Die Innenimpedanz spiegelt die Qualität und Leistung einer Batterie über ihre gesamte Lebensdauer wider. Eine Batterie mit höherer Innenimpedanz ist weniger effizient und anfälliger für vorzeitigen Ausfall. Hohe Innenimpedanz erzeugt im Betrieb überschüssige Wärme, die bei einem thermischen Durchgehen der Batterie zu einem Sicherheitsrisiko werden kann. Die Messung der Innenimpedanz vor der Verwendung ist eine gute Methode, um potenziell gefährdete Zellen zu identifizieren. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Innenimpedanz zu charakterisieren, wobei jede Methode einen etwas anderen Aspekt der Leistungsfähigkeit beschreibt.
Eine Methode ist die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS). Bei diesem Test wird ein Wechselstromsignal über ein breites Frequenzspektrum an die Batterie angelegt und deren Reaktion gemessen. Dieser Test kann zeitaufwändig sein, liefert aber das umfassendste Bild des Impedanzverhaltens innerhalb der Batterie.
Die am weitesten verbreitete Methode ist die Wechselstrom-Innenwiderstandsmessung (ACIR). Da es sich um eine Wechselstromtechnik handelt, charakterisiert sie die Impedanz, wobei typischerweise nur der Realteil, also der Widerstand, gemessen wird. ACIR ist eine Teilmenge des EIS-Verfahrens, bei dem die Messung bei einer einzigen Frequenz, üblicherweise 1 kHz, durchgeführt wird. Dadurch wird das Kleinsignalverhalten charakterisiert, was ein guter Indikator für die Batteriequalität ist und deutlich schneller als das vollständige EIS-Verfahren abläuft. Diese Zeitersparnis macht sie zu einem beliebten Testverfahren in Produktionsumgebungen, wo jede Batterie bestimmte Spezifikationen erfüllen muss.
Die letzte Methode ist die Gleichstrom-Innenwiderstandsmessung (DCIR), die auch als Impulscharakterisierung bezeichnet werden kann. Bei dieser Methode werden nur ohmsche Bauteile gemessen, da die Batterie als ideal durch eine Leerlaufspannung und einen Serienwiderstand repräsentiert angenommen wird, wie in Abbildung 2 dargestellt:
Batteriemodell mit internem Gleichstromwiderstand
Abbildung 2: DCIR-Batteriemodell
An die Batterie wird für eine bestimmte Zeit Gleichstrom angelegt, die Änderung der Batteriespannung wird gemessen und der Widerstand berechnet. Abbildung 3 zeigt ein Diagramm, das diesen Vorgang veranschaulicht.
Diagramme der Gleichspannung und des Gleichstroms des Innenwiderstands der Batterie
Abbildung 3: DCIR-Messroutine
Die im DCIR-Verfahren verwendeten Ströme sind typischerweise deutlich höher als die im ACIR-Verfahren. Dadurch ist es ein realistischerer Test für Anwendungsfälle, da Batterien häufig hohen, plötzlichen Strömen ausgesetzt sind. Der Innenwiderstand der Batterie begrenzt ihre Fähigkeit, hohe Ströme zu liefern. Daher ist es wichtig, Batterien zu identifizieren, die unter Hochstrombedingungen nicht funktionieren. Idealerweise verfügt man über ein Messgerät, das Hochstromimpulse liefern und gleichzeitig synchronisierte Spannungsmessungen durchführen kann. Source-Measure-Units (SMUs) wie das Keithley 2461 können präzise 10-A-Impulse liefern und die resultierende Spannung mit einer Auflösung von 6,5 Stellen messen. Diese SMUs verfügen über einen Test Script Processor (TSP®), mit dem Anwender eine vollständige DCIR-Impulssequenz ausführen und die berechneten Daten über die DCIR-TSP-Anwendung auf dem Bedienfeld abrufen können.
DCIR-Testaufbau und -ergebnisse auf einem Keithley 2461 Grafik-Touchscreen-SMU
Abbildung 4: DCIR-Testaufbau und -ergebnisse auf einem Keithley 2461 Grafik-Touchscreen-SMU
Die Innenimpedanz einer Batterie ist ein wichtiger Indikator für ihre Qualität und Leistungsfähigkeit über ihre gesamte Lebensdauer. Es gibt drei Methoden zur Messung der Impedanz bzw. des Widerstands einer Batterie, die jeweils leicht unterschiedliche Informationen liefern. Das Verständnis dieser Methoden hilft Ihnen sicherzustellen, dass Sie die benötigten und erwarteten Informationen erhalten.
