Schnelltest von Auto- und stationären Batterien

Tragbare Batterien für Mobiltelefone, Laptops und Kameras können schnell geprüft werden, indem mit einigen Ladeimpulsen geladen wird, und das Verhältnis zwischen Spannung und Strom beobachtet wird. Das ohmsche Gesetz wird verwendet, um den Innenwiderstand auszurechnen. Ein Vergleich der Messresultate mit Referenzdaten gestattet, den Gesundheitszustand der Batterie zu schätzen.h.

Diese Methode mit Ladeimpulsen funktioniert nicht gut bei grösseren Batterien, wo normalerweise die Wechselstromleitfähigkeit angewendet wird. Eine Wechselspannung (AC) wird an die Batterieklemmen angelegt, die als Ripple (Spannungs- und Stromschwankung) der Gleichspannung (DC) der Batterie überlagert wird, und die Batterie wechselweise lädt und entlädt.

Die Wechselstromleitfähigkeit ist in vielen Handtestgeräten eingebaut worden, um Fahrzeugbatterien und stationäre Batterien zu testen. Um einfache und preisgünstige Geräte anbieten zu können, laden diese Geräte die Batterie mit Impulsen, anstelle von sinusförmigen Signalen. Diese Impulse sind gewöhnlich nicht spannungsbegrenzt, und dadurch kann die thermische Batteriespannung*überschritten werden. Der Schwellwert der thermischen Spannung einer Blei-Säure-Batterie beträgt 25mV pro Zelle. Das Überschreiten dieser Spannung ist ähnlich wie das übersteuern eines NF-Verstärkers. Das Resultat ist verstärktes Rauschen und Verzerrungen.

Die Wechselstromleitfähigkeit ergibt zuverlässige Messresultate, unter der Bedingung, dass die Batterie vor der Messung voll geladen wurde, geruht hat oder kurz entladen worden ist. Die Wechselstromleitfähigkeit ist hingegen unzuverlässig, bei tiefem Ladezustand und manchmal wird eine gute Batterie als fehlerhaft beurteilt. Im Gegensatz dazu, kann eine fehlerhafte Batterie als gut befunden werden. Die Abhängigkeit vom Ladezustand wird allgemein von den Anwendern beanstandet. Die Wechselstromleitfähigkeit arbeitet am besten bei bekannten Batterien mit definierten Mängeln

Die Wechselstromleitfähigkeit ist eine sanfte und schnelle Messmethode, und die Messgeräte sind verhältnismässig günstig. Es gibt jedoch einige grundsätzliche Probleme. Die meisten gängigen Testgeräte verwenden nur eine Frequenz, welche normalerweise unterhalb 100Hz liegt. Mehrfrequenzensysteme würden zuverlässiger arbeiten aber benötigen eine komplexe Datenverarbeitungssoftware, und eine aufwendige Hardware. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die Elektrochemische Impedanz Spektroskopie (EIS), eine Methode, die einige Unzulänglichkeiten der Wechselstromleitfähigkeit beseitigt hat.
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* Batterien sind keine linearen Systeme. Die Gleichung, die eine Batterie definiert, wird linear unterhalb 25mV/Zelle bei 25°C. Diese Spannung wird als thermische Batteriespannung bezeichnet.ltage.

Elektrochemische Impedanz Spektroskopie (EIS)

Die EIS beurteilt die elektrochemischen Charakteristiken einer Batterie durch Anlegen eines Wechselspannungspotentials bei verschiedenen Frequenzen und durch Messen des Stromverlaufs an der elektrochemischen Zelle. Die Messfrequenz kann variieren von 100 Mikrohertz (µHz) bis 100 Kilohertz. 100 µHz ist eine sehr tiefe Frequenz und benötigt mehr als zwei Stunden, um einen vollen Zyklus zu absolvieren. Im Vergleich dazu benötigt eine Frequenz von 100kHz eine Sekunde für 100'000 Zyklen.

Die Anwendung von verschiedenen Frequenzen kann man sich so vorstellen, als wenn man durch verschiedene Schichten der Batterie ginge, wobei ihre Charakteristiken bei verschiedenen Niveaus untersucht werden. Ähnlich wie das Absuchen nach Sendern auf einem Radiogerät, wo individuelle Stationen verschiedene Arten von Musik anbieten, bietet auch eine Batterie verschiedene Informationen bei verschiedenen Frequenzen an.

Der Batteriewiderstand enthält einen rein ohmschen Widerstand, eine Induktivität sowie eine Kapazität. Figur 1 zeigt das klassische Modell von Randles, das eine typische Batterie beschreibt.

Figur 1: Modell von Randles einer Blei-Säure-Batterie. Der gesamte Batteriewiderstand besteht aus einem rein ohmschen, einem induktiven und einem kapazitiven Widerstand. Es gibt jedoch viele andere Modelle.

Der kapazitive Widerstand ist verantwortlich für den Kapazitätseffekt, der induktive für den so genannten magnetischen Feldeffekt, oder Spuleneffekt. Die Spannung an einem Kondensator hinkt dem Strom hinterher. An einer magnetischen Spule hingegen, hinkt der Strom der Spannung hinterher. Wenn ein sinusförmiges Signal an eine Batterie gelegt wird, bewirkt der reaktive Widerstand eine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom. Diese Information wird verwendet, um die Batterie zu beurteileny.

