Elektromobilität Temperatur von Batterien und Akkus testen und überwachen

Von Bernard Ang*

Batterien und Akkus reagieren empfindlich auf Temperaturschwankungen. Deshalb müssen ihre Temperatur während der gesamten Produktlebenszeit überwacht werden. Hier helfen spezielle Testsysteme.

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Batterie- und Akkutemperatur: Mit dem richtigen Werkzeug lässt sich der wichtige Parameter Termperatur testen und überwachen.
Batterie- und Akkutemperatur: Mit dem richtigen Werkzeug lässt sich der wichtige Parameter Termperatur testen und überwachen.
(Bild: Keysight Technologies)

Die moderne Welt mit ihren mobilen elektronischen Geräten ist ohne Batterien und Akkus nicht mehr denkbar. Batterien und Akkus dienen zudem immer mehr als Backup-Systeme für Notstrom-Aggregate in großen Gebäudekomplexen sowie für die kritische Infrastruktur. Außerdem werden in Elektrofahrzeugen große kaskadierte Batteriepacks verwendet, um die erforderliche Energie für die geforderte Leistung bereitzustellen.

Batteriepacks benötigen die erforderliche spezifische Leistung, gemessen in W/kg, um genügend Strom für die Fahrleistung des Elektrofahrzeugs abgeben zu können. Sie benötigen außerdem die erforderliche spezifische Energie (Wh/kg), um eine längere Laufzeit oder Reichweite zu erreichen.

Warum die Batterietemperatur überwacht werden sollte

Die meisten wiederaufladbaren Akkus verwenden heute Lithium-Ionen und haben einen Betriebsbereich zwischen 15 und 35 °C, in dem sie ihre volle Leistung und Kapazität entfalten.

  • Wenn die Batterie oder Akku bei einer Umgebungstemperatur unter 15 °C betrieben wird, kann es zu trägen elektrochemischen Reaktionen innerhalb des Akkus kommen, was zu einer geringeren Leistung und einer reduzierten Ladekapazität führt.
  • Wenn die Akkus oder das Akkupack bei einer Umgebungstemperatur von über 35 °C betrieben wird, beschleunigt sich der Alterungsprozess im Laufe der Zeit. Damit sinkt die Laufzeit des Akkus. Außerdem kommt es zu einer ungleichmäßigen Alterung aufgrund von Temperaturgradienten, einem höheren Sicherheitsrisiko und höheren Lebenszykluskosten. Bei extrem hohen Temperaturen versagen die Akkus, laufen aus, können brennen oder sogar Explosionen verursachen.

Bild 1: 
Das Leistungsdiagramm zeigt die Leistungs­grenzen einer Batterie oder eines Akkupacks über den definierten Temperaturbereich.
Bild 1: 
Das Leistungsdiagramm zeigt die Leistungs­grenzen einer Batterie oder eines Akkupacks über den definierten Temperaturbereich.
(Bild: Kandler Smith, NREL NREL Milestone Report, 2008)

Das Leistungsdiagramm in Bild 1 zeigt die Leistungsgrenzen von Lithium-Ionen-Akkuzellen, -modulen oder -packs über den Temperaturbereich. Zwischen 15 und 35 °C liegt der optimale Betriebstemperaturbereich, in dem die Batterien ihre volle Leistung erreichen. Dieser Temperaturbereich ist auch der effizienteste, zuverlässigste und sicherste Bereich für den Batteriebetrieb.

Ein Datenerfassungssystem überwacht die Temperatur

Bild 2: Labortestaufbau für den Test des Produktbatteriesystems unter Verwendung eines DAQ, 
einer DC-Stromversorgung und einer elektronischen DC-Last.
Bild 2: Labortestaufbau für den Test des Produktbatteriesystems unter Verwendung eines DAQ, 
einer DC-Stromversorgung und einer elektronischen DC-Last.
(Bild: Keysight Technologies)

Ein Datenerfassungssystem (DAQ) ist eines der vielseitigsten Messgeräte, um die Temperatur eines einzelnen Objekts oder mehrerer Objekte zu messen. Ein DAQ-System überwacht die Temperatur an mehreren Stellen im Akkusystem.

In der Regel werden zunächst funktionale Design-Blöcke unabhängig voneinander getestet. Anschließend testet man subintegrierte Design-Blöcke in der Phase des Produktdesigns und der Entwicklung. Die Prüfung von Akkupacks und -systemen im Labor erfolgt während eines frühen Produktdesign-Zyklus unter Verwendung mehrerer gängiger F&E-Labormessgeräte.

Ein DAQ-System kann verwendet werden, um die Temperatur an mehreren Punkten im Batteriesystem eines Produkts zu überwachen, das Batteriesystem mit einer Gleichstromversorgung zu laden und eine elektronische Gleichstromlast zum Entladen des Batteriesystems zu verwenden.

Bild 2 zeigt einen üblichen Laboraufbau mit einem DAQ-System. Wer eine bidirektionale DC-Stromversorgung besitzt, die Strom sowohl aufnehmen als auch abgeben kann, kann die separate DC-Stromversorgung und die elektronische DC-Last durch eine bidirektionale DC-Stromversorgung ersetzen.

