Elek­tro­ni­sche Last, Teil 2

Inzwi­schen habe ich eini­ge Erfah­run­gen gesam­melt, mei­ne Samm­lung an recy­cle­ten Li-Ion Akkus durch­ge­mes­sen und auch mit der mit­ge­lie­fer­ten Soft­ware gearbeitet.

Mes­sun­gen an Akkus

Bei den Akkus han­delt es sich um 18650er Typen, die mei­stens noch das Logo von Sam­sung tra­gen und nomi­nal im Neu­zu­stand 2,8 bis 3,0 Ah Kapa­zi­tät haben soll­ten. Sie stam­men fast alle aus alten Note­book-Akku­packs, die oft nicht wegen kaput­ter Akkus son­dern wegen defek­ter Lade­elek­tro­nik ent­sorgt wer­den. Laut Daten­blatt sol­len die­se Akkus auf 4,35 V gela­den wer­den und sie haben dann bei einem Ent­la­de­strom von 0,2 C die genann­te nomi­na­le Kapa­zi­tät. Für die Tests habe ich die Akkus auf 4,2 V gela­den, weil das ver­wen­de­te Lade­ge­rät dann abschal­tet. Das geschieht aus Sicher­heits­grün­den, denn man­che Akkus dür­fen nur bis 4,25 V gela­den wer­den, dar­über wird’s gefährlich.

Die Akkus habe ich zum Teil ein­zeln, zum Teil als Pär­chen und zum Teil im 6er‑Pack ent­la­den. Der Ent­la­de­strom wur­de dabei auf etwa ein Fünf­tel der nomi­na­len Kapa­zi­tät ein­ge­stellt, auf 0,5 A, 1,0 A bzw. 3,0 A. Als Abbruch­be­din­gung wur­de laut Daten­blatt eine Ent­la­de­schluß­span­nung von 2,75 V gewählt. Nach­fol­gend exem­pla­risch die Ent­la­de­kur­ve eines Akku­packs aus zwei Zellen:

Entladekurve eines Akkupacks aus zwei Zellen
Ent­la­de­kur­ve eines Akku­packs aus zwei Zellen

Bei einem Ent­la­de­strom von 1 A ist der Akku­pack also nach etwa zwei Stun­den auf die Ent­la­de­schluß­span­nung ent­la­den. Damit haben die bei­den Akkus zusam­men also eine Kapa­zi­tät von etwa 2 Ah. Obwohl der Akku­pack beim Start eine Leer­lauf­span­nung von 4,2 V hat­te, sinkt die­se Span­nung unter Last sofort auf etwa 4,0 V. Daher star­tet die Kur­ve nicht bei 4,2 V. Es wur­de zwar der Sen­se-Ein­gang zum Mes­sen der Bat­te­rie­span­nung benutzt, aber die Span­nung wur­de nicht unmit­tel­bar an den Akku-Kon­tak­ten abge­grif­fen, son­dern über die kur­zen Ver­bin­dungs­dräh­te und die Feder des Akkuhal­tes, über die auch der Ent­la­de­strom fließt. Zumin­dest ein Teil des Span­nungs­ab­falls von 200 mV dürf­te also dem Lei­tungs- und Kon­takt­wi­der­stand geschul­det sein. Hier ist das zuge­hö­ri­ge Libre­Of­fice Spreadsheet zum Rumspielen.

Sol­che Akkus, deren Kapa­zi­tät sich als zu gering erwies (< 0,5 Ah), habe ich vor der Abga­be beim Recy­cling­hof mit gerin­ger Lei­stung auf 0 V ent­la­den. Vor die­ser Pro­ze­dur waren sie bereits mit dem Nomi­nal­strom auf 2,75 V ent­la­den, haben sich aber nach eini­ger Zeit wie­der erholt, so daß die Ent­la­dung mit höhe­rer Span­nung als 2,75 V star­tet. Nach­fol­gend die Ent­la­de­kur­ve bei einer kon­stan­ten Ent­la­de­lei­stung von 1 W.

Zwei 'leere' LiIon-Akkus bei 1W auf 0V entladen
Zwei ‚lee­re‘ LiI­on-Akkus bei 1W auf 0V entladen

Die rote Kur­ve zeigt die Span­nung des Akku­packs wäh­rend des Ent­la­dens mit einer Lei­stung von 1 W. Nach sechs­ein­halb Stun­den fällt die Span­nung rapi­de ab und die elek­tro­ni­sche Last ver­sucht die Lei­stung durch eine Stei­ge­rung der Strom­stär­ke auf­recht zu erhal­ten. Dabei steigt die Strom­stär­ke kurz­zei­tig auf über 3 A an, bis der Akku­pack die gefor­der­te Lei­stung nicht mehr erbrin­gen kann. Danach sin­ken Strom­stär­ke und Span­nung schnell ab, die Lei­stung sinkt inner­halb weni­ger Minu­ten auf unter hun­dert Mil­li­watt. Hier wie­der das zuge­hö­ri­ge Libre­Of­fice Spreadsheet.

