Battery Cell Sorting Mit geeigneter Messtechnik Batteriezellen elektrisch charakterisieren

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Mit der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) sind Techniker in der Lage, das Verhalten von elektrochemischen Systemen zu untersuchen. Batteriezellen lassen sich elektrisch charakterisieren.

Die Produktion von Batteriezellen mit möglichst gleichen physikalischen Eigenschaften wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst. Einen besonderen Einfluss haben die verwendeten Materialien und ihr Reinheitsgrad sowie die Klimabedingungen bei der Fertigung. Weitere Einflussfaktoren sind herstellungs- und prozesstechnisch bedingte Fertigungstoleranzen. Diese lassen sich sehr schwer beeinflussen und sind nicht vorhersehbar.

Leistungsfähige Akku-Packs finden sich beispielsweise als Energiespeicher bei Elektrofahrzeugen oder Photovoltaik-Anwendungen. Sie bestehen aus mehreren hundert Einzelzellen. Die einzelnen Batteriezellen werden entsprechend der geforderten Spannung und Kapazität parallel und in Reihe zu Batteriemodulen zusammengeschaltet.

Von der einzelnen Zelle zum Batteriesystem

Die Kombination aus mehreren Modulen bildet ein komplettes Batteriesystem. Damit ist die Batteriezelle die kleinste Einheit und trägt wesentlich zur Qualität und Leistungsfähigkeit des gesamten Moduls bei. Schon geringe Abweichungen der elektrischen Eigenschaften von nur einer Zelle, kann zu erheblichen Qualitätseinbußen, verminderter Lebensdauer oder gar zum Totalausfall eines kompletten Systems führen.

Die obere Betriebstemperatur von Lithium-Ionen-Akkus liegt bei etwa 55 °C. Wird die Temperatur bei hoher Stromentnahme überschritten, kommt es durch Erwärmung im Inneren der Batteriezelle zu einer chemischen Reaktion. Die Zelle ist geschädigt und somit unbrauchbar.

Hauptsächlich bei vollgeladenen Batterien kann sich diese Reaktion über einen längeren Zeitraum fortsetzen und es kommt im Extremfall zu dem gefürchteten Thermal Runaway (thermisches Durchgehen). Der Überhitzung folgt ein interner Kurzschluss, der zum Verdampfen des Anodenmaterials und des Elektrolyten führt. Der entstehende Gasdruck bläht die Zelle bis zum Bersten auf, wodurch schlagartig zündfähige Zersetzungsgase entweichen. Innerhalb kürzester Zeit ist ein Zellbrand entstanden, der eine Kettenreaktion auslöst. Benachbarte Zellen überhitzen ebenfalls und der komplette Batteriepack fängt Feuer. Ist dieser Vorgang einmal in Gang gesetzt, lässt er sich nicht mehr stoppen. Bei einem Thermal Runaway sind folgenschwere Schäden nicht zu vermeiden.

Drei wichtige Parameter einer Batteriezelle

Um diese Gefahr soweit wie möglich einzugrenzen, werden einzelne Zellen vor der Montage geprüft. Dabei werden die Zellen definiert, die in ihren Eigenschaften nah beieinander liegen. Bei der impedanz-spektroskopischen Analyse werden folgende Parameter ermittelt:

• AC-Innenwiderstand: der Wechselstrom-Widerstand, der den Elektrolyten repräsentiert und bei 1 kHz gemessen wird,

• DC-Innenwiderstand: der Gleichstromwiderstand erlaubt Rückschlüsse auf die Elektroden und wird bei 10 Hz gemessen und

• Batterie-Leerlaufspannung (OCV, Open Circuit Voltage)

Die gewonnenen Daten lassen sich in ein Diagramm darstellen. In Verbindung mit der Leerlaufspannung als Maß für den Ladezustand (SOC, State of Charge), kann man mit diesen drei Parametern in kürzester Zeit die wichtigsten Charaktereigenschaften einer Batteriezelle ermitteln.

Bei BOL- (Begin-of-Line-)Anwendungen und bei der Fertigung von Batteriemodulen, fasst man die Zellen mit den eng beieinanderliegenden Kurven zusammen und ist somit sicher, dass nur charakterlich gleiche Einzelzellen verbaut werden.

