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TU Berlin

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Elektrische Charakterisierung

Während der Batteriemarkt immer schneller wächst, werden gleichzeitig immer bessere Batterien benötigt. Batterien müssen zum einen leichter und kleiner sein, gleichzeitig aber auch mehr Kapazität haben, eine längere Lebensdauer und trotzdem zu niedrigeren Preisen angeboten werden. 

Die Charakterisierung der Batteriezelle bildet die Grundlage zur Systemauslegung, Modelbildung, Zelldiagnose und Zellüberwachung. Dadurch können

  • sowohl Spannungs-, als auch Strom- und Temperaturgrenzen eingehalten werden und die Gefahren im Betrieb gemindert werden.
  • die Zellkapazität und die Betriebsdauer genauer geschätzt und vorhergesagt werden und dadurch wiederum die Reichweite von beispielsweise Elektrofahrzeugen verlängert werden.
  • gealterte Zellen schneller identifiziert und ausgetauscht werden, um die Lebensdauer des Batteriepacks zu verlängern und die Kosten langfristig zu senken.

Zur elektrischen Charakterisierung von Testzellen gehören unter anderem Standardtests wie die Kapazitätsmessung, die Aufnahme der Ruhespannungskurve, differentielle Spannungsanalyse, Pulstests, dynamische Ladeakzeptanz-Tests, die elektrochemische Impedanzspektroskopie und andere frequenzbasierende Anregungen. 

 

 

Die Kapazität

Kapazitätsmessung bei verschiedenenen Strömen
Lupe

Die Kapazität einer Batterie gibt die Menge der elektrischen Ladung, die in einer Batterie maximal gespeichert ist, wieder. Um die Kapazität zu messen, wird eine vollgeladene Batteriezelle mit einem konstanten Strom bis zu einer definierten Entladeschlussspannung entladen. Da die Kapazität einer Batterie, je nach Technologie, stromabhängig sein kann, wird dies teilweise für verschiedene Ströme wiederholt. Generell nimmt die Kapazität einer Batterie mit zunehmendem Entladestrom ab. Dieser Effekt wird durch die Peukert- Gleichung beschrieben. Verstärkt wird dieser Effekt durch den Spannungsabfall über den Innenwiderstand der Zelle, wodurch die Ausgangsspannung schneller absinkt. Außerdem wird die entnehmbare Kapazität von der begrenzten Geschwindigkeit derelektrochemischen Prozesse und der Ladungstransportvorgänge in der Batterie beeinflusst.

Die Ruhespannungskurve

Ruhespannungskurve in Lade- und Entladerichtung
Lupe

Die Ruhespannungskennlinie (OCV = Open Circuit Voltage), oder die Leerlaufspannungskennlinie einer Batterie gibt die Spannung, im stationären Zustand, also wenn die Batterie nicht belastet wird, für jeden Ladezustand an. Durch die Ruhespannungskennlinie kann der Ladezustand einer Batterie geschätzt werden und trägt somit zur Genauigkeit von Betriebsvorhersagen bei. Der Verlauf der Ruhespannungskennlinie ist einzigartig für jede Materialchemie und somit auch für jede Batterietechnologie.

Differentielle Spannungsanalyse

Differentiale Spannungsanalyse in Lade- und Entladerichtung
Lupe

Wird die Ruhespannungskennlinie nach der elektrischen Ladung abgeleitet, kann die differentielle Spannungsanalyse (DVA) durchgeführt werden. In dieser Darstellung werden Stufen der Ruhespannungskennlinie als Peaks abgebildet. Dadurch können Phasenübergänge, die beispielsweise bei der Einlagerung von Lithium-Ionen in das Aktivmaterial durchlaufen werden, analysiert werden. An den Phasenübergängen kommt es jeweils zu einer Strukturänderung, die nicht nur Auswirkungen auf den Spannungsverlauf hat, sondern auch maßgeblich den Alterungsprozess beschleunigt.

Dynamische Ladeakzeptanz

Dynamische Ladeakzeptanz; vergleich von Zellen mit und ohne Kohlenstoffadditive
Lupe

Rekuperation der Bremsenergie zum Wiederanfahren wird in den meisten neuen Automodellen verbaut. Dabei wird die Energie, die beim Bremsen normalerweise verloren gehen würde, in eine Batterie geladen. Beim Wiederanfahren kann diese Energie zusätzlich genutzt werden und spart dadurch Sprit und schont die Umwelt.

Dass dieser simpel klingende Vorgang eine wahnsinnige Herausforderung für jede Batterie darstellt, wird schon nach einigen Ladeakzeptanz-Tests klar. Nur die wenigsten Batterien haben die Dynamik einen sehr hohen Ladestrom effizient aufzunehmen und nur wenn dieser Prozess effizient ist lohnt sich der Einbau der zusätzlichen Elektronik. Zudem ist die dynamische Ladeakzeptanz stark von der Vorkonditionierung der Batterie abhängig; Ladezustand, vorheriger Lade- oder Entladeschritt und Temperatur.

Pulstests

Simulationsfit im Vergleich zu Messwerten
Lupe

Pulstests werden zur Abbildung des frequenzabhängigen elektrischen Verhaltens von Energiespeichern genutzt. Dazu werden Strompulse mit verschiedenen Amplituden und Frequenzen auf die Zelle aufgeprägt und die Spannungsantwort gemessen. Dadurch kann das gesamte elektrische, dynamische Verhalten der Batterie abgebildet und modelliert werden.

Elektrochemische Impedanzspektroskopie

Impedanzmessung bei verschiedenen Ladezuständen
Lupe

Die elektrochemische Impedanzspektroskopie wird zur Abbildung des frequenzabhängigen elektrischen Verhaltens von Energiespeichern genutzt. Hierzu wird ein Sinusstrom mit einer definierten Frequenz auf die Zelle aufgeprägt und die Spannungsantwort gemessen. Unter der Bedingung, dass es sich um ein lineares, kausales und zeitinvariantes System handelt, ist das Ausgangssignal ebenfalls ein Sinussignal mit derselben Frequenz. Aus dem eingeprägten Strom und der Spannungsantwort kann die Impedanz Z(f,IDC)=VAC/IAC berechnet werden. Das gesamte Spektrum besteht aus mehreren Messungen bei unterschiedlichen Frequenzen und bildet damit das gesamte elektrische, dynamische Verhalten der Batterie ab.

Für verschiedene Batterietypen und Technologien ändert sich das Impedanzspektrum mit einer Vielzahl von Einflussfaktoren, zum Beispiel bei überlagertem Gleichstrom, der Temperatur, dem Ladezustand und dem Alterungszustand. Daher müssen für einen breiten Betriebsbereich eine Vielzahl an Messungen durchgeführt werden.

Weitere frequenzbasierende Anregungen

Messung und Ergebnisse mit verschiedenen Frequenzanregungen
Lupe

Die Zelle wird mit einem Testsignal, bestehend aus einer Kombination mehrerer Frequenzen, angeregt. Die Amplitude des Testsignals sollte klein genug sein um Änderungen des Ladezustands zu verhindern. Während des Zellenbetriebs kann der Zellenstatus durch die Frequenzantwort der Ausgangsspannung überwacht werden. Bei der Messung ist es notwendig, eine geeignete Kombination von Frequenzen anzuregen, um die gewünschten Informationen der Batteriezelle zu erhalten. Eine Analyse der harmonischen Komponenten aufgrund einer Nichtlinearität der Zelleigenschaften kann ebenfalls in Betracht gezogen werden.

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