Bild 3: Grafische Oberfläche der PC-Datenerfassungssoftware Keysight PathWave BenchVue.
Bild 3: Grafische Oberfläche der PC-Datenerfassungssoftware Keysight PathWave BenchVue.
(Bild: Keysight Technologies)

Bild 3 zeigt ein Beispiel für eine PC-basierte Datenerfassungssoftware, welche die DAQ-Hardware ergänzt und die Produktivität steigert. Mit einer solchen Datenerfassungssoftware können Tests schnell eingerichtet und ausgeführt werden, sodass schneller Ergebnisse vorliegen.

Einige PC-Datenanwendungssoftware ermöglicht die grafische Erstellung automatisierter Tests und verkürzt die Testentwicklungszeit erheblich. Die Software ermöglicht im Wesentlichen grafisch die intuitive Einstellung von Messgeräten, die Sequenzierung von Messungen und die Interaktion mit mehreren Messgeräten, um bei der Erstellung eines eigenen, vollständig automatisierten Tests zu helfen.

Ein spezielles Batterietestsystem überwacht die Temperatur

Das Beispiel in Bild 3 zeigt eine PC-basierte Datenerfassungssoftware, die es ermöglicht:

  • Batteriemanagementsysteme zu testen, indem die Ladequellen variiert und die elektronische Last entladen wird, während die Temperatur und das Verhalten des Batteriesystems überwacht werden,
  • Temperaturmessungen an mehreren Punkten durchzuführen, um Temperaturschwankungen von Zelle zu Zelle zu bewerten und
  • Alarm-Trigger festzulegen, um Temperatur, Spannungen oder Ströme zu überwachen, wenn sie über oder unter den zulässigen Grenzwerten liegen.

Für die schnelle Fehlersuche und die Überprüfung des Designs von Batteriesystemen sind Labormessgeräten gut geeignet. Für umfassende und zuverlässige Batterietests zur Einhaltung von Normen und Konformitätstests sollte jedoch ein spezielles Batterietestsystem verwendet werden, das mit einer spezialisierten, zentral gesteuerten Batterietestsoftware ausgestattet ist.

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Ein spezielles und gut unterstütztes Testsystem für Batterien und Akkus ist erforderlich, um zuverlässige und präzise das Batteriesystem zu testen. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um Zellen, Module oder Akkupacks handelt.

Bild 4: Batterietestsystem aus der Keysight-Serie Scienlab SL100XA.
Bild 4: Batterietestsystem aus der Keysight-Serie Scienlab SL100XA.
(Bild: Keysight Technologies)

Ein gutes Testsystem für Batterien und Akkus kann kundenspezifische Leistungs-, Funktions-, Alterungs- und Umwelttests durchführen. Bild 4 zeigt ein Beispiel für ein spezielles Testsystem, das von individuellen Einzellösungen bis hin zu voll integrierten Testsystemen und gebrauchsfertigen Testlabors skalierbar ist. Das Batteriepack-Testsystem ist beispielsweise skalierbar bis 1.000 V, ±2.400 A und ±360 kW.

Skalierbarkeit ist ein sehr wichtiger Faktor für den Schutz der Investitionen in Testhardware. Das Batterietestsystem muss außerdem flexibel sein und sich für verschiedene Energiespeicheranwendungen eignen, beispielsweise für den Kraftfahrzeugverkehr, die Industrie und andere große Einsatzgebiete.

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Worauf es bei einem Testsystem ankommt

Ein gutes Testsystem verfügt über integrierte Testumgebungen für den Prüfling, wie Temperatur- und Klimakammern, Konditionierung des Prüflings und standardisierte Kontaktierungssysteme zur einfachen Integration. Wichtig sind integrierte Sicherheitsmechanismen.

Sie helfen, potenziell gefährliche Situationen zu vermeiden. Eine zentrale Software für das Testsystem ist auch für die Steuerung einzelner oder mehrerer voll integrierter Batterietestsysteme für Zellen, Module und Packs unerlässlich. Eine gute webbasierte Software für ein zentrales Batterietestsystem sollte:

  • alle Komponenten in der Testumgebung steuern und kontrollieren,
  • die Testabläufe mit vordefinierten Standardtests anpassen können,
  • Testmessungen mit Datenaufzeichnung und Zeitstempel für synchrone Analysen und
  • Leistungsvisualisierungen von Messdaten bereitstellen.

Die Software des zentralen Batterietestsystems sollte Validierungstests ermöglichen und alle standardkonformen Tests erfüllen. Dazu gehören zum Beispiel ISO (International Organization for Standardization), DIN EN (Deutsches Institut für Normung European Standards) und SAE (Society of Automotive Engineers).

Während der gesamten Produktlebenszeit des Batterie- und Akkusystems muss man die Temperatur des Systems überwachen. In den frühen Phasen des Produktlebenszyklus können Entwickler ihre System-Designs für Batterie und Akku mit Messgeräten wie einem DAQ zusammen mit einer stromliefernden und stromsenkenden DC-Stromversorgung überprüfen und validieren.

Während der Charakterisierungs- und Qualifizierungsphasen des Produktlebenszyklus hilft eine spezialisierte Testlösung, um umfassend, zuverlässig und in der Stückzahl skalierbar zu testen.

* Bernard Ang ist Produktvermarkter für Datenerfassungssysteme, Funktionsgeneratoren und Digitalmultimeter bei Keysight Technologies.

(ID:48089597)