Batteriezellen mit Messtechnik untersuchen

Die Batterietestgeräte der Firma BRS Messtechnik sowie die Komplettsysteme von LXinstruments eignen sich zum Einsatz in Produktionsanlagen und zur Qualitätssicherung. Die Batterietestgeräte der Firma BRS Messtechnik, sowie die Komplettsysteme von LXinstruments, eignen sich zum Einsatz in Produktionsanlagen und zur Qualitätssicherung. Sie ermitteln alle notwendigen Test-Parameter innerhalb von 0,4 s. Das Gerät misst die Spannung sowie den Innenwiderstand bei verschiedenen Frequenzen.

Mit dem MBT-X5 können Rundzellen in großen Stückzahlen mit kurzen Taktzeiten geprüft werden. Die Messgeräte MBT-M und BIM2B sind für den Endtest EOL (End of Line) optimiert. Damit wird abschließend kontrolliert, ob das zusammengebaute Modul für den Betrieb tauglich ist, und die Kenngrößen innerhalb der geforderten Toleranzen liegen. Auch die Schweißverbindungen an den Anschlusselektroden können mittels Innenwiderstandsmessungen geprüft werden, um sicherzustellen, dass sie den maximalen Lade- und Entladeströmen über die gesamte Lebensdauer der Zelle ausreichend standhalten.

Die Kombination einzelner Messgeräte zu einem System wie von LXinstruments angeboten, erlaubt, mehrere Batteriezellen und -module parallel zu prüfen. Alle Messergebnisse können die Anwender direkt aus den Messgeräten im Text oder im Format *.cvs zur weiteren Datenverarbeitung abspeichern. Über die Schnittstelle RS232 ist der Anschluss an eine SPS-Anlagensteuerung möglich. Die Systeme bieten zusätzlich die Einbindung der Prüfsysteme in die Produktionslinie über Industrieschnittstellen wie OPC-UA.

Darüber hinaus lassen sich die Messdaten von der von LXinstruments entwickelten modularen Testsoftware TSCOE bewerten und weiterverarbeiten. Über das TSCOE-Operator-Interface lassen sich Daten visualisieren und anpassen. Neben den Kurvendaten lassen sich Bilder oder Texte, bezogen auf die jeweilige Testsequenz, ablegen und mit dem Reporting-Tool Magpie 2 auswerten.

Das Laden und Entladen bei einem Batterietest

Ein weiterer wichtiger Bestandteil beim Batterietest ist das Laden und Entladen. Dies findet je nach Testschritt in unterschiedlichen Ausprägungen statt. Zum Einsatz kommen regenerative, bidirektionale DC-Stromversorgungen mit entsprechenden Regelprofilen wie CC/CV und Überwachungsfunktionen wie Überspannung (OVP) oder Überstrom (OCP).

Je nach Kapazität, Zellchemie und Testverfahren werden Ströme von wenigen Ampère bis zu 1.000 A je Kanal benötigt. Geeignete Geräte finden sich im Bereich der üblichen Zellspannungen wie die Serie M39xx von Itech. Bei höheren Spannungen auf Modul- und Batteriesystem eignet sich die Serie IT6000C, die in verschiedenen Spannungslagen von 80 bis 2.250 V mit 18 kW je Modul zur Verfügung steht.

LXinstruments integriert in dieser modularen Bauweise Systeme mit bis zu 200 kW je Rack. Die Modularität bietet Vorteile bei der Ausfallsicherheit der Anlage und ermöglicht im Fehlerfall eine schnelle Wiederinbetriebnahme. Durch die mögliche Wiederverwendbarkeit der Module in anderen Anwendungen entsteht eine hohe Investitionssicherheit. Auch andere verwandte Power-Applikationen wie der Test von DC/DC-Konvertern werden auf Basis der bidirektionalen Stromversorgungen realisiert.

Leistungen bis in den Megawattbereich

Je nach Prüfling werden hier Systemleistungen bis in den Megawattbereich realisiert. Ergänzt man zu den DC-Systemen zusätzliche AC-Netzsimulatoren, entstehen Systeme, die zum Test von Ladestationen, On-Board-Charger (OBC) und Energiespeichern eingesetzt werden. Netzsimulatoren bieten neben der reinen Funktion als regenerative 4-Quadranten-Geräte auch viele weitere nützliche Testfunktionen. In Schritten von 15 kW skalierbarer, modularer Bauweise eignet sich die Serie IT7900(P) von Itech.

* Winfried Puschmann arbeitet als technischer Redakteur bei LXinstruments. Er verfügt über eine langjährige Erfahrung bei Simulations- und Prüfgeräten.

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