Experimente mit der Autobatterie

Die Batterie unseres Autos ist mittlerweile in die Jahre gekommen, und ich konnte das Fahrzeug im Winter bei den ersten Temperaturen deutlich unter 0°C nicht mehr starten.

Ein erster Test der Leerlaufspannung ergab einen Wert von 12,1V. Die Batterie ist ein 'Absorbent Glass Mat' (AGM) Typ, also eine Bauform des Bleiakkumulators, bei der der Elektrolyt in einem Vlies aus Glasfaser gebunden ist. Diese Bauformen werden häufig für Fahrzeuge mit Start-Stopp-Automatik verwendet, weil wie bei offenen Bauformen, relativ hohe Ströme (hier Kälteprüfstrom EN 640A) entnommen werden können. Für diese Typen gilt

Eine Klemmenspannung von 12,77 V entspricht demnach 100% 'Restkapazität', und diese reduziert sich in Schritten von ~0,25V um 25%. Die Batterie war also nur zu ungefähr 30% geladen. Nach Fremdstarten und längerer Autofahrt konnte ich zwar wieder einen Spannungswert von 12,7V erzielen, am Folgetag war der Wert jedoch schon wieder auf nur 12,2V gesunken. Die Batterie scheint also auch nur noch ~30% ihrer Kapazität zu besitzen.

Die Ursache hierfür ist in der Regel, das sich bei Bleiakkumulatoren im entladenen (neutralen) Zustand an beiden Elektroden eine Schicht aus Blei(II)-sulfat (PbSO4) ablagert. Im aufgeladenen Zustand haben die positiven Elektroden eine Schicht aus Blei(IV)-oxid (PbO2), die negativ gepolten Elektroden bestehen aus mehr oder weniger porösem Blei (Bleischwamm).

Bei der Entladung laufen folgende Prozesse an der Anode

und folgende Prozesse an der Kathode ab.

Die Zahl hinter den Reaktionsgleichungen zeigt übrigens die Potentialdifferenz einer Zelle. Bei einer 12V Batterie sind 6 solche Zellen hintereinander geschaltet. 

Wird die Batterie längere Zeit nicht voll aufgeladen (laut Literatur auf eine Spannung über 12,4 V) führt dies zur Sulfatierung des Bleis, d.h. die PbSO4-Kristalle schließen sich zu immer größeren Verbünden zusammen. Dadurch verringert sich die elektrochemisch aktive Oberfläche, und der Innenwiderstand der Zelle erhöht sich. Dies führt bei Belastung zu einem stärkeren Einbruch der Klemmenspannung.

Gepulstes Laden kann die großen PbSO4-Kristalle angeblich wieder 'aufbrechen'. Hierzu werden Spannungsspitzen bis 30V mit einer Frequenz von ca. 8kHz angelegt.

Ich habe ein solches Gerät das sich hier für ca.15 EUR erwerben lässt, an die Batterie angeschlossen.

Nach 2 Ladedurchläufen von jeweils ca.5 Stunden bleibt die Spannung nun seit mehreren Tagen wieder bei 12,4 bis 12,5V. Die Batterie scheint sich auf 60% ihrer Kapazität erholt zu haben.

Um die Kapazität der Batterie zu überprüfen gibt es folgende Möglichkeiten.

1) Mit einem Hydrometer die Säuredichte bestimmen. Die Säuredichte ist ein Maß für den Ladezustand. Sie beträgt bei aufgeladenem Akkumulator ca. 1,28 g/cm³ (100 % Ladung) und bei entladenem Akkumulator 1,10 g/cm³. Der Lade- oder Entladezustand ist linear verknüpft mit der Elektrolytdichte und verändert sich pro 0,01 g/cm³ um ca. 5,56 %. Gemessenen 1,19 g/cm³ entsprechen also z.B. 50 % Restkapazität. Die vorliegende 'wartungsfreie' AGM Batterie erlaubt allerdings kein Nachfüllen von Wasser und damit keinen direkten Zugang zur Säure.

2) den Akku 'entladen' und die Zeit messen. Das Diagramm unten zeigt typische Entladekurven.

Als Last stehen mir zwei 12V/35W Halogenlampen und eine 12V/10W Halogenlampe zur Verfügung, die ich auf einem kleinen Brett parallel geschaltet habe. 

Diese begrenzen den Strom auf ~7A. 

Bei einer vorliegenden Nennkapazität von 72Ah zeigt die grüne Kurve oben dass bei einem Entladestrom von ~7A die Klemmenspannung erst nach 4h unter 12V sinkt. So lange möchte ich nicht warten.

3) Den Innenwiderstand der Batterie bestimmen. Obige Kurvenschar zeigt, dass für einen intakten 72Ah Akku die Klemmspannung bei einer Last von 3x72A um ca. 1,2V einbricht. Der typische Innenwiderstand eines intakten Akkus liegt also für hohe Startströme > 200A bei ca. 5 mOhm. 

Für kleine Ströme um die 7A ist der Innenwiderstand größer, und liegt gemäß obiger Grafik für einen neuen Akku bei ~45mOhm. Bei 7A Last darf die Klemmenspannung also nur um ~0,3 V einbrechen. Tatsächlich ändert sich die Klemmenspannung bei meinem Akku von 12,38V auf 11,90V und der Innenwiderstand scheint 69 mOhm zu betragen. Da sich die Kapazität indirekt proportional zum Innenwiderstand verhält, beträgt die so errechnete Restkapazität demnach tatsächlich ~65%.

Viel Spaß, beim selber messen.