Analogtipp Impedanzspektroskopie in der Praxis

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Mit der elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) lassen sich verschiedene Aspekte einer Batteriezelle mithilfe nicht-invasiver elektrischer Signale überwachen: Batterietemperatur, Ladezustand, Leistungsabfall, thermische Ausreißer. Der Analogtipp zeigt, wie EIS dazu beitragen kann, wesentlich zuverlässigere und langlebigere Batte-riedesigns zu ermöglichen.

Die Vorteile der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) bei der Überwachung von Lithium-Ionen-Akkus wurden bereits vielfach beschrieben. Ein sich anbahnendes thermisches Durchgehen lässt sich mit dieser Technik so frühzeitig erkennen, dass das von der chinesischen Norm GB 38031-2025 geforderte Zeitfenster von zwei Stunden bis zum Entstehen eines Brandes oder bis zu einer Explosion eingehalten werden kann.

Vorteilhaft ist die EIS auch bei stationären Energiespeichersystemen, die oft über längere Zeit ungenutzt bleiben. Hier geht es um die Frage, ob eine Zelle bei Bedarf Ladung liefern kann. Allein anhand einer Gleichspannung lässt sich weder die Lithiumdiffusion noch die Impedanz messen, aber mit EIS lässt sich der Zustand der Batterie regelmäßig überprüfen und sicherstellen, dass das System bei Bedarf in der Lage ist, den benötigten Strom zu liefern.

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Wie aber lässt sich die EIS in der Praxis umsetzen? Bekanntermaßen werden bei der EIS elektrische Signale mit unterschiedlichen Frequenzen durch die Akkuzellen geleitet. Hierfür eignen sich beispielsweise die Bausteine BQ79826Z-Q1 (Battery Monitor) und BQ79881-Q1 (Battery Junction Box Pack Monitor. Beide Chips sind mit einer integrierten EIS-Engine ausgestattet.

Ein typischer Akkusatz kann beispielsweise mit zwei BQ79826Z-Q1 zur Spannungsüberwachung und einem BQ79881-Q1 für die Strommessung bestückt werden. Die BQ798xx-Reihe nutzt ein integriertes Synchronisationsprotokoll für die genaue Ausrichtung der Strom- und Spannungsmessungen. Dadurch werden Phasenfehler bei der Impedanzbestimmung minimiert. Die Erregerquelle kann direkt von den BQ798xx-Bausteinen gesteuert oder von einer vorhandenen Quelle im Endgerät erzeugt werden, wie z. B. einem DC/DC-Wandler, Ladegerät, Balancer, Vorladekreis oder Wechselrichter.

Ein Akku durchläuft während seiner Lebensdauer einen Impedanzbereich, der sich in einem Nyquist-Diagramm (Bild 1) erfassen lässt. Die durch farbige Kästchen hervorgehobenen Bereiche kennzeichnen bestimmte Bereiche, die in der Batteriezelle überwacht werden müssen.

Ohmscher Widerstand (grünes Kästchen, horizontale Linie): Dieser Bereich zeigt den Gleichstromwiderstand des Elektrolyten an und gibt Aufschluss darüber, ob Kurzschlüsse in der Batterie vorliegen.

Ladungstransferbereich (gelbes Kästchen, Halbkreis): Dieser Bereich gibt häufig Aufschluss über den Zustand der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche, an der Ionen und Elektronen in den Elektroden aufeinandertreffen. Eine beginnende Verschlechterung der SEI-Schicht (Solid Electrolyte Interphase) kann ein Indikator für einen bevorstehenden Zellausfall sein.

Diffusionsbereich (rotes Kästchen, 45°-Linie): Dieser Bereich korreliert mit dem Lithiumdiffusionsprozess in der Anode und Kathode und hilft, den Ladezustand, den Gesundheitszustand und die Lade- bzw. Entladefähigkeit der Zelle zu beurteilen.

Mit ihren integrierten EIS-Einheiten können die Batteriewächter BQ79826Z-Q1 und BQ79881-Q1 die Impedanz jeder einzelnen Zelle messen. Das Erfassen exakter Impedanzkurven wiederum lässt Rückschlüsse auf die Temperatur, den Ladezustand und ein etwaiges thermisches Durchgehen zu.

Der BQ798xx-Chipsatz ergibt somit ein komplettes Batteriemanagement-System (BMS), mit einem kaskadierbaren, 26-kanaligen Battery Monitor für Konfigurationen mit sehr vielen Zellen sowie einem hochpräzisen Pack Monitor zum Messen von Strom und Spannung des gesamten Satzes (Bild 2).

Die Bauelemente entsprechen den Anforderungen von Akkusätzen mit immer höherer Kapazität, ermöglichen dabei aber die Messung sehr kleiner Impedanzwerte. Die sehr rauscharmen A/D-Wandler zur Strom- und Spannungsmessung verbessern den SNR, der weite Frequenzbereich von 0,01 Hz bis 3,5 kHz deckt die entscheidenden Impedanzbereiche ab und die Stack-Synchronisation minimiert den zeitlichen Versatz zwischen den Strom- und Spannungsmessungen. (kr)

* Brian Burk ist Systems Engineer Battery Management Solutions bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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