Der interne Widerstand ist ein Schlüsselparameter, der das Leistungspotenzial, die Energieeffizienz und die Wärmeerzeugung von Lithium-Ionen-Batterien bestimmt. Er ist auch eine wichtige Messgröße für den Gesundheitszustand (SOH) von Batterien, der sich auf die Beschleunigung, die Schnellladung und das Design des Kühlsystems von Elektrofahrzeugen auswirkt. Zusätzlich zur Verhütung von Missbrauch und zur Verbesserung der Sicherheit und Nutzungsdauer von Batterien muss das Batteriemanagementsystem (BMS) das Modell eines internen Widerstands festlegen, um das Leistungspotenzial präzise zu verwalten. Demzufolge spielt die Forschung am internen Widerstand und Leistungspotenzial eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Batteriezellen der nächsten Generation und bei der Optimierung von Batteriesystemen. Da Hersteller jedoch zu einem äußerst niedrigen internen Gleichstromwiderstand und zu größeren Einzelzellendesigns als Mittel zur Verbesserung der Leistungsdichte von Elektrofahrzeugen tendieren, ist die allgemeine Ausrüstung immer weniger in der Lage, den erforderlichen Teststrom von tausenden von Ampere zu liefern, sodass Prüftechnikern meist eine begrenzte Auswahl an teuren Geräten zur Verfügung steht.

Gegenwärtig ist die Messtechnologie des internen Batteriewiderstands in zwei Haupttypen unterteilt: 1) Gleichstromwiderstand wird primär mit Impulsstrom (Stufenstrom) ermittelt, um den Potentialunterschied zu messen, mit dem dann der Wert des internen Widerstands berechnet wird; 2) Wechselstromwiderstand wird mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) unter Verwendung von Störspektrumtechnologie ermittelt. Aufgrund der komplexen elektrochemischen Eigenschaften einer Batterie lässt sich der Gleichstromwiderstand nicht direkt mit der Wechselstromimpedanz vergleichen. Diese zwei Messtechniken ergänzen sich aufgrund des Unterschieds in den Zeitdomänen der Analysen gegenseitig und werden am häufigsten gemäß den Anwendungsbedingungen gewählt.

Im Hinblick auf Elektrofahrzeuge und das Design von Energiespeichersystemen wird der interne Gleichstromwiderstand oft mit Impulsstrom getestet. Die Forschung hat zusätzlich zur kurzen Prüfzeit gezeigt, dass die Stromamplitude sich ebenfalls auf den internen Batteriewiderstand auswirkt [1] und die Prüfung mit Hochstromimpulsen den realen Lastanwendungen am nächsten kommt. Die internationalen Standardverfahren für eine Prüfung mit Hochstromimpulsen sind die VDA-Stromstufenmethode [2] und der HPPC-Test (Hybrid Pulse Power Characterization) [3] [4], wobei die Impulsbreiten zwischen 100 ms und 30 s liegen.

Spannungsabfälle unterliegen verschiedenartigen Phänomenen, die je nach ihren jeweiligen Zeitskalen der Messung mit dem internen Widerstand in Beziehung stehen: Ohm'scher Widerstand des transienten Spannungsabfalls, Widerstand der Ersatzkapazität und der Schnittstelle für Übertragung der elektrischen Ladung innerhalb der ersten wenigen Sekunden des Spannungsabfalls sowie Polarisationswiderstand der langsameren Reaktion aufgrund von Ionendiffusion (Abbildung 1). Der Gesamtwiderstand wird anhand der Ergebnisse des Impulstests berechnet. Es sollte berücksichtigt werden, dass eine größere Impulsbreite den Ladungszustand (SOC) ändern und zusätzliche Spannungsabfälle herbeiführen könnte und sich daher Abweichungen bei der Messung des internen Widerstands ergeben. Ist umgekehrt eine Impulsamplitude zu klein, führt dies zu einer deutlichen Erhöhung der Messungenauigkeit. Messfehler entstehen auch aufgrund von Fehlern bei der Strom-/Spannungsmessung und Fehlern bei der Temperaturregelung.

