Alterung und Ladezustand von Li-Ionen-Zellen Wann ist der Akku alt?

Mit der steigenden Nachfrage nach vor allem großformatigen Lithium-Ionen-Zellen wächst der Bedarf an ebenso präziser wie kontinuierlicher Überwachung des Gesundheits- und Ladezustands der Akkus. Im Rahmen eines geförderten Projekts entsteht das Konzept für eine Messmethode, die den Prüfling auf Herz und Nieren unter die Lupe nimmt.

Mobilität stellt ein Grundbedürfnis moderner Gesellschaften dar. Besonders im Bereich der E- Mobilität wurden in den letzten Jahren bedeutende Initiativen gestartet, unter anderem verstärkt auf regionaler Ebene. Zu diesen Regionen gehört neben anderen auch das Einzugsgebiet der Initiative »Interreg IV«, welche durch den europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert wird. Im Rahmen dieser Interreg-IV-Initiative arbeiten Partner aus Südtirol, Kärnten und Veneto in enger Kollaboration am gemeinsamen Projekt »Akku4Future«. Ziel dieses Projekts ist ein umfassendes Konzept für ein Gerät, mit dem sich der Zustand von Akkumulatoren diagnostizieren lässt. Dabei sind das erarbeitete Wissen beziehungszeise eventuelle Prototypen frei verfügbar, interessierte Firmen können die entwickelten Ideen also aufgreifen und weiterführen. Um die Verbreitung der Ergebnisse möglichst effizient zu gestalten, werden in das Projekt die lokalen Entwicklungsagenturen und Inkubatoren miteinbezogen.

Das Projekt dient auch als Vorarbeit in zwei Bereichen, die in Zukunft stark an Bedeutung gewinnen werden: das Recycling von Altbatterien und -akkumulatoren sowie die Konzeptionierung und der Betrieb von stationären Energiespeicheranlagen. Hier ist zu erwarten, dass vor allem mittelgroße Anlagen verstärkt auf Akkumulatortechnologien basieren werden.

Solche kostenintensiven Anlagen müssen zunehmend diagnostisch überwacht werden. Ziel ist hier unter anderem das Erfassen des Akkumulatorzustands, des Lade- und Entladeverhaltens sowie des Kapazitäts- und Speicherzustands. Basierend darauf lässt sich eine präventive Wartungsplanung für den Austausch beschädigter Zellen, die Temperaturüberwachung und anderer lebensdauerverlängernder Maßnahmen umsetzen.

Ausgefeilte Messungen

Mit dem hier vorgestellten Konzept sollen sich die untersuchten Prüflinge in möglichst kurzer Zeit systematisch und vollständig charakterisieren lassen. Dazu werden parallele Tests bei unterschiedlichen Temperaturen, Lade- und Entladeströmen durchgeführt. Im Projekt kommen ausschließlich Lithium-Ionen-Akkus vom Typ »ICR18650-22P« des Herstellers Samsung [3] mit Graphit-Anode und einer Kathode aus Li(NiMnCo)1/3O2 zum Einsatz. Diese chemische Zusammensetzung kombiniert die Alleinstellungsmerkmale anderer komplexer Anoden: eine hohe Kapazität, ein gutes Hochstromverhalten und ein gutes Preis/Leistungsverhältnis. Nicht zuletzt aus diesen Gründen greifen Hersteller von Elektrofahrzeugen vermehrt auf diesen Akkutyp zurück] [4].

Um die Zellen vollständig zu charakterisieren, laufen eine ganze Reihe unterschiedlicher Messvorgänge ab. Zunächst wird die tatsächliche Kapazität des Prüflings bei einer definierten Temperatur bestimmt. Dazu lädt das System die Zelle zunächst mit dem vom Hersteller empfohlenen Ladeprotokoll (CC-CV). Um eine maximale Ladung des Prüflings sicherzustellen, wird der Akku nach einer definierten Wartezeit von acht Stunden erneut geladen. Diese Schritte werden dreimal wiederholt, dann gilt die Zelle als voll geladen. Die anschließende Entladung erfolgt mit einem konstanten Strom innerhalb der Herstellerangaben (0,2 C), bis die Abschaltbedingung (UKL = 2,75 V) erreicht ist. Auch hier stellt die wiederholte dreimalige Tiefentladung nach einer Pausenzeit (8 h) eine vollständige Entladung sicher.

