Energiespeicher in Fertigung und Produktion Lithium-Ionen-Akkus elektrisch messen

Von Andrea Vinci*

In kleinen tragbaren Batterien bis hin zu großen Lithium-Ionen-Akkus für Elektrofahrzeuge oder Backup-Systeme: Die Anforderungen an automatisierte Prüfsysteme sind unterschiedlich. Drei Beispiele für den Einsatz von Messhardware beim Akkutest.

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Elektrofahrzeug: Lithium-Ionen-Speicher ist die aktuell verbreitetste Akkuart bei Elektro-PKWs. Für den Test von Sekundärzellen ist entsprechende Messhardware notwendig.
Elektrofahrzeug: Lithium-Ionen-Speicher ist die aktuell verbreitetste Akkuart bei Elektro-PKWs. Für den Test von Sekundärzellen ist entsprechende Messhardware notwendig.
(Bild: Nissan)

Den Energiespeichern gehören die Zukunft, denn sie sind entscheidend für die weitere Verbreitung erneuerbarer Energien zur Stromversorgung in Deutschland und Europa. Für die Mess- und Prüftechnik ist der Test von Batterien und Akkumulatoren ein wichtiges Feld. Dabei geht es um kleine tragbare Batterien und Akkus bis hin zu größeren Sekundärzellen für Elektrofahrzeuge. Aber auch in Akkus für Backup-Systeme für die Hochenergieversorgung in stationären Anwendungen.

Testsysteme passen sich dem spezifischen Kontext und der Phase im Herstellungszyklus an. Beispielsweise solche für Systemintegratoren, die automatisierte Testsysteme (ATEs) für Elektrofahrzeug-OEMs entwickeln. Im Zuge des technischen Fortschritts bauen Unternehmen wie Tektronix ihr Know-how mit verschiedenen Testfällen und Produktionsqualitätsanforderungen beständig aus.

Kleine Zellen oder Lithium-Ionen-Zellen über 1.000 V

Der Akkutest ist vielfältig: Er reicht von der Charakterisierung kleiner Zellen in tragbaren Bausteinen bis hin zu großen Fahrzeugakkus für den Betrieb bei 1.000 V oder mehr. Das Akkusystem spielt eine entscheidende Rolle für die elektrische Mobilität. Aufgrund ihrer hohen Energie- und Leistungsdichte zählen Lithium-Ionen-Akkus heute zu den am häufigsten verwendeten Typen in Elektrofahrzeugen, wobei die Technik eine ausreichend lange Lebensdauer erreicht.

Je nach Marktkontext verwendet man unterschiedliche Nomenklaturen und Bezeichnungen für die Akkus: Im Umfeld des Automobilbaus können sich die Elektrofahrzeug-Akkus als Prüfling und die damit verbundenen Prüfverfahren je nach Integrationsgrad in das Fahrzeug unterscheiden, wenn es sich um die Produktion von Zellen, Modulen oder Paketen handelt.

Der Aufbau einer Speicherzelle

Eine Zelle ist in der Regel ein einzelner elektrochemischer Baustein, dessen individuelle Speichereinheit maximal eine Spannung von 5 V liefert. Ein Modul besteht aus mehreren miteinander verbundenen Zellen und etwas zusätzlicher Elektronik, die das gesamte System steuert. Das Modul ist verpackt, so dass die Tests die Gesamtheit als ein Element behandeln.

Ein solches Akkupack ist ein größeres Element aus mehreren Modulen, die wiederum über Kabel miteinander verbunden sind und eine komplexere Steuer- und Kommunikationselektronik enthalten, um mit anderen Prozessoren im Fall von Fahrzeugen zu kommunizieren.

Das Testen von Zellen ist nicht dasselbe wie das Testen von Modulen oder Paketen. Auf jeder Stufe der Wertschöpfungskette kommen womöglich andere Testaufbauten zum Einsatz. Tests können sich schließlich auch durch die verwendete Testmethodik unterscheiden, wie etwa bei der Impedanzmessung.

