Hochdynamische Messung des Innenwiderstands von Batteriezellen

"Im Rahmen dieses Beitrags wurde ein Messstand zur hochdynamischen Vermessung der Impedanz einer Batteriezelle entwickelt. Hierbei wird mit einem Pulsgenerator ein Strompuls mit definierter Stromflanke der Zelle aufgeprägt und die Spannungsantwort mit einer Abtastrate von bis zu 1,25 MHz gemessen. "

- Dipl.-Ing. Martin Brand, Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik TU München

The Challenge:

Die Batteriezelle ist die kleinste Energiespeichereinheit eines Batteriesystems. Die zentrale Größe zur Charakterisierung der Impedanz einer Zelle ist der Innenwiderstand. Er soll den rein ohmschen Anteil einer Zelle widerspiegeln. Obgleich der Innenwiderstand eine so zentrale Größe darstellt, ist seine Bestimmung im Zeitbereich nicht einheitlich definiert, sondern hängt meist von der Abtastrate der Messinstrumente ab.

The Solution:

Dieser Beitrag charakterisiert das hochdynamische Zeitverhalten einer Batteriezelle am Beispiel einer Li-Ionen-Zelle. Dabei prägt ein Pulsgenerator einen definierten Stromanstieg innerhalb weniger µs auf. Mit einem PXI-System wird die Spannungsantwort an den Klemmen mit bis zu 1,25 MHz abgetastet. Die Daten werden mit einem LabVIEW-Programm erfasst und analysiert. Anhand der Messergebnisse an einer Li-Ionen-Zelle wird die Defintion des Innenwiderstands diskutiert.

Author(s):

Dipl.-Ing. Martin Brand - Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik TU München
Dipl.-Ing. Peter Keil - Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik TU München
Dipl.-Ing. Markus Hofmann - Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik TU München
Prof. Dr.-Ing. Andreas Jossen - Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik TU München

Diese Kundenlösung wurde im Tagungsband 2014 des Technologie- und Anwenderkongresses „Virtuelle Instrumente in der Praxis“ veröffentlicht.

Eingesetzte Produkte: grafische Programmierumgebung LabVIEWNI PXINI-PXI-Komponenten

Die Abbildungen der Kundenlösung finden Sie in der Galerie und im Fließtext. In der Galerie können Sie die Bilder in größerer Auflösung ansehen.

 

 

Kurzfassung

Die Batteriezelle ist die kleinste Energiespeichereinheit eines Batteriesystems. Die zentrale Größe zur Charakterisierung der Impedanz einer Zelle ist der Innenwiderstand. Er soll den rein ohmschen Anteil einer Zelle widerspiegeln. Obgleich der Innenwiderstand eine so zentrale Größe darstellt, ist seine Bestimmung im Zeitbereich nicht einheitlich definiert, sondern hängt meist von der Abtastrate der Messinstrumente ab.

 

Dieser Beitrag charakterisiert das hochdynamische Zeitverhalten einer Batteriezelle am Beispiel einer Li-Ionen-Zelle. Dabei prägt ein Pulsgenerator einen definierten Stromanstieg innerhalb weniger µs auf. Mit einem PXI-System wird die Spannungsantwort an den Klemmen mit bis zu 1,25 MHz abgetastet. Die Daten werden mit einem LabVIEW-Programm erfasst und analysiert.
Anhand der Messergebnisse an einer Li-Ionen-Zelle wird die Defintion des Innenwiderstands diskutiert.

 

 

Problematik bei der Erfassung des Innenwiderstands im Zeitbereich

Für Belastungen in realen Anwendungen ist das elektrische Verhalten einer Batteriezelle im Zeitbereich von Bedeutung. Eine Methode, dieses Zeitverhalten zu charakterisieren, ist die Messung der Sprungantwort. Dabei wird die Zelle mit einem Strompuls beaufschlagt und die Spannnungsantwort gemessen.

 

Die Spannungsantwort nach einem Stromsprung ist zeitabhängig. Gängige Batterietestsysteme schaffen Abtastraten von einigen kHz. Bild 1 zeigt das Messergebnis eines Batterietestsystems, welches einer Li-Ionen-Zelle einen Stromsprung aufprägt und die zugehörige Spannungsantwort misst.

 

Aus Bild 1 wird deutlich, dass die Spannungsantwort je nach Abtastzeitpunkt einen anderen Wert aufweist. Der Innenwiderstand wird aus dem Quotienten aus gemessener Spannungsänderung und aufgeprägter Stärke des Stromsprungs ermittelt:
Ri = (U(t0) – U(tabtast)) / ΔIsprung
Er ist somit von der Abtastrate abhängig.

 

Im Folgenden wird zuerst ein Messaufbau vorgestellt, mit dem ein Stromsprung mit definiertem konstanten Anstieg einer Batteriezelle aufgeprägt wird. Gleichzeitig wird mit einem PXI-System und einem LabVIEW-Programm die Spannungsantwort mit einer Abtastzeit von 0,8 µs gemessen und analysiert.