Die Soft­ware

Zum Gerät wird eine Betriebs­soft­ware auf DVD für Win­dows Betriebs­sy­ste­me mit­ge­lie­fert. Die­se Soft­ware ist namen­los und basiert offen­sicht­lich auf Lab­View 2014. Das aus­führ­ba­re Pro­gramm heißt „RND 320-KEL102.exe“ Eine Beschrei­bung ist nicht dabei und man muß sich sei­ner Funk­ti­ons­wei­se durch Aus­pro­bie­ren nähern. Beim Start erscheint fol­gen­des Fenster:

Startbildschirm RND 320-KEL102
Start­bild­schirm RND 320-KEL102

Zunächst muß die Soft­ware mit der elek­tro­ni­schen Last ver­bun­den wer­den. Dazu ste­hen drei ver­schie­de­ne Schnitt­stel­len zur Ver­fü­gung: RS232, USB oder Ether­net. Nach der Instal­la­ti­on des USB Trei­bers steht die USB Schnitt­stel­le als COM-Schnitt­stel­le zur Ver­fü­gung, in mei­nem Fall als COM15. Man selek­tiert die COM-Schnitt­stel­le im Drop-Down Menü und klickt auf „Con­nect“ zum Ver­bin­den mit dem Gerät. Anders als die Ver­bin­dung über Ether­net hat das auf Anhieb funk­tio­niert. Bei Ether­net kann das Pro­blem an vie­len Din­gen lie­gen, vom Switch über die Fire­wall bis hin zum Gerät selbst. Die For­schung nach den Ursa­chen habe ich erst­mal auf Eis gelegt, weil die USB Schnitt­stel­le funktioniert.

Die Benut­zer­ober­flä­che gestat­tet die direk­te Bedie­nung des Geräts, die Beob­ach­tung von Span­nung und Strom sowie das Log­gen die­ser bei­den Meß­wer­te in einem Textfile.

Zum Log­gen gibt man im Feld „Sto­rage Time“ die zu spei­chern­de Anzahl von Meß­wer­ten pro Sekun­de ein. Die hier gezeig­te 10 bedeu­tet also Meß­wer­te im Inter­vall von 100 ms zu spei­chern. Damit kann man leben, wenn­gleich es bei lan­gen Inter­val­len von z.B. einer Minu­te etwas unhand­lich wird. Dann muß man näm­lich 160 ein­ge­ben, also 0.0166666, was unwei­ger­lich irgend­wann zu Feh­lern führt. Bei mei­nen Akku­mes­sun­gen habe ich daher 50 Sekun­den Inter­val­le gewählt und 0.02 als Anzahl Meß­wer­te pro Sekun­de ein­ge­ge­ben. Dann wählt man den Pfad für die Log­da­tei, klickt bei Data Safe auf „On“ und schon wer­den die Meß­wer­te gespeichert.

Die Log­da­tei ist lei­der eine rei­ne Text­da­tei, kein CSV-File. Die Ein­trä­ge sehen fol­gen­der­ma­ßen aus:

22.02.2020 15:21:19 5,0262V 0,0000A
22.02.2020 15:21:19 5,0262V 1,5903A
22.02.2020 15:21:19 3,0683V 1,5903A
22.02.2020 15:21:19 2,9088V 1,5903A
22.02.2020 15:21:19 2,9181V 1,4959A
22.02.2020 15:21:19 2,9181V 1,4975A
22.02.2020 15:21:19 2,9181V 1,4911A
22.02.2020 15:21:19 2,9243V 1,4911A
22.02.2020 15:21:19 2,9295V 1,4911A
22.02.2020 15:21:20 2,9295V 1,4900A
22.02.2020 15:21:20 2,9316V 1,4943A
22.02.2020 15:21:20 2,9316V 1,4943A
22.02.2020 15:21:20 2,9316V 1,4962A
22.02.2020 15:21:20 2,9409V 1,4962A
22.02.2020 15:21:20 2,9357V 1,5066A
22.02.2020 15:21:20 2,9357V 1,5066A
22.02.2020 15:21:20 2,9357V 1,5066A
22.02.2020 15:21:20 2,9357V 0,0000A
22.02.2020 15:21:20 4,9834V 0,0000A
22.02.2020 15:21:21 4,9834V 0,0000A
22.02.2020 15:21:21 5,0152V 0,0894A
22.02.2020 15:21:21 5,0152V 0,0894A

Um die­se Datei mit einem Spreadsheet-Pro­gramm wie z.B. Libre­Of­fice zu öff­nen, muß sie manu­ell mit einem Text­edi­tor in ein ech­tes .CSV-For­mat umge­wan­delt wer­den. Dabei ist es aus­ge­spro­chen hilf­reich, wenn der Edi­tor spal­ten­wei­ses edi­tie­ren erlaubt, um z.B. die not­wen­di­gen Trenn­zei­chen ein­zu­fü­gen und die Dimen­sio­nen „V“ und „A“ weg­zu­lö­schen. Nach dem edi­tie­ren soll­te die Datei dann fol­gen­der­ma­ßen aussehen:

Datum;Uhrzeit;Spannung;Strom;
22.02.2020;15:21:19;5,0262;0,0000;
22.02.2020;15:21:19;5,0262;1,5903;
22.02.2020;15:21:19;3,0683;1,5903;
22.02.2020;15:21:19;2,9088;1,5903;
22.02.2020;15:21:19;2,9181;1,4959;

Die­se Datei kann mit Libre­Of­fice direkt geöff­net und wei­ter­ver­ar­bei­tet wer­den. So wur­den die oben gezeig­ten Gra­fi­ken erstellt.

