spektraler Impedanzmesstechnik

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MESSEN
UND
TESTEN
BATTERIEZUSTAND MESSEN
Batteriediagnose mit
spektraler Impedanzmesstechnik
U m z u g e n a u e n Au s s a g e n ü b e r d e n B at t e r i e z u s t a n d z u g e l a n g e n , k a n n
m a n d i e b e k a n n t e n Ve r fa h re n u n d A l g o r i t h m e n we i t e r ve r fe i n e r n b z w.
m i t e i n a n d e r ko m b i n i e re n , wo m i t a l l e rd i n g s d e r Au f wa n d a n s t e i g t . E i n
a n d e re r A n s at z b e s t e h t d a r i n , n e b e n d e n e l e k t r i s c h e n B at t e r i e g r ö ß e n
„ S p a n n u n g “ u n d „ L a d u n g “ e i n e we i t e re B at t e r i e e i g e n s c h a f t , n ä m l i c h d i e
I m p e d a n z , z u e r fa s s e n . D a m i t ke n n t m a n s ä m t l i c h e e l e k t r i s c h e n B a s i s p a ra m e t e r e i n e s B at t e r i e - E rs at z s c h a l t b i l d s .
B
atterieanwender interessieren sich vor allem für
zwei Aussagen: Erstens, wieviel Energie ist in
der Batterie gespeichert, d. h., wie lange reicht
die Ladung und zweitens, wie lange verrichtet die Batterie noch ihren Dienst, d. h., wann muss ich sie austauschen? Im ersten Fall wünscht man sich eine Art
Tankanzeige für die gespeicherte Ladung, d. h., man will
den Ladezustand (SoC: State of Charge) wissen. Im
zweiten Fall möchte man wissen, wieviel der ursprünglichen Kapazität (bei Vollladung) die Batterie noch aufweist. Zur Ermittlung des Ladezustands haben sich folgende Verfahren herausgebildet:
Messung der Leerlaufspannung
Bei allen Batterien sinkt die Leerlaufspannung mit abnehmender Kapazität; diese Eigenschaft wird deshalb sehr
häufig zur Messung des Ladezustands eingesetzt. Nachteilig ist, dass die Messung im Leerlauf und nach einer
gewissen Ruhezeit durchgeführt werden sollte, was bei
vielen Anwendungen nur schwer zu realisieren ist.
Ladungszähler
Dazu wird laufend die in die Batterie eingespeiste sowie
die aus ihr entnommene Ladung gemessen, d. h. der Strom
über der Zeit integriert. Ausgehend von einem bekannten
Ausgangszustand kann dann die aktuelle Ladung ermittelt
werden. Das Verfahren ist genau, aber nur, wenn in gewissen Abständen wieder neu referenziert werden kann.
Expertensysteme
Diesen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass man
durch intelligente Verknüpfung mehrerer Messwerte zu
genaueren Ergebnissen kommt. Dazu werden die Parame-
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ter Strom, Spannung und Temperatur gemessen und durch
Regeln, Kennlinienfelder oder Modelle miteinander verknüpft. Kennzeichen aller dieser Verfahren ist, dass einige
Kenntnis über die Batterie vorhanden sein muss. Es müssen also zur Vorbereitung viele Messungen durchgeführt
werden, um die Regeln zu formulieren, die Kennlinienfelder aufzustellen und die Modelle zu parametrieren.
Impedanzmessung
Um zu einfacheren bzw. genaueren Aussagen über den
Batteriezustand zu gelangen, kann man die erwähnten Verfahren und Algorithmen weiter verfeinern bzw. miteinander kombinieren, womit allerdings der Aufwand ansteigt.
Ein anderer Ansatz besteht darin, neben den elektrischen
Batteriegrößen „Spannung“ und „Ladung“ die Impedanz
zu erfassen. Damit kennt man sämtliche elektrischen
Basisparameter eines Batterie-Ersatzschaltbilds (Bild 1).
Die Impedanz Z ist nichtlinear und komplex, d. h. sie
besteht aus mehreren Grundelementen (Widerstände,
Kapazitäten, Induktivitäten). Im einfachsten Fall kann man
sie sich aus nur drei Grundelementen zusammengesetzt
denken; dabei repräsentiert der Serienwiderstand Rs die
ohmschen Komponenten von Zuleitung, Elektroden und
Elektrolyt; der Parallelwiderstand Rp repräsentiert den
Ladungsdurchtritt und Cp die Doppelschicht-Kapazität. Bei
dynamischen Vorgängen dominiert der Serienwiderstand
Rs; er wird deshalb oft auch als (Wechselstrom-)Innenwiderstand bezeichnet. Im eingeschwungenen Zustand wirkt
der Gesamtwiderstand Rs + Rp und wird deshalb häufig als
Gleichstromwiderstand bezeichnet. Mithilfe verschiedener
Impedanzparameter lassen sich Aussagen über den Batteriezustand treffen.