Testgeräte-Hersteller wie Tektronix Keithley bieten Equipment für Testsystementwickler, die den elektrischen Tests abdecken und konzentrieren sich auf alle Bereiche, in denen Potenzial- (Spannung), Strom- und Widerstandsmessungen in komplexen automatischen Testsystemen (ATEs) für Systemintegrationstests sowohl in der Akkuherstellung (Zellen, Module und Pack-Montagelinien) als auch in der Endanwendungsintegration (Automotive-Battery-Management-System – BMS und der Integration von Akkupacks) erforderlich sind.

Meist beziehen sich die Tests auf drei Schwerpunkte:

  • Sicherheitstests: für Systeme, die aus mehreren in Serie/parallel angeordneten Zellen aufgebaut sind, um eine höhere Leistungsdichte zu erreichen.
  • Leistungstests: für Zellen und Module oder Akkupacks. Die Tests hängen eng mit der Anzahl der Lade-/Entladezyklen, der Laufzeit und der Temperatur zusammen.
  • Managementtests: optimieren die Leistung des Moduls/-Zelle und validieren End-of-Line-Tests.

Impedanz der Schweißpunkte charakterisieren

Bild 1: Eine allgemeine Darstellung von Sammelschienen in Batterien.
Bild 1: Eine allgemeine Darstellung von Sammelschienen in Batterien.
(Bild: Tektronix)

Ein Akkumodul besteht aus mehreren parallel oder in Reihe geschalteten Zellen, welche die gewünschte Ausgangsspannung erzeugen. Alle Zellen werden per Laser mit einer Sammelschiene (Busbar) verschweißt (Bild 1). Dabei handelt es sich um einen langen und von Masse isolierten Leiter, der die hohen Ströme für die Stromverteilung aus den Akkus führt.

Der VSH-Busbar-Schweißimpedanztest charakterisiert die Impedanz der Schweißpunkte. Schon kleine Widerstände in den Schweißpunkten können so viel Wärme erzeugen, dass sie die Akkus schädigen und zu Frühausfällen oder unsicheren Betriebsbedingungen führen können. Misst man den Widerstand vor der Prüfung des Akkubetriebs, kann man defekte Module schnell aus der Fertigungslinie entfernen.

Bei der Schweißpunkt-Impedanzmessung leitet man einen Strom durch den Schweißpunkt und misst die Spannung, um so den Widerstand zu berechnen. Prüfgeschwindigkeit und Messgenauigkeit sind die beiden Hauptkriterien für eine Schweißpunkt-Impedanzmessung. Das lässt sich mit Source Measure Units (SMUs) wie den Keithley-Modellen 2460 oder 2461 und entweder dem 3706A System Switch und Multimeter oder dem DAQ6510 Data-Acquisition-and-Logging-Multimeter-System realisieren.

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Sehr kleine Spannungen messen

Bild 2: Schematisches Beispiel für ein automatisiertes System zur Impedanzprüfung in der Batterieproduktion.
Bild 2: Schematisches Beispiel für ein automatisiertes System zur Impedanzprüfung in der Batterieproduktion.
(Bild: Tektronix)

Die SMUs der Modelle 2460 und 2461 können bis zu 7 A für Akkusysteme mit hohem Strombedarf liefern. Die Impedanz beim Schweißen kann bis zu einigen Milliohm betragen. Ein dafür geeignetes Messgerät muss empfindlich genug für die Messung sehr kleiner Spannungen sein. Das Modell 3706A enthält ein 7,5-stelliges Digitalmultimeter (DMM) und kann 10 nV im 100-mV-Bereich auflösen.

Da ein Akkupack fast 80 Schweißpunkte auf einer Stromschiene enthalten kann, ist das Gerät für einen Betrieb in Mainframes mit konfigurierbaren Steckplätzen für mehrkanalige Multiplexer-Steckmodule ausgelegt, sodass keine Umverdrahtung erforderlich ist. Für eine hohe Geschwindigkeit und Effizienz ist der Schaltprozess für jeden zu messenden Kanal automatisiert.