Damit Span­nung und Strom­stär­ke direkt im pas­sen­den Maß­stab beob­ach­tet wer­den kön­nen, muß die y‑Achse ent­spre­chend ska­liert wer­den. Das geschieht durch Anklicken des jewei­li­gen obe­ren und ggf. unte­ren Wer­tes und Ein­ga­be des gewünsch­ten neu­en Werts. Will man bei­spiels­wei­se einen Span­nungs­be­reich zwi­schen zwei und fünf Volt anzei­gen, klickt man unten auf der y‑Skala auf die „0“, löscht die­se und gibt eine 2 ein. Oben klickt man auf die 120 und gibt eine 5 ein.

Das Feld Pro­gramm­a­ble Test erlaubt die Ein­ga­be einer Prüf­se­quenz. Will man bei­spiels­wei­se ein Netz­teil auf sein Ver­hal­ten bei Last­schwan­kun­gen testen, kann man eine Sequenz defi­nier­ter Last­strö­me ein­ge­ben. Das pro­bie­ren wir mal aus:

Testsequenz für ein Netzteil
Test­se­quenz für ein Netzteil

Hier wur­de eine Test­se­quenz mit sechs zwei Sekun­den lan­gen Inter­val­len vor­ge­ge­ben. Es gel­ten die Test­punk­te 1 bis 6 und die Sequenz soll ins­ge­samt fünf­mal durch­lau­fen wer­den. Gestar­tet wird im ersten Test­punkt mit einem Kon­stant­strom (Mode: CC) von 0,1 A. Es fol­gen Kon­stant­strö­me von 3,0 A, 1,0 A und 0,0 A. Dann wird das Netz­teil mit einer kon­stan­ten Lei­stung (Mode: CW) von 5 W gete­stet und anschlie­ßend mit einem Wider­stand von 1 Ω bela­stet (Mode: CR). Die gra­fi­schen Anzei­gen für Strom und Span­nung wur­den auf sinn­vol­le Wer­te ska­liert und der Sen­se Ein­gang wur­de benutzt, damit Lei­tungs­wi­der­stän­de kei­ne Rol­le spielen.

Am Netz­teil wur­de eine Aus­gangs­span­nung von 5 V ein­ge­stellt und die Strom­be­gren­zung wur­de auf einen Wert über 5 A ein­ge­stellt, damit sie nicht anspricht. Man sieht in der Anzei­ge schon, daß die Span­nung bei einer Last von 5 A um etwa 200 mV ein­bricht. Deut­li­che Über­schwin­ger beim Ein- und Aus­schal­ten gro­ßer Lasten scheint es nicht zu geben.

Hier noch­mal die Meß­kur­ve aus der Log­da­tei mit Libre­Of­fice erstellt:

Netzteil bei Last, Spannung und Strom
Netz­teil bei Last, Span­nung und Strom

Und wegen der bes­se­ren Ska­lie­rung noch­mal nur die Spannung:

Netzteil bei Last, Spannung
Netz­teil bei Last, Spannung

Auch hier wie­der das Libre­Of­fice Spreadsheet zum sel­ber Rumspielen.

Bei dem Netz­teil han­delt es sich übri­gens um ein chi­ne­si­sches Modell Man­son HCS-3302, das ich vor ein paar Jah­ren über die Fir­ma Rei­chelt bezo­gen habe. Es ist von 1 ‑ 32 V ein­stell­bar und kann bis zu 15 A lie­fern. Bei Strö­men über 5 A soll­ten die rück­sei­ti­gen Buch­sen benutzt wer­den, was ich bei den obi­gen Tests nicht gemacht habe. Da die Span­nungs­schwan­kun­gen unter Last laut Spe­zi­fi­ka­ti­on auf 50 mV aus­ge­re­gelt wer­den soll­ten, die obi­gen Mes­sun­gen aber über 150 mV zei­gen, habe ich die Mes­sung mit dem hin­te­ren Aus­gang des Netz­teils wie­der­holt. Dabei zeigt sich, daß die Span­nungs­schwan­kung bei 5 A etwas unter 25 mV beträgt.

Netzteil bei Last am rückseitigen Ausgang, Spannung
Netz­teil bei Last am rück­sei­ti­gen Aus­gang, Spannung

Bei 15 A mes­se ich dann aller­dings einen Span­nungs­ein­bruch von 80 mV bei ein­ge­schal­te­tem Sen­se Ein­gang. Die spe­zi­fi­zier­ten Wer­te des Netz­teils sind also tat­säch­lich leicht geschönt.