2015
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Testsystem für das Laden und Entladen von Batteriezellen
2015/06/16

Dieser Artikel stellt das Chroma-Modell der 17011-Serie vor, wobei es sich um ein Lade- und Entladesystem für Batteriezellen handelt, das für den Lebensdauertest beim Laden und Entladen und eine Analyse der Batteriemerkmale entwickelt wurde. Er erläutert den Batteriekapazitätstest, den Batterielebensdauertest, den direkten Test und den EDLC-Kapazitätstest sowie die DCIR-Testanwendung. Das programmierbare Lade-/Entladesystem Chroma 17011 ist ein Präzisionsgerät, das speziell für die Prüfung von sekundären Lithium-Ionen-Akkus und elektrischen Doppelschichtkondensatoren (EDLC) entwickelt wurde. Es eignet sich für den Lebensdauertest, die Warenein-/-ausgangsprüfung, die Überprüfung von Produktmerkmalen, Materialexperimente sowie Testläufe von kleinen Chargen. Das System besteht aus dem Lade-/Entladeprüfgerät der Chroma 17200-Serie und dem modularen Gleichstromnetzteil der Chroma 62000B-Serie oder dem bidirektionalen DC/AC-Wandler Chroma A691103.



Abbildung 1  Testsystemmodell für das Laden und Entladen von Batteriezellen der 17011-Serie

Chroma 17011 zeichnet sich durch schnelle Ausgangsleistung und Messaufzeichnungen aus, die aufgrund äußerst genauer Spezifikation zur Gewährleistung der Testqualität beitragen. Seine stabile Leistung eignet sich für unterschiedliche Tests, die zuverlässige Daten erfordern. Die flexible Programmierfunktion kann jedem Kanal Rezepturen für unabhängige Prüfungen zusenden. Zudem kann das Design der Mehrkanalarchitektur auf Basis der Testanforderungen konfiguriert werden. Der Testkanal unterstützt einen parallelen Ausgang, den man für große Stromprüfungen flexibel einrichten kann. Der Anwendungsbereich umfasst unterschiedliche Prüfungen von einzelnen Lithium-Ionen-Akkus in unterschiedlichen Kapazitäten.

Die 62000B-Serie ist der Stromeingang des Lade-/Entladeprüfgeräts. Ihre redundante Gleichstromversorgungsstruktur gewährleistet Stabilität und Betriebssicherheit für den Lift-Test, wenn er längere Zeit ohne Unterbrechung durch Stromausfall durchgeführt wird. Sollte während dieses Vorgangs ein Strommodul ausfallen, erhöht das redundante Strommodul die Ausgangsleistung, um die Stromversorgung zu stabilisieren.

Wenn 17011-Systeme das 17212R-5-100 für Hochstrom-Lade-/-Entladetestanwendungen konfigurieren, übernimmt der bidirektionale DC/AC-Wandler Chroma A691103 die Gleichstromversorgung. Diese Stromquelle überträgt die von der Batterie entladene Energie zu den aufladenden Kanälen, um den Energiebedarf des Systems abzusenken. Sobald jedoch die entladene Energie höher wird als der Batterielade- und der Systembedarf, speist dieser Wandler den Strom wieder zurück ins Betriebsnetz. Diese Funktion recycelt nicht nur die Energie und senkt den Wechselstrombedarf, sondern reduziert auch die Wärmeeinwirkung. Sie hilft, die Kosten für Klimatisierung zu verringern und die Lebensdauer des Systems zu verlängern.

Chroma 17011 stellt mit Hilfe der Ethernet-Schnittstelle eine Verbindung zu einem externen Computer her, um jeden einzelnen Kanal mittels mehrerer, integrierter Testmodi unabhängig voneinander zu kontrollieren und zu programmieren. Das Gerät kann Lade- und Entladetests für CC-CV, CC, CP, Batterie-DCIR-Tests, Kapazitätstests für EDLC sowie DCR-Tests durchführen. Die schrittweise Umwandlung wird anhand von Zeit-, Spannungs-, Strom- oder Leistungswerten vollzogen, die in jedem einzelnen Testmodus festgelegt wurden; währenddessen enthalten die erfassten Daten den zurückgegebenen Testschritt, den Status, die Spannung, den Strom und die Kapazität. Zusätzlich kann eine Abtastung mittels Zeit-, Spannungs-, Strom- oder Kapazitätsbedingungen für eine flexible Auswahl eingestellt werden. Während des Batterietests ist neben dem Lebensdauertest und dem Kapazitätstest der Batterietest auf internen Widerstand unerlässlich zur Stromversorgung der Batterie. DCIR ist der anfängliche, interne Gleichstromwiderstand, der eine Leistungsbehinderung darstellt, die bei der Batterieaufladung auf interne Merkmale zurückgeht. Der Wert setzt sich aus dem physikalischen Leitungswiderstand plus der Summe der chemischen Energie und der elektrischen Energie zusammen, die vom äquivalenten DCIR-Widerstand abgeleitet wird. Im 1701X-System sind zwei Arten von DCIR-Modi integriert, die die DCIR-Werte rasch und präzise über unterschiedliche Einstellungen des Ladestroms und Messungen der präzisen Spannungsänderung mit der Berechnungsformel R= ΔV/ΔI beziehen, um menschliche Rechenfehler zu verringern.