Innenwiderstand und Leerlaufspannung messen

Die Leistung und Effizienz von Sekundärzellen während der Lade- und Entladevorgänge lassen sich anhand mehrerer Indikatoren bewerten. Die Charakterisierung des Innenwiderstands eines Akkus ist eine davon. Dieser Innenwiderstand charakterisiert die Veränderungen bei verschiedenen Lade-/Entladestromraten, den Ladezustand jeder einzelnen Zelle (State of Charge, SoC), die Temperatur und andere Indikatoren der Alterung.

Die Leerlaufspannung (Open-Circuit-Voltage, OCV) ist die Spannung, die an den Anschlüssen der Akkus nach einer ausreichenden Ruhezeit (oder Relaxation) gemessen wird. Sie ist zentral für Li-Ionen-Akkuzellen.

Die OCV variiert in Abhängigkeit vom Ladezustand der Akkus (SOC) und in geringerem Maße von der Temperatur. Über die Leerlaufspannung lässt sich ein Akku-Äquivalenzmodell erstellen, welches für die Entwicklung eines Batterie-Management-Systems (BMS) verwendet wird. Es ist somit mehr als nur eine Bewertung von Akkuspezifikationen und dessen Zustand.

Der Innenwiderstand einer Sekundärzelle bei angeschlossener Last verursacht im Gegensatz zur Spannung im Leerlauf einen Spannungsabfall an den Polen und lässt sich aus OCV-Messungen ableiten. OCV ist generell nicht nur eine Einzelmessung, sondern besteht aus einer Reihe von Messungen. Man spricht von einer OCV-Charakterisierung, einer umfassenden Analyse, die sich aus einer Kurve des Ladezustands (SoC) als Funktion der OCV ergibt.

Eine Quelle und eine Last

Bild 3: Das 7½-stellige Referenzmultimeter Tektronix Keithley DMM7510 bietet nach eigenen Angaben eine hohe Genauigkeit. Mit dem Messgerät lassen sich kleine Spannungsabfälle oder winzige Leckströme erfassen.
Bild 3: Das 7½-stellige Referenzmultimeter Tektronix Keithley DMM7510 bietet nach eigenen Angaben eine hohe Genauigkeit. Mit dem Messgerät lassen sich kleine Spannungsabfälle oder winzige Leckströme erfassen.
(Bild: Tektronix)

Zur Erstellung dieser Kurve bringt man die Akku in einen bestimmten Ladezustand, in der Regel durch gepulste Ladung oder Entladung zusammen mit einer entsprechenden Quelle/Last, wartet dann eine gewisse Abklingzeit ab (Relaxation) und misst dann das Leerlaufpotenzial an den Elektroden.

Eine Keithley SMU wie die 2460 oder die 2461 mit 10-A-Pulsfähigkeit und Digitalisierern kann den Test unterstützen. Die SMU kann den Zellenstrom kontrolliert einspeisen oder ableiten und zugleich Zellenstrom und -Spannung über eine 4-Leiter-Verbindung (Kelvin) mit Kontaktprüfung messen. All dies ist leicht automatisierbar und wird von einem programmierten integrierten Mikroprozessor gesteuert. Die Genauigkeit der OCV-Spannungsmessung ist entscheidend für die Wahl des Geräts. Manchmal reicht die typische 6½-stellige Messauflösung, die thermische Stabilität, aber vor allem die Genauigkeit einer SMU nicht aus.

Bei einigen Testaufbauten nutzt man daher ein spezielles Digitalmultimeter. Das DMM7510 von Keithley hat sich bei Akkutests zum Standard bei der Prüfung von Li-Ionen-Zellen entwickelt. Sein rauscharmer 32-Bit-A/D-Wandler erlaubt eine Auflösung von 7½ Stellen (Bild 3).