Um von der Klemmenspannung auf den aktuellen Ladezustand (State of Charge, SOC) schließen zu können, wird der Zusammenhang zwischen Leerlaufspannung und definierter Ladung systematisch untersucht. Dazu erfolgt zunächst eine vollständige Ladung des Prüflings bei einer festgelegten Temperatur, im Anschluss dann eine Entladung mit 29 genau definierten Ladungspaketen. Zwischen den einzelnen Entladungen wird die Klemmenspannung kontinuierlich gemessen. Die tatsächliche Leerlaufspannung stellt sich erst nach sehr langen Pausenzeiten von bis zu 24 h ein [5, 6]. Die dafür benötigte Zeit ist allerdings eine Funktion des Ladezustands, je geringer die verbleibende Ladung umso länger die benötigte Pausenzeit. Im Projekt hat sich eine Pausenzeit zwischen 24 h (SOC = 0%) und 8 h (SOC = 100%), mit einer quadratischen Interpolation dazwischen, als guter Kompromiss erwiesen. Um die Datenmenge handhabbar zu halten, kommt während der Pausenzeit eine variable Abtastrate zur Anwendung.

Die dynamische Charakterisierung der Zellen erfolgt durch das gepulste Entladen- bzw. Laden (Bild 2). Dabei wird die Klemmenspannung kontinuierlich gemessen. Auch hier versucht das Team, die anfallende Datenmenge möglichst zu beschränken. Deshalb geht die Messung kurz vor dem Impuls bis kurz nach dem Impuls mit einer hohen Abtastrate vonstatten, anschließend geht diese dann linear zurück, da auch die zeitliche Änderung der Klemmenspannung als Funktion der Zeit abnimmt. Diese Messungen werden bei unterschiedlichen Temperaturen mit verschiedenen Entlade- und Ladeströmen wiederholt.

Um die bei Lithiumzellen besonders langsame Degradation der Zellen zu quantifizieren, ermittelt der Algorithmus die stetige Abnahme der Zellkapazität als Funktion der Zykluszahl für verschiedene Temperaturen und Ströme. Dazu werden die Zellen kontinuierlich geladen bzw. entladen. Um den zeitlichen Aufwand zu begrenzen, laufen diese Versuche in sechs identischen Messaufbauten parallel ab. Für die Konzeption der Gesamtmessungen kommt die Software »Cornerstone 5.3« von camLine zum Einsatz.

Insgesamt decken 16 Messungen die Umgebungstemperaturen von -10 °C bis +60 °C sowie Entladeströme bis 4,7 C und Ladeströme bis 1 C ab. Eine Verschachtelung der beiden letztgenannten Messungen (Impulsmessungen und Zyklusmessungen) macht den gesamten Messvorgang noch effizienter. In der Praxis wird die Zelle mit den beschriebenen Randbedingungen zyklisch geladen und entladen. Nach jeweils 25 Zyklen erfolgt eine gepulste Ladung bzw. Entladung.

Sämtliche Messungen laufen mit DAQ-Messequipment von National Instruments (NI-USB 6341) und der Software »LabView« ab. Die Auswertung der Daten erfolgt mit Matlab von MathWorks.

Auf der Basis der Messwerte wollen die Entwickler die dynamischen Batterieparameter ermitteln. Ziel ist die Bestimmung der Batterieparameter als Funktion der Stromstärke, des Ladezustands, der Temperatur und der Alterung. Dazu bilden 14 verschiedene Ersatzschaltbilder das elektrische Verhalten der Zellen nach. Diese Modelle decken das gesamte Spektrum ab, vom trivialen »RINT«-Modell bis hin zu modifizierten »Randless«-Modellen. Letztere beruhen unter anderem auf RC-Kreisen, »Zarc«-Elementen und Warburg-Impedanzen (Bild 1). Mit den Modellen sollen typische chemische Effekte, z.B. der Ladungsdurchtritt, Diffusion und andere untersucht werden. Die abgebildeten Modelle beschreiben mit unterschiedlicher Komplexität jeweils den Innenwiderstand, das Kurzzeitverhalten und die Diffusion.

Die nächsten Schritte

Bisher hat das Team den nötigen Messaufbau vollständig implementiert und erste zuverlässige und belastbare Daten geliefert. Auch die Ersatzschaltbilder sind bereits in Matlab mit dem entsprechenden Optimierungsalgorithmus imple-mentiert, dabei hängt die benötigte Rechenzeit bzw. die Parametrierung der Modelle sehr stark vom verwendeten Modell ab.

Eines der Projektziele ist es, das Modell oder eine Kombination von Modellen zu wählen, mit denen sich bei möglichst geringem Rechenaufwand die bestmöglichen Ergebnisse erreichen lassen. Auf das Verfahren der elektrischen Impedanzspektroskopie verzichten die Entwickler dabei bewusst, denn das System, soll bei möglichst geringen Kosten eine größtmögliche Zuverlässigkeit garantieren. Dazu soll der erarbeitete Parametrierungs-Algorithmus zusammen mit der nötigen Messhardware in einem ersten Prototypen getestet werden. Dabei setzt das Team auf offene Plattformen wie »Raspberry Pi« und »Arduino«, um die erarbeiteten Konzepte für die weitere auch kommerzielle Entwicklung interessant zu machen.

Über die Autoren:

Florian Niedermayr arbeitet am Fraunhofer Innovation Engineering Center (IEC) in Italien und Alexander Elbe forscht an der Fachhochschule Kärnten.