Das eingebaute IEC 62391 (entspricht EIAJ-2377) für Kapazität und DCR-Messungen dienen EDLC-Tests, sodass Benutzer den Standard zur Berechnung der Kapazität und des internen Widerstandswertes ohne Programmierung und Datenberechnung nutzen können. Mehrere Schutzvorrichtungen sind im Chroma 17011 für Testabläufe eingebaut, z. B. Kontakt- und Polaritätsprüfung, um den Schaltkreisstatus vor dem Testbeginn zu überprüfen und auch, um die Sicherheit des Ladens und Entladens zu gewährleisten. Es verfügt über Funktionen zur Erkennung von Überspannung, Überstrom und Schleifenwiderstand, um die Sicherheit des Testablaufs zu gewährleisten. Auch ist ein Mechanismus zur Datenarchivierung vorhanden, um Daten verlustfrei im Speicher aufzubewahren.

Batteriekapazitätsprüfung

Die Kapazität der Batteriezelle wird normalerweise dem Entladestrom und der Zeit fest zugeordnet. Demzufolge kann während der Kapazitätsprüfung der Entladestrom den Test in Bezug auf anhaltende Kapazität beeinträchtigen. Obwohl jede Batterie vom Hersteller spezifiziert ist und in der Regel 0,2C oder 0,3C für die Kapazitätsprüfung verwendet, lädt oder entlädt die dynamische Batterie oft mit einem Wert höher als 0,2C oder 0,3C. Wenn nur die Einstellung der Stromkapazität der Batterie spezifiziert ist, kann dies von der tatsächlichen Kapazität abweichen. Für den praktischen Gebrauch sollte sich beim Batteriezellentest auf die endgültige Lade- und Entladerate der Batterie bezogen werden, um eine genauere Kapazität zu erhalten.

Abbildung 2  Kapazitätsmessung

Batterie-Lebensdauerprüfung

Der Lebensdauertest für das Laden und Entladen der Batterie ist nicht nur für die Strombatterie sondern für alle Batteriezellen unter denselben Testbedingungen erforderlich. Der Test bedient sich im Voraus festgelegter Lade-/Entladebedingungen für die Zyklen der wiederholten Zellentests und bewertet die Zyklen, die für die Batterie vor Erfüllung der Endbedingung durchgeführt wurden. Je mehr Zyklen es gibt, desto länger ist die Lebensdauer der Batteriezelle. Dieselben Prüfbedingungen können zur Prüfung unterschiedlicher Batteriezellen verwendet werden, um die Leistung zu bewerten oder die am besten geeigneten Laden-/Entlade- und Nutzungsbedingungen einzuschätzen.

Abbildung 3  Lebensdauerprüfung

Der Wert des internen Widerstandswertes bezieht sich auf den Lade-/Entladestrom der Strombatterie. Je höher der interne Widerstand ist, desto geringer ist die Effizienz bei einem Temperaturanstieg. Die traditionelle 1-kHz-Messung des LCR-Messgeräts kann nur die plötzliche Leistungsbehinderung der Batterie einschätzen, die von der resistiven Leitfähigkeit nahe Ro (in der Nähe von ACIR) verursacht wird, aber nicht die Verzögerung aufgrund der elektrochemischen Umstellung. Gemäß dem entsprechenden Schaubild in Abbildung 3 beinhaltet die DCIR-Einschätzung den ACIR-Widerstand. Demzufolge sollten alle von Strombatterien verwendeten Zellen einer DCIR-Einschätzung unterzogen werden. Die DCIR-Einschätzung geschieht in Übereinstimmung mit BS EN 61960, sodass diese Testwellenform zur Berechnung des DCIR-Wertes mittels des Strom- und Spannungsunterschieds über zwei unterschiedliche Ladeströme verwendet werden kann.

EDLC-Kapazitäts- und DCIR-Testanwendung

Der EDLC-Test folgt der tatsächlichen Produktanwendung, um die Testbedingungen zu unterteilen. Basierend auf der Kategorie des IEC 62391-Standards gibt es 4 grundlegende EDLC-Produktanwendungen: 1. Speichersicherung; 2) Stromanwendung; 3) Energiespeicher; 4) Transienter Strom. Unterschiedliche Testanwendungen stehen für unterschiedliche Testbedingungen, sodass der Prüfer die geeignete Prüfgerätschaft und den geeigneten Strom mit einem präzisen Prüfgerät auswählen sollte.

Kurve der EDLC-Kapazitätsprüfung

Gemäß dem EDLC-Prüfungsstandard IEC 62391 muss EDLC vor der Kapazitätsprüfung mit Konstantspannung aufgeladen worden sein. Die Kapazitätsprüfung sieht vor, den Konstantstrom über den obigen Entladestrom zu entladen. Man erhält dann 80 % und 40 % der Spannungspunkte von der EDLC-Nennspannung auf der Entladekurve und berechnet dann die EDLC-Kapazität mit dem tatsächlichen Spannungsabfall und der Abstandszeit mit dem Entladestrom.

Kurve der internen EDLC-Widerstandsprüfung (DCIR)

Gemäß dem EDLC-Prüfstandard IEC 62391 müssen dieselben Schritte für die DCIR-Prüfung durchlaufen und die Konstantspannung des EDLCvor der DCIR-Prüfung geladen werden. Die Kapazitätsprüfung sieht vor, den Konstantstrom über den obigen Entladestrom zu entladen. Greifen Sie nach der Entladung auf den linearen Abschnitt auf der Entladekurve zu, erweitern Sie ihn zur Entladezeit, und greifen Sie dann auf den Spannungsunterschied zwischen Nennspannung und Entladestrom zu, um den DCIR-Wert zu berechnen.