Ein Batteriemanagement-System prüfen

Ein Batteriemanagementsystem (BMS) ist ein spezielles Element, das für die Kontrolle kritischer Akkufunktionen wie Zellüberwachung, Zellbalancierung, Lade- und Entladesteuerung, Sicherheitskontrolle und Kommunikation mit externen Einheiten zuständig ist. Einige ATE-Entwickler arbeiten daran, alle benötigten Testeinheiten zur Kontrolle der Interaktion zwischen dem BMS und des Akkus in einer kompakten und zuverlässigen Plattform zusammenzufassen.

Solche Prüfgeräte für die Validierung bestehen aus modularen Elementen, die von verschiedenen Anbietern stammen und als System zusammenarbeiten. Das System muss mehrere Eingangssignale vom Akku und dem BMS verfolgen und aufzeichnen.

Entscheidend sind die Sensoreinheiten und die E/A-Kommunikationsstufe. Sie müssen für ein ordnungsgemäßes Screening implementiert werden. In manchen Fällen bestimmt die Testmanagement-Softwareumgebung die Auswahl der einzelnen Instrumente des Systems. Meist entwickeln Systemintegratoren ausgehend von den OEM-Anforderungen eher kundenspezifische Anwendungen, die unabhängig von einer bestimmten Umgebung sind und eine austauschbare und schnelle parallele Ausführung mehrerer automatisierter Validierungstestsysteme erlauben.

Simulation der Akkupack-Spannung

Bild 4: Mit der AFG31000-Serie von Tektronix kann man reale Bussignale mit kundenspezifischen Beeinträchtigungen für die Simulation bestimmter potentieller Fehlerbedingungen programmieren.
Bild 4: Mit der AFG31000-Serie von Tektronix kann man reale Bussignale mit kundenspezifischen Beeinträchtigungen für die Simulation bestimmter potentieller Fehlerbedingungen programmieren.
(Bild: Tektronix)

Die Validierung des BMS vor einer Interaktion mit dem realen Batteriesystem erfordert eventuell zuerst eine Simulation der Akkupack-Spannung. Dazu müssen eine oder mehrere präzise 1.000-V-Spannungsquellen gesteuert oder sogar hunderte einzelner Zellenspannungen simuliert werden. Die Klimakammer ist ein weiteres Schlüsselelement für die Kontrolle von Temperatur und Testatmosphäre. Die entsprechenden Anforderungen an eine SMU erfüllt das Modell 2470 von Keithley mit seiner Testfähigkeit von mehr als 1 kV.

Neben dem spezifischen Portfolio an Datenloggern und Multiplexer-Karten wie der DAQ6510 konzentriert sich Tektronix Keithley auf den Bedarf an Spannungs- und Strom-Pulsquellen, die für die konkrete Auslegung des Testaufbaus zur Erfassung der Reaktion des BMS auf eine Fahrzeug-Kollision mit geringer Energie während einer DC-Schnellladung erforderlich sind.

Ist ein Fahrzeug auf einem Parkplatz an ein DC-Ladegerät angeschlossen und es kommt zu einer Kollision bei geringer Geschwindigkeit: Es stellt sich die Frage: Wie reagiert das BMS darauf? Wie kann man kritische Fehler wie etwa bei einer Kabel-Unterbrechung ausschließen, während ein hoher Ladestrom fließt?

Das Kollisionssignal für das BMS kann je nach aktueller Situation ein Spannungs- oder ein Stromimpuls sein. Unabhängig davon muss das Signal klar und stabil genug sein, um Störungen auszuschließen. Tektronix Keithley liefert mit seinen Geräten der AGF-Serie auch Lösungen, um fehlerhafte Daten-Frames in der CAN-Bus-Kommunikation zu simulieren.

* Andrea Vinci arbeitet als Technischer Marketing Manager bei Tektronix.

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