Innenwiderstand-Bewertung
Bewerten Sie den Gesundheitszustand Ihrer Batterie anhand von DC- und AC-Innenwiderstandsmessungen mit automatischer Temperaturkorrektur und SOH-Score.
So funktioniert die Innenwiderstandsbewertung
Der Innenwiderstand ist ein zentraler Indikator für den Gesundheitszustand (State of Health, SOH) einer Batterie. Mit zunehmender Alterung steigt der Widerstand durch SEI-Schichtwachstum, Elektrodendelamination und Elektrolytzersetzung. Dieser Rechner bewertet den Batteriezustand anhand von DC-Innenwiderstand und AC-Impedanz.
DC-Innenwiderstandsmessung (Pulsmethode)
Die DC-Methode verwendet einen kurzen Strompuls (typisch 1–10 s) und misst den resultierenden Spannungsabfall. Der Widerstand berechnet sich nach dem Ohmschen Gesetz:
Die DC-Messung erfasst alle Widerstandsanteile: ohmsche Widerstände (Elektrolyt, Ableiter, Kontakte), Ladungstransferwiderstände und zu einem gewissen Grad Diffusionswiderstände. Daher ist RDC stets höher als RAC.
AC-Impedanzmessung (1 kHz)
Bei der AC-Messung wird ein kleiner Wechselstrom (typisch 1 kHz) angelegt. Bei dieser hohen Frequenz werden die kapazitiven Doppelschicht- und Diffusionsanteile kurzgeschlossen — es bleibt primär der ohmsche Widerstand:
Temperaturkorrektur
Der Innenwiderstand ist stark temperaturabhängig. Für einen fairen Vergleich mit dem Referenzwert bei 25 °C wird der gemessene Widerstand korrigiert:
Randles-Ersatzschaltbild
Das Randles-Modell beschreibt die elektrochemische Impedanz einer Batterie als Kombination von ohmschen, kapazitiven und diffusiven Elementen:
Abb. 1: Randles-Ersatzschaltbild — Rohm (ohmisch) in Serie mit der Parallelschaltung aus Rct (Ladungstransfer), Cdl (Doppelschichtkapazität) und ZW (Warburg-Diffusion).
SOH-Korrelation
Der Zusammenhang zwischen Innenwiderstandsanstieg und Kapazitätsverlust folgt näherungsweise:
- R/R0 = 1,0–1,2: SOH ≥ 80 % — Batterie in gutem Zustand
- R/R0 = 1,2–1,5: SOH 60–80 % — Leistungsminderung spürbar
- R/R0 = 1,5–2,0: SOH 30–60 % — Austausch planen
- R/R0 > 2,0: SOH < 30 % — Sofortiger Austausch empfohlen
Fachbegriffe
- Innenwiderstand (Ri)
- Gesamtwiderstand einer Zelle, umfasst ohmsche, Polarisations- und Diffusionsanteile. Gemessen in mΩ.
- AC-Impedanz
- Betrag der komplexen Impedanz bei einer bestimmten Frequenz (Standard: 1 kHz). Hauptsächlich ohmischer Anteil.
- State of Health (SOH)
- Gesundheitszustand der Batterie in % der Nennkapazität. SOH 100 % = Neuzustand; EOL typisch bei 80 %.
- EIS
- Elektrochemische Impedanzspektroskopie — frequenzabhängige Impedanzmessung (typisch 10 mHz–100 kHz) zur Separation der Widerstandsanteile.
- Randles-Modell
- Ersatzschaltbild mit Rohm + (Rct ‖ Cdl) + ZW. Standardmodell für elektrochemische Impedanzanalyse.
- SEI-Schicht
- Solid Electrolyte Interphase — passive Schicht an der Anode. Wächst mit dem Alter und erhöht den Innenwiderstand.
- Polarisationswiderstand
- Widerstand durch elektrochemische Reaktionskinetik (Ladungstransfer) an den Elektrodenoberflächen.
- Warburg-Impedanz (ZW)
- Diffusionsabhängiger Impedanzanteil, der bei niedrigen Frequenzen dominiert. Erscheint als 45°-Linie im Nyquist-Diagramm.
