Battery Cell Sorting Mit geeigneter Messtechnik Batteriezellen elektrisch charakterisieren

Ein Gastbeitrag von Winfried Puschmann

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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.

Batteriezellen in Elektrofahrzeugen: Mit Messtechnik lassen sich die Batteriezellen elektrisch charakterisieren.
Batteriezellen in Elektrofahrzeugen: Mit Messtechnik lassen sich die Batteriezellen elektrisch charakterisieren.
(Bild: (c) xiaoliangge - stock.adobe.com)

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

Bild 1: Ein Batteriemodul besteht aus verschiedenen Einzelzellen.
Bild 1: Ein Batteriemodul besteht aus verschiedenen Einzelzellen.
(Bild: LXinstruments)

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

Bild 2: Über die gemessene Spannung wird der Ladezustand der Batteriezelle ermittelt.
Bild 2: Über die gemessene Spannung wird der Ladezustand der Batteriezelle ermittelt.
(Bild: LXinstruments)

Bild 3: Der Kurvenverlauf, wenn der Innenwiderstand bei 10 Hz gemessen wird.
Bild 3: Der Kurvenverlauf, wenn der Innenwiderstand bei 10 Hz gemessen wird.
(Bild: LXinstruments)

Bild 4: Der Kurvenverlauf, wenn der Innenwiderstand bei 1 kHz gemessen wird.
Bild 4: Der Kurvenverlauf, wenn der Innenwiderstand bei 1 kHz gemessen wird.
(Bild: LXinstruments)

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

Bild 5: Die Batterie-Impedanz lässt sich mit dem BIM2B messen.
Bild 5: Die Batterie-Impedanz lässt sich mit dem BIM2B messen.
(Bild: BRS Messtechnik)

Bild 6: Der Batterie-Tester der MBT-Serie wurde speziell für den Schnelltest von Batteriezellen und Batteriemodulen entwickelt.
Bild 6: Der Batterie-Tester der MBT-Serie wurde speziell für den Schnelltest von Batteriezellen und Batteriemodulen entwickelt.
(Bild: BRS Messtechnik)

Die Batterietestgeräte der Firma BRS Messtechnik eignen sich zum Einsatz in Produktionsanlagen und zur Qualitätssicherung. Der Batterie-Tester der MBT-Serie wurde speziell für den Schnelltest von Batteriezellen und Batteriemodulen entwickelt und ist in der Lage, alle notwendigen Test-Parameter innerhalb von 0,4 s zu ermitteln. 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 erlaubt, mehrere Batteriezellen und -module parallel zu prüfen. Alle Messergebnisse können die Anwender im Text- oder CSV-Format zur weiteren Datenverarbeitung abspeichern. Über die serielle Schnittstelle RS232 kann die Messeinheit an eine SPS-Anlagensteuerung angeschlossen werden. Messdaten lassen sich mit der von LXinstruments entwickelten modularen Testsoftware TSCOE weiterverarbeiten.

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Die Software lässt sich in jedes Fertigungsumfeld integrieren. Über das TSCOE-Operator-Interface kann die Datenvisualisierung an die Bedürfnisse des Kunden angepasst werden. Neben den Kurvendaten lasen sich Bilder oder Texte, bezogen auf die jeweilige Testsequenz, ablegen und mit dem Reporting-Tool Magpie 2 auswerten.

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

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