News - Allgemeine Test- und Messtechnik

Batterie-Impedanzmessungen bei hohen DC Strömen

14. Juni 2010 - FuelCon hat mit dem TrueData-EIS Impedanzanalysator ein Gerät entwickelt, das eine Batteriediagnose auch während der Lade- / Entladevorgänge mit Strömen bis 1.000A und Frequenzen im Bereich von 0,2mHz bis 100kHz ermöglicht. Das Gerät arbeitet auf der Basis der elektrochemischen Impedanzspektroskopie und erfordert damit keine Unterbrechung des Lade- oder Entladevorgangs für die Impedanzmessung.

In der Weiterentwicklung der Hybridtechnik stellt das Verstehen des Verhaltens von Batteriezellen und Batteriepacks unter stark dynamischer Belastung einen wichtigen Teil der Forschungsarbeit dar. Besonders interessant sind Erkenntnisse zur Leistung von Batterien bei pulsförmiger Belastung, da der Innenwiderstand der Batterien einen signifikanten Einfluss auf den maximalen Strom hat. Eine der effektivsten Methoden, um einen Einblick in elektrochemische Energiespeicher wie Batterien zu gewinnen, ist die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS).

Mit den meisten auf dem Markt verfügbaren Geräten ist der maximal während einer Impedanzmessung zur Verfügung stehende DC-Strom begrenzt. Oft muss daher die Impedanzmessung während des Ladens und Entladens bei der offenen Zellspannung (OCV) gemessen werden, d.h. der Lade- / Entladevorgang wird unterbrochen, um die EIS-Messung durchzuführen. In vielen Versuchsaufbauten wird ein Frequenzgang-analysator mit einer 2-Quadranten-Last beziehungsweise mit einem Potentiostaten / Galvanostaten verbunden, der ein Anregungssignal mit der gewünschten Frequenz ausgibt. Die maximal möglichen AC und DC Ströme und Frequenzen werden hier durch die elektronische Last, insbesondere deren Bandbreite, begrenzt.

Ein geeignetes Gerät, dass die Batteriediagnose auch während der Lade- / Entladevorgänge mit Strömen bis 1.000A und Frequenzen im Bereich von 0,2mHz bis 100kHz ermöglicht, ist der TrueData-EIS Impedanzanalysator von FuelCon. Beim Messen mit der TrueData-EIS wird diese zwischen dem Prüfling und der 2-Quadranten-Last positioniert. Der Impedanzanalysator gibt das AC-Signal aus und bestimmt aus der Messung des durch den Prüfling fließenden Stromes und der gemessenen Spannung die Impedanz, während die elektronische Last nur für den DC-Anteil verantwortlich ist. Der Vorteil dieser Methode ist, dass die Bandbreite der elektronischen Last keinen Einfluss auf die EIS-Messung hat und damit Messungen bei hohen Strömen, wie sie im realen Betrieb des Prüflings auftreten, erfolgen können.

Um den Einfluss der verschiedenen Methoden zu untersuchen, führte FuelCon Messungen an einer 30Ah Lithiumbatterie mit einem Ladestrom von 0,5C und einem Entladestrom von 0,67C durch. Das Impedanzspektrum wurde in Intervallen von 10% des Ladezustands (state of charge SOC) bei Frequenzen zwischen 0,5Hz und 10kHz während des Ladens und Entladens gemessen. Im ersten Zyklus erfolgten diese EIS-Messungen unter weiterer Belastung, d.h. bei hohem DC-Strom. Die Messungen des 2. Zyklus wurden dagegen während einer OCV-Periode einige Sekunden nach einer Erholungsphase der Batterie durchgeführt. Die hierbei aufgenommenen Impedanz-Spektren zeigten ein deutlich anderes Verhalten als die Messungen des 1. Zyklus. Nur Messungen unter Last können also ein reales Bild vermitteln.

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