Normen & Standards
| Norm | Bezeichnung | Relevanz |
|---|---|---|
| IEC 62660-1:2018 | Secondary lithium-ion cells for EV — Performance testing | Definiert DC-Puls- und AC-Impedanzmessverfahren bei 1 kHz für Li-Ion-EV-Zellen |
| IEEE 1188:2005 | Recommended Practice for Maintenance, Testing of VRLA Batteries | Referenz für Innenwiderstandsmessung und SOH-Bewertung stationärer Bleibatterien |
| DIN EN 61436:1998 | Sekundäre Zellen — Innenwiderstandsmessung | AC-Methode bei 1 kHz für sekundäre Zellen und Batterien |
| IEC 62660-2:2018 | Secondary lithium-ion cells for EV — Reliability and abuse testing | Innenwiderstandsanstieg als Kriterium für Zuverlässigkeits-End-of-Life |
| VDI 2095 Blatt 1 | Stationäre Blei-Säure-Batterien — Wartung und Prüfung | Deutsche Richtlinie für regelmäßige Innenwiderstandsprüfung in USV- und Notstromsystemen |
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Unterschied zwischen DC- und AC-Innenwiderstand?
Der DC-Innenwiderstand wird mit einem Gleichstrompuls gemessen und erfasst alle Widerstandsanteile: ohmsche, Polarisations- und Diffusionswiderstände. Der AC-Widerstand (bei 1 kHz) erfasst primär den ohmschen Anteil. Typischerweise ist DC-IR 1,2–2,5× höher als AC-IR bei Li-Ion.
Wie genau ist die SOH-Abschätzung über den Innenwiderstand?
Die Widerstandsmethode ist ein zuverlässiger Indikator für die Batteriegesundheit, wobei die Genauigkeit von ±5–10% für den Kapazitätsschätzwert typisch ist. Für präzisere SOH-Bestimmungen wird ein vollständiger Kapazitätstest empfohlen.
Warum muss die Temperatur bei der Messung berücksichtigt werden?
Der Innenwiderstand ist temperaturabhängig (ca. 0,3–0,6% pro °C bei Li-Ion). Eine Messung bei 10°C zeigt einen höheren Widerstand als bei 25°C — ohne Korrektur würde die Batterie fälschlicherweise als stärker gealtert bewertet.
Wann sollte eine Batterie ersetzt werden?
Als Faustregel: Wenn der Innenwiderstand das 2-fache des Neuzustands erreicht, ist die nutzbare Kapazität auf ca. 20% gesunken. Die meisten Anwendungen definieren End-of-Life bei 80% Restkapazität, was einem Widerstandsanstieg von ca. 25% entspricht.
Was bedeutet ein ungewöhnlich hohes DC/AC-Verhältnis?
Ein DC/AC-Verhältnis über dem Normalbereich (z.B. >2,5 bei Li-Ion) deutet auf erhöhte Elektrodenalterung hin. Die Polarisationswiderstände nehmen durch SEI-Schichtwachstum und Kontaktverschlechterung stärker zu als der ohmsche Widerstand.
Bei welcher Frequenz wird der AC-Innenwiderstand gemessen?
Standardmäßig wird die AC-Impedanz bei 1 kHz gemessen (IEC 62660-1). Bei dieser Frequenz werden hauptsächlich die ohmschen Anteile (Elektrolyt, Kontaktwiderstände, Ableiter) erfasst. Für eine vollständige Impedanzspektroskopie (EIS) wird typischerweise von 10 mHz bis 100 kHz gemessen — damit lassen sich auch Ladungstransfer- und Diffusionswiderstände separieren.
Wie verändert sich der Innenwiderstand über die Lebensdauer?
Der Innenwiderstand steigt mit dem Alter exponentiell an: In den ersten 500 Zyklen moderat (ca. +10–20 %), dann beschleunigt ab ca. 70 % Restkapazität. Die Hauptursachen sind SEI-Schichtwachstum (kalendarische Alterung), Lithium-Plating bei niedrigen Temperaturen und Kontaktverlust durch mechanische Degradation der Elektroden.
Welche Messgeräte eignen sich für die Innenwiderstandsmessung?
Für DC-Messungen: Sourcing-Messgeräte (SMU) wie Keithley 2400 oder programmierbare Lasten mit Pulsprotokoll. Für AC/EIS: spezielle Batterieimpedanz-Analysatoren (z. B. Gamry, BioLogic) oder LCR-Meter bei 1 kHz. Einfache Multimeter mit mΩ-Bereich liefern nur eine Näherung und erfassen keine Polarisationsanteile.