 

 

Messaufbau zur hochdynamischen Messung des Innenwiderstands von Batteriezellen

Um das hochdynamische Zeitverhalten einer Batteriezelle zu messen, wurde der in Bild 2 dargestellte Messaufbau realisiert. Er besteht aus einem eigens entwickelten Pulsgenerator, der periodische Entladepulse von bis zu 2 A mit einer konstanten Flanke von bis zu 0,5 A/µs der Batteriezelle aufprägen kann. Über einen Shunt und eine 4-Leiter-Messung können der Klemmenstrom und die Klemmenspannung der Li-Ionen-Zelle mit einem PXI-System gemessen werden. Das verwendete Modul NI PXIe-6259 M kann einen Kanal mit maximal 1,25 MS/s abtasten. Die Daten werden in einem LabVIEW-Programm über den NI-DAQmx-Treiber mittels eines virtuellen Kanals eingelesen und analysiert. Um die Datenmenge gering zu halten, wird die Aufzeichnung nur bei einer Änderung ΔIshunt > 0,5 A für 0,25 s lang aktiviert.

 

 

Mit diesem Messaufbau wird eine Abtastrate jenseits der Abtastrate von gängigen Batterietestsystemen realisiert. Die erfassten Messergebnisse werden in den nächsten Abschnitten dargestellt und interpretiert.

 

 

Hochdynamische Messung der Sprungantwort einer Batteriezelle am Beispiel einer Li-Ionen-Zelle

Mit dem beschriebenen Messaufbau wurde eine Li-Ionen-Zelle (Bild 3) vermessen, welche laut Datenblatt einen Innenwiderstand zwischen 44 mΩ  und 90 mΩ hat. Der Innenwiderstand aus dem Datenblatt bezieht sich auf eine Vermessung der Zelle mittels sinusförmigem Strom bei einem Frequenzpunkt von 1 kHz.

 

 


Die Spannungsantwort der Li-Ionen-Zelle auf einen Stromspung in Entladerichtung ist in Bild 4 dargestellt. Der Pulsgenerator erzeugte dabei innerhalb 5 µs einen Stromsprung von -0,33 A auf -1,97 A.

 

Die gemessene Spannungsantwort der Batteriezelle weist zuerst ein induktives Überschwingen auf, welches durch die Induktivität des Zelldesigns sowie der Stromverdrängung in den elektrischen Leitern erklärt werden kann. Nach Abklingen dieser Spannungsspitze sinkt die Spannung etwas, was durch ein schnelles Zeitverhalten an den Grenzschichten zwischen Elektrode und Elektrolyt erklärt werden kann.

 

Es gibt bisher kaum Publiktionen über das hochdynamische Verhalten von Li-Ionen-Zellen, aber [4] und [5] gelangen zu ähnlichen Messergebnissen und Interpretationen, wie oben dargestellt.

 

 

Schlussfolgerungen für die Definition des Innenwiderstands im Zeitbereich

Die Messung der Sprungantwort mit hohen Abtastraten hat gezeigt, dass die Impedanz einer Batteriezelle zu keinem Zeitpunkt ein rein ohmsches Verhalten aufweist. Der durch die Leitfähigkeit der Zellmaterialien bedingte ohmsche Widerstand kann also nicht isoliert gemessen werden. Die Messungen verdeutlichen, wie unscharf der Begriff Innenwiderstand ist, wenn er ohne genauere Erklärung verwendet wird.

 

Um die Zellimpedanz präziser beschreiben zu können, wurde diese im Rahmen der Untersuchungen mit einem elektrischen Ersatzschaltbild gemäß Bild 5 modelliert. Das hochdynamische Verhalten wird abgebildet durch die Induktivität La sowie durch die Verschaltung aus Li und Rskin, welche den Skin-Effekt beschreibt. Der Widerstand RΩ repräsentiert die rein ohmschen Anteile der Zellimpedanz.

 

Zusammenfassung

Im Rahmen dieses Beitrags wurde ein Messstand zur hochdynamischen Vermessung der Impedanz einer Batteriezelle entwickelt. Hierbei wird mit einem Pulsgenerator ein Strompuls mit definierter Stromflanke der Zelle aufgeprägt und die Spannungsantwort mit einer Abtastrate von bis zu 1,25 MHz gemessen.

 

Aus den Messergebnissen wird das induktive Verhalten einer Batteriezelle und im Speziellen einer Li-Ionen-Zelle sichtbar. Einen Innenwiderstand im Zeitbereich eindeutig zu definieren, kann nur unter Definition der Randbedingungen, unter denen er gemessen wird, erfolgen. Eine präzisere Darstellung der zeitabhängigen Impedanz einer Batteriezelle ist beispielsweise mit einem elektrischen Ersatzschaltbild möglich.

 

Author Information:

Dipl.-Ing. Martin Brand
Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik TU München
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martin.brand@tum.de

Bild 1: Stromsprung auf eine Li-Ionen-Zelle und deren Spannungsantwort, gemessen mit einem Batterietestsystem
Bild 2: Schema des Messaufbaus zur hochdynamischen Erfassung der Sprungantwort einer Batteriezelle mit bis zu 1,25 MHz Abtastrate
Bild 3: Foto der vermessenen Li-Ionen-Zelle der Bauform 18650
Bild 4: Strompuls mit 1,64 A in 5 µs und Spannungsantwort der vermessenen Li-Ionen-Zelle
Bild 5: Elektrisches Ersatzschaltbild einer Li-Ionen-Zelle mit Berücksichtigung des hochdynamischen Verhaltens