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Batteriemesstechnik
Anwendungen

Grundlagen der spektralen Impedanzmessung

Der Innenwiderstand einer Batterie ist stark frequenzabhängig. Er sinkt mit steigender Frequenz und weist Blindanteile auf. Deshalb spricht man von komplexer Impedanz und stellt sie entweder nach Betrag und Phase dar (graphisch als Bode-Diagramm) oder nach Realteil und Imaginärteil (grafisch als Ortskurve).

Ortskurve Spektrale Impedanzmesstechnik

Ein rein ohmsches Verhalten existiert nur bei einer Frequenz, die je nach Technologie und Kapazität in der Größenordnung von 1 kHz liegt. Dieser Wechselstrom- (AC-) Widerstand wird üblicherweise in den Datenblättern angegeben. Zur Messung wird ein kleiner Wechselstrom mit fester Frequenz eingeprägt und die resultierende Wechselspannung gemessen; die Messdauer beträgt circa 1 sec.

Da im Betrieb selten dermaßen schnelle Lastwechsel vorkommen, ist für die Beurteilung des Betriebsverhaltens der Gleichstrom- (DC-) Innenwiderstand aussagekräftiger. Dazu wird der Innenwiderstand an einer tieferen Frequenz, meist <1Hz, gemessen (bzw. im Zeitbereich als Sprungantwort). Beide Messungen (AC- und DC-Widerstand) dauern nur wenige Sekunden.

Die umfangreichsten Einblicke in das Batterieverhalten erlaubt die Spektrale Impedanzmessung (auch Elektrisches Impedanz-Spektrum EIS genannt). Hierbei wird der (komplexe) Innenwiderstand bei vielen Frequenzen (z.B. 0,1Hz bis 1kHz) gemessen, was den Messvorgang auf einige Minuten verlängern kann. Aus dem Frequenzgang bzw. der Ortskurve kann das elektrochemische Verhalten abgelesen werden. Weicht die Ortskurve beispielsweise stark vom typischen Verlauf ab, kann auf Beschädigungen geschlossen werden.

Die nachfolgende Tabelle zeigt eine Übersicht der gebräuchlichsten Messgrößen:

Messgröße

Batterie-Eigenschaft

Entwicklung

Produktion

Wartung

Service

Spannung

Ladezustand (SoC)
(Li-Ion, Blei)

AC-Widerstand

Alterung (SoH)

DC-Widerstand

Betriebsverhalten

 

Ortskurve
(Impedanz-Spektrum)

Betriebsverhalten, Beschädigungen, Modellparameter

(✓)

(✓)

 

Anwendung

Charak-
terisierung

Selektion

Bewertung und Austausch

Diagnose

Vergleichswerte

werden
bestimmt

Vorhandene Zellen

Benachbarte Zellen

Datenblatt bzw. Erstmessung