinlich wird der erreichbare Fehler im Bereich 5 - 10 % liegen.

Es geht hier nicht so sehr um die Messungenauigkeit, sondern auch sehr um die Messbedingungen, unter denen der Hersteller die Kapazität bestimmt hat.
Neben dem Entladestrom spielt dabei z.B. auch die Temperatur und eine ggf. durchgeführt Vorkonditionierung eine Rolle.
Der Hersteller führt natürlich Messungen auch bei eher geringen Entladeströmen durch, um einen höheren Messwert für die entnehmbare Ladungsmenge zu erreichen...
Daher ist es so oder so wenig realistisch, die vom Hersteller angegebene Kapazität möglichst exakt zu erreichen.

Wenn dann noch eine eher grobschlächtige und wenig professionelle "Messtechnik" dazu kommt, dann wird das natürlich noch weniger wahrscheinlich.

Dafür gibt es keinen wirklichen Grund, vermutlich hat sich der Hersteller zwar etwas dabei gedacht, aber nötig ist so eine doch eher magere Reduzierung nicht. Ich kenne die Konstruktion des Geräts nicht, vielleicht liegt es an einer eher einfachen technischen Ausführung.
In vielen unabhängigen Test wird meistens mit konstanten Entladeströmen gearbeitet, allerdings auch mit entsprechend höherwertiger Messtechnik.

Das ist nur ein sehr ungefährer Wert. Eine reale Gefahr besteht sowieso erst bei sehr viel tieferer Entladung <2.0 V und daher ist es auch völlig ausreichend, wenn die Schutzschaltung erst bei 2.40 V auslösen würde.
Man darf nicht vergessen:
Die Schutzschaltung ist Notfallfunktion, keine Normalfunktion, auf die man sich mangels LVP in einem schlecht konstruierten Endgerät verlassen soll.

Bei den meisten Lampen kann man das zwar messen, benötigt für eine wirklich zuverlässige Messung jedoch ein DC-Zangenamperemeter.
Man "ersetzt" die Tailcap durch ein Stück dicken Draht und lässt das DC-Zangenamperemeter dort herumgreifen. Da diese Messung kontaktlos erfolgt, wird nicht in den Stromkreislauf der Lampe eingegriffen und man erhält zuverlässige Ergebnisse.

Mit normalen Multimetern geht das nicht! Diese werden in den Stromkreislauf der Lampe eingeschleift und verändern manche Parameter dadurch derart, dass die angezeigten Werte sehr stark von der Realität im Normalbetrieb abweichen.
Unser dänischer Kollege Henrik K. Jensen (HKJ, https://lygte-info.dk) hat hier eine sehr detaillierte Anleitung zum Messen mit einem Multimeter verfasst.
Die müsste eigentlich ziemlich viele Frage beantworten, auch warum genau ein DMM bei hohen Strömen in Taschenlampen immer ungenauer wird (Abschnitt "Current consumption: High current draw").
Es gibt noch einen weiteren Aspekt, der auf das spezielle Verhalten von LEDs zurückgeht und mit deren Diodenkennlinie zusammenhängt. Da hier jedoch auch der LED-Treiber und dessen Aufbau eine Rolle spielt, lässt sich speziell dazu keine generelle Aussage treffen.

Kurz:
Die niedrigen Ströme bei schwachen Leuchtstufen lassen sich mit einem normalen DMM einigermaßen genau messen, bei mittleren und besonders bei hohen Strömen muss jedoch ein DC-Zangenamperemeter benutzt werden, wenn die Werte auch brauchbar sein sollen.

Danke, ich probiere das mal aus. 16mm2 habe ich. Messzange muss ich mal suchen.

 

[light-wolff]

Die Akkus sollen eine Entladeschlussspannung von 2,65 V haben. Darum auch die Frage nach der Genauigkeit.

Die Schutzschaltung schaltet bei 2,40V Zellenspannung ab.
Der reguläre Entladeschluss ist bei 2,50V, darauf bezieht sich auch die Kapazitätsangabe. Auch für das Laden davor gibt es Vorgaben bzgl. Ladestrom und Terminierungsstrom.
Nach Entladeschluss geht die Zellenspannung wieder hoch, umso mehr, je höher der Entladestrom war.

Entladen wird zum Messen der Nennkapazität mit C/5 Konstantstrom, hier also mit 650mA.

Die Nennkapazität 3250mAh bezieht sich wohl auf die Rohzelle ohne Schutzschaltung. Da letztere durch ihren Innenwiderstand für Spannungsabfall sorgt, reduziert sie die Kapazität etwas, weil die Entladeschlussspannung früher erreicht wird (Man könnte diese natürlich um U = Ri * I reduzieren, dann wäre das kompensiert).

Die windige Feder im Akkuhalter und die dünnen Leitungen verursachen ebenfalls Spannungsabfall mit ähnlichem Effekt wie bei der Schutzschaltung.

Wie genau die Elektronik den Strom misst und integriert, ist unbekannt. Mit einfacher Elektronik und Kalibrierung könnte man auch 2% im Arbeitspunkt erreichen, aber ob der Hersteller sich diese Mühe gemacht hat? Manche Geräte kann man selbst kalibrieren, benötigt dafür natürlich ein gutes Vergleichsinstrument.

 

[braunbaer]

Hallo in die Runde!
Vielen Dank für eure Antworten! Da habe ich schon mal viel gelernt. Der Hinweis zum Ohmschen Gesetzt war auch sehr hilfreich.

Für meine Zwecke (Erkenntnisgewinn) reicht die Art der Schaltung aus. Ich messe gerade alle Akkus mal durch. Die "guten" von Keeppower und Soshine liegen ca. 10% unter der Herstellerangabe, aber alle verschiedennen Typen dann recht dicht beieinander. Ein 26650 Akku hat statt 4500mAh etwas mehr (4573 mAh). Die "schlechten" Akkus, die aus irgendwelchen Geräten stammen, haben von 750mAh bis 1750 mAh alles mögliche. Sie kommen bei weitem nicht an die guten Akkus ran.

Eine Strommesszange habe ich besorgt: UNI-T UT210E. Doch ich bin noch nicht zum Messen gekommen.

Grundlagenforschung im eigenen Haus, den Kindern ein bisschen was zeigen, Zusammenhänge und Messgeräte, Neugierde wecken - ich bin glücklich.

Viele Grüße
Ingo