(Abbildung 1) Beziehung zwischen Spannungsänderung beim DA-Impulstest und der Ersatzschaltung des internen Batteriewiderstands

Während der USABC-HPPC-Tests werden der interne Widerstand und die Leistungskennlinien der Batterie dadurch berechnet, dass die Batteriezellen 10 s bis 30 s lang einer maximalen Implusentladung und 10 s lang einer maximalen Implusladung bei unterschiedlichen SOCs ausgesetzt werden, um so die Änderung des elektrischen Potentials zu messen. Musste nach diesem Prinzip der Impuls-Arbeitsstrom (10C-Rate) einer 60-Ah-Lithiumbatteriezelle 10-mal getestet werden, war es erforderlich, Lade- und Entladegeräte von 600 A zu erwerben. Dies ist allerdings nicht mehr nötig, da Chroma jetzt eine 200%ige Lösung für einen Impulsstromtest bietet!

Die Strombelastbarkeit eines einzelnen Kanals des Chroma 17010H beträgt 300 A, die mit Hilfe des Super-Modus innerhalb von 30 Sekunden auf 200%ige Stromausgabe (600 A) verstärkt werden kann und insbesondere für die Leistungsprüfung von Impulsstrom geeignet ist. Das neue Design legt den Schwerpunkt auf Batterieanwendungen und optimiert den Leistungsausgabemodus, wodurch sich der Fußabdruck um 50 % und der Preis um 30 % reduziert (Abbildung 1).

Der Schlüssel zum von Chroma entwickelten hohen Leistungsvermögen des Impulsstroms liegt in der Temperaturreglung des Stromkreises. Erstens reduziert die Architektur zur Energierückgewinnung mit hoher Umwandlungseffizienz des 17010H in hohem Maße die Erwärmung von Komponenten während der Lade- und Entladevorgänge. Zweitens erhöht sie den Betriebsstrom durch bessere Integration des Strommoduls und bessere Auswahl von Komponenten. Abschließend wird die Temperatur mittels des Wärmeflussdesigns geregelt. Im Hinblick auf Messungen wird eine dezentrale, hoch präzise Stromwandlerstruktur, die Stromgenauigkeit gewährleistet, um das Layout einer Schaltung für kalte und heiße Bereiche ergänzt, um den zeitlichen Temperaturanstieg zu senken, wobei zusammen ein integriertes Batterietestsystem entsteht, das einen 200%igen Impulsstromausgang erzielt.

(Abbildung 2) Vorteil des 200%igen Impulsstrommodus

Die Hauptvorteile des Chroma 17010H:

1. Eine hohe Reproduzierbarkeit der Messungen hilft Prüfgeräten dabei, erheblich viel Zeit bei der Trendbeurteilung und Merkmalanalyse einzusparen.
2. Nulldurchgang und schnelles Stromansprechverhalten sorgen für Testergebnisse, die realen Anwendungen ziemlich nahe kommen.
3. Ein Design aus mehreren Strombereichen verbessert die Genauigkeit kleiner elektrischer Ströme bei einem Strombereich von mindestens 1:10 und geeigneten Bereichen für Leistungstests hoher und niedriger Bemessungen.
4. Die Recyclingeffizienz von 75 % der Entladeenergie spart nicht nur Betriebsstrom und verringert Abwärme aus der Klimatisierung, sondern reduziert auch die Anforderungen an die Energieverteilung in Laboren.
5. Eine unabhängige Schutzfunktion Level 2 V. steigert die Sicherheit während der Prüfungen von Hochstrom.

Diesbezügliche Produktinformationen sind auf unserer offiziellen Website aufgeführt, auf der Sie zudem Ihre Anfrage und Ihre Kontaktdaten hinterlassen können. Wir freuen uns, Ihnen zu Diensten zu sein!

References

• Noshin Omar, Assessment of rechargeable energy storage systems for plug-in hybrid electric vehicles Ph.D. thesis, Vrije Universiteit Brussel, Brussel, Belgium, (2012).
• VDA-initiative energy storage system for HEV, test specification for Li-ion battery systems for hybrid and electric vehicles; VDA: Frankfurt, Germany, 2007.
• Battery Test Manual for Electric Vehicles, U.S. Department of Energy Vehicle Technologies Program, Revision 3.1, 2020.
• Battery Test Manual for Plug In Hybrid Vehicle, U.S. Department of Energy Vehicle Technologies Program, Revision 3, 2014.
• Hans-Georg Schweiger, Comparison of Several Methods for Determining the Internal Resistance of Lithium Ion Cells, Berlin, Germany, (2010)
• Anup Barai, Scientific reports of A study of the influence of measurement timescale on internal resistance characterization methodologies for lithium-ion cells, (2017)