Die elektrochemische Impedanz Spektroskopie (EIS) ist während einigen Jahren verwendet worden, um Analysen von Satellitenbatterien zu erstellen, wie auch um die Gitterkorrosion und den Wasserverlust bei Flugzeug- und stationären Batterien abzuschätzen. EIS gibt die Möglichkeit, die kinetische Reaktion den Elektroden zu beobachten, und um die Änderungen zu analysieren, die beim täglichen Gebrauch auftreten. Das Ansteigen des Innenwiderstandes weist sofort auf Störungen durch Korrosion oder anderen Mängeln hin. Studien über den Innenwiderstand mit Hilfe der EIS-Methode wurden durchgeführt an Blei-Säure-, Nickel-Kadmium-, Nickel-Metallhydrid- und Lithium-Ion-Batterien. Die besten Resultate wurden an Einzelzellen erreicht.

Eine der Schwierigkeiten bei EIS ist die Auswertung der Daten. Es ist einfach, viele Daten zu ermitteln, aber die praktische Umsetzung dieser Daten ist die Schwierigkeit. Die Analyse der Informationen ist sehr schwierig, da die Messresultate nicht allgemein gültig sind, sondern von den Batterien und Batterietypen abhängig sind. Dazu kommt, dass praktisch jede Batterie spezielle Eigenschaften aufweist. Ohne genau definierte Referenzmessresultate und einer Software, um die Resultate zu interpretieren, haben die gesammelten Daten keine Aussagekraft für eine normale Person.

Die moderne Technologie kann behilflich sein, indem charakteristische Einstellungen eines gegebenen Batterietyps im Testinstrument abgespeichert werden. Fortschrittliche digitale Signalprozessoren sind in der Lage, viele Millionen von Operationen pro Sekunde durchzuführen. Die Software übersetzt die Daten in ein einfaches Messresultat. EIS hat das Potential, eine echte Alternative zu werden zur Wechselstromleitfähigkeit, zum Testen von Auto-, Lokomotiv- und stationäre Batterien. Namhafte Fortschritte in dieser Richtung sind im Gange.

Die Kommerzialisierung der elektrochemischen Impedanz Spektroskopie

Cadex entwickelt eine Methode für den Schnelltest von Batterien, die auf der EIS-Technik aufgebaut ist. Das mit dem Warenzeichen Spectro™ bezeichnete System speist sinusförmige Signale mit mehreren Frequenzen ein. Die Signale sind spannungsüberwacht und bleiben unterhalb der thermischen Batteriespannung.

Spectro™ wurde getestet mit willkürlich ausgewählten Autobatterien, die verschiedene Qualitäten aufwiesen. Autobatterien eignen sich ausgezeichnet für einen solchen Test, denn sie sind in genügender Anzahl erhältlich. Um die Zuverlässigkeit zu zeigen, testeten wir 6 typische Autobatterien (A, B, C, D, E und F), von verschiedener Qualität. Es waren nasse Blei-Säure-Batterien vom selben Modell.

Zu Beginn des Tests wurden die Batterien voll aufgeladen, und die aktuelle Kaltstartstrommessung (CCA) wurde mit Hilfe des SAE J537-Standards durchgeführt. Anschliessend wurden die Batterien mit der Wechselstromleitfähigkeit und der Spectro™ Methode getestet. Die Annäherungsmessung mit Spectro™ wurde mit einer modellspezifischen Matrix durchgeführt.

Figur 2: Vergleichsmessungen von CCA mit Spectro™, unter Verwendung einer batteriespezifischen Matrix. Die blauen Messpunkte entsprechen den Messungen mit Wechselstromleitfähigkeit. Man sieht, dass die Messungen mit Spectro™ den Messpunkten der echten CCA-Messung sehr gut entsprechen

Batterien werden für Tests in den verschiedensten Zuständen angeliefert, auch mit tiefem Ladezustand (SoC). Mit der Wechselstromleitfähigkeit werden die CCA-Messungen stark vom Ladezustand beeinflusst, und zwar in einer Weise, die die Testresultate sinnlos werden lassen. Um die Unabhängigkeit der Spectro™-Messungen gegenüber dem SoC zu demonstrieren, wurde Spectro™ verwendet, um die CCA-Werte einzuschätzen, bei verschiedenen Ladezuständen. Die Resultate sind in Figur 3 gezeigt.

Figur 3: CCA-Schnelltest mit verschiedenen SoC's.Spectro™ ergibt gute Messresultate von 40 bis 100% SoC. Die Messungen mit Wechselstromleitfähig-keit sind stärker vom Ladezustand beeinflusst.

Idealerweise sollte die Kurve absolut horizontal verlaufen. Die Spectro™-Kurve weicht nur wenig ab im Bereich zwischen 40 und 100% SoC. Vergleichsweise dazu, zeigt die CCA-Annäherungsmessung mit Wechselstromleitfähigkeit sehr starke Abweichungen zur horizontalen Kurve, hervorgerufen vom Ladezustand.

Obwohl frühere, mit der Spectro™ Technologie durchgeführten Testresultate grosse Vorteile gegenüber herkömmlichen Testmethoden zeigten, sind die elektrischen Anforderungen und die Komplexität sehr anspruchsvoll. Die Eingabe von sinusförmigen Signalen mit verschiedenen Frequenzen und überwachten Niveaus, sowie das Verarbeiten der grossen Datenmenge verursacht Kosten.

Cadex plant, den ersten kommerziellen tragbaren Spectro™ für Autobatterien gegen Ende 2004 freizugeben. Testgeräte für stationäre Batterien sind für 2005 vorgesehen. Unsere Forschung arbeitet laufend am Erfassen von neuen Batteriemodellen und Chemien, und hat erreicht, die Testzeit von anfänglich 2 Minuten auf etwa 20 Sekunden zu senken. Ein Patent für SpectroTM ist zugesprochen worden.