Abschätzung der Kapazität
Meist nimmt der Serienwiderstand Rs mit steigender
Betriebsdauer zu, er kann als Indikator für die Kapazität,
also das verbleibende Speichervermögen, verwendet werden. An Lithium-Ionen-Batterien wurden beispielsweise
die in Tabelle 1 dargestellten Werte gemessen:
Dieses Verhalten ist qualitativ ähnlich für viele Technologien, allerdings hängen die absoluten Werte unter anderem
von der Größe und Bauform der Batterie ab. Deshalb muss
der Verlauf für die verwendete Batterie parametriert werden, indem man beispielsweise den Anfangswert einer
neuen Batterie bestimmt sowie einige Werte über der
Lebensdauer. Damit kann dann ein Verlauf für diesen Batterietyp extrapoliert und damit die Kapazität auch dazwischenliegender Werte abgeschätzt werden.
Abschätzung des Ladezustands
Der Ladezustand kann aus dem komplexen Impedanzanteil
(Rp, Cp) abgeleitet werden, wobei die Messbedingungen
von der Technologie abhängen.
Die komplexen Größen sind stark temperaturabhängig,
sodass der Temperaturgang bei der Messung berücksichtigt werden muss, bzw. bei gleichen Temperaturen gemessen werden sollte. Dennoch liefert die Messung eine Indikation des Ladezustands, die z. B. die Aussagen einer
Spannungsmessung ergänzen kann. Auch hier muss man
die Messwerte referenzieren und auf die individuelle Batterie durch Initialmessungen beziehen.
Bild 1: Batterie-Ersatzschaltbild.
© automotive
Batteriezustand
neu
gealtert
Relative Kapazität
100%
81%
Innenwiderstand Rs
9,7 mV
16,9 mV
Tabelle 1: Serienwiderstand einer Lithium-Ionen-Batterie.
© automotive
Anwendungsbeispiele für Impedanzmessungen
Herstellung von Zellen
Während des Herstellungsprozesses wird eine Zelle mehrfach vermessen, z. B. bei der Formierung, bei der Endmessung (EoL-Messung) oder bei Lebensdauer-Tests. Da
Kapazitätsmessungen aufwendig und zeitraubend sind,
beschränkt man sich bei vielen Schritten auf eine Spannungsmessung. Mit einer zusätzlichen schnellen Impedanzmessung bei einer aussagekräftigen Frequenz (z. B.
Serienwiderstand bei 1 kHz) lassen sich Batterien genauer
und sicherer qualifizieren.
Wareneingangskontrolle
Aussagen über den Anlieferungszustand (definiert beispielsweise über Innenwiderstand und Ladezustand) werden häufig durch aufwendige Hochstrommessungen realisiert. Ein einfacher „Fingerabdruck“ aus Impedanzmessungen bei verschiedenen Frequenzen liefert schnelle Aussagen über beide Parameter.
Herstellung von Modulen
Beim Zusammenbau von Einzelzellen zu Modulen wird
angestrebt, möglichst gleichartige Zellen zu verwenden.
Damit will man vermeiden, dass die schwächste Zelle das
Verhalten der Serienschaltung dominiert. Die Auswahl
(Screening) geschieht meist durch Messen der Leerlaufspannung. Die Auswahlgüte kann erhöht werden, wenn
man ein weiteres Leistungskriterium (z. B. den Serienwiderstand bei 1 kHz) hinzuzieht.
Prüfung der internen Verbindungen
Die einzelnen Zellen werden in Modulen durch Schrauben,
Klemmen oder Schweißen untereinander verbunden. Bei
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TESTEN
Zusammenfassung
Die Impedanzmessung bei verschiedenen
Frequenzen ermöglicht eine rasche
Abschätzung des Batteriezustands. Vereinfacht gesprochen lassen sich aus Messungen im kHz-Bereich Aussagen über die
Kapazität und aus Messungen bei niedrigeren Frequenzen Aussagen über den Ladezustand ableiten und damit die Batterie
innerhalb von Sekunden charakterisieren;
Voraussetzung ist eine einmalige Referenzierung auf den Batterietyp.
Eine kompakte Klasse von Betriebsmessgeräten für die Impedanzmessung hat die
Firma BRS Messtechnik entwickelt. Die
Geräte sind klein, robust und unkompliziert
zu bedienen und messen an verschiedenen,
Bild 2: Die Messungen in diesem Beispiel einer Lithium-Ionen-Batterie
der Aufgabe und Technologie angepassten
erfolgten bei 1 Hz.
© automotive
Frequenzen. Sie eignen sich für Anwendungen in der Entwicklung, in der Qualitätssicherung sowie im Service von leistungsfähigen Batterien. Auf Grund ihrer Kompaktheit können die
niederohmigen Zellen tragen die Übergangswiderstände
Geräte nahe am Prüfling angeordnet und so auch in Erprozum Gesamtwiderstand bei und sind nicht mehr zu verbungen (z. B. im Fahrversuch) eingesetzt werden. (oe)
nachlässigen. Die Qualität dieser Zwischenverbindungen
kann ermittelt werden, indem man den Gesamtwiderstand
eines Moduls misst und davon den (durch Messung einiger typischer Zellen ermittelten) Innenwiderstand der EinWolfgang Schmid ist Geschäftsführer der
BRS Messtechnik GmbH in 70180 Stuttgart.
zelzellen subtrahiert.
Batteriediagnose im Service
Ähnlich der Wareneingangskontrolle kann an Hand charakteristischer Impedanzdaten („Fingerabdruck“) auf den
Zustand von Zellen geschlossen werden, z. B. bei Reklamationen oder bei der Befundung.
@
BRS Messtechnik GmbH
www.brs-messtechnik.de