Batterietest Simulation und Test unterschiedlichster Batterie- und Akkukonzepte

Eine schnelle und sichere Beurteilung des Zustands von Bleibatterien ermöglichen die mobilen Prüfgeräte der Serie »CelltronAdvantage« von Midtronics.
Eine schnelle und sichere Beurteilung des Zustands von Bleibatterien ermöglichen die mobilen Prüfgeräte der Serie »CelltronAdvantage« von Midtronics.

Forschungsinstitute und Industrieunternehmen arbeiten intensiv an neuen Möglichkeiten, langlebige, effiziente und sichere Batterien zu entwickeln. Maßgeblichen Anteil hat dabei die Mess- und Prüftechnik. Wir haben einige der aktuellsten Entwicklungen aus diesem Bereich für Sie zusammengestellt.

Batterieentwickler in der Automobil- und Zulieferindustrie könnten künftig von den neuen Simulationsmodellen und -tools des Fraunhofer IWES profitieren. Die zur diesjährigen IAA vorgestellte Software ISET-LIB bzw. ISET-LAB simuliert alle relevanten physikalischen und elektrochemischen Vorgänge in Li-Ionen- und Blei-Batterien unter verschiedenen Betriebsbedingungen. Als Grundlage dienen konstruktive Daten sowie charakteristische Parameter der Zellchemie, wodurch nahezu beliebige Bauformen nachgebildet werden können, ohne aufwändige Messreihen zur Parametrierung durchführen zu müssen. Hierdurch lassen sich auch unterschiedliche Alterungszustände modellieren, sofern die entsprechenden physikalisch-chemischen Veränderungen bekannt sind. Unabhängig davon ermöglicht dieser Ansatz einen detaillierten Einblick in den Zustand und in die inneren Vorgänge einer Li-Ionen-Batterie, was speziell für die Entwicklung neuer Zellkonzepte und Batteriemanagementsysteme große Vorteile bietet. So können beispielsweise Zustandserkennungsalgorithmen effektiv getestet und weiterentwickelt werden.

Das Modell bildet das hochgradig nichtlineare Verhalten einer Li-Ionen-Batterie auf Zellebene nach und erreicht somit eine hohe Simulationsgenauigkeit über den gesamten Betriebsbereich. Als Eingangsgrößen dienen neben dem Anfangszustand auch die Temperatur sowie das Strom- oder Spannungsprofil an den Batterieklemmen. Die Verbindung mehrerer Zellen zu einem Pack mit den entsprechenden Wechselwirkungen auf thermischer und elektrischer Ebene ist ebenfalls möglich.

ISET-LIB ist als S-Function für den Einsatz unter Matlab/Simulink lieferbar, eine Implementierung für weitere Simulationsumgebungen ist auf Anfrage möglich. Das Softwarepaket verfügt über eine grafische Benutzeroberfläche zur Parametrierung, Initialisierung und Auswertung von Simulationen. Hier können neben dem Klemmenverhalten und der Temperaturentwicklung auf einfache Weise alle inneren Vorgänge und Zustände angezeigt und analysiert werden.

Eine Echtzeitvariante für den Einsatz in allen gängigen Hardware-in-the-Loop-Plattformen ist ebenfalls verfügbar. In Verbindung mit einer geeigneten Stromversorgung ist so beispielsweise der Bau virtueller Batterien (Batterieemulatoren) möglich, die das Klemmenverhalten realer Batterien präzise nachbilden.

Zustandsanalyse für Bleibatterien

Bleibatterien sind bei weitem keine Auslaufmodelle. Sowohl in den klassischen Anwendungen in USV-Systemen, als auch im wachsenden Bereich der Energiespeicherung kommen Bleibatterien in allen Varianten zum Einsatz. Einen schnellen und detaillierten Überblick über den Zustand solcher Bleibatterien ermöglichen nun die mobilen Prüfgeräte der Serie »CelltronAdvantage« von Midtronics mit Batteriediagnose-Funktionen. Die bei Elektronik-Kontor Messtechnik erhältliche Serie besteht aus drei Geräten. Alle Modelle ermöglichen die Innenwiderstandsmessung (Leitwertmessung) sowie die Spannungs- und Temperaturmessung für jeden Batterieblock. Ergänzende Funktionen sind Multimeter-Messungen und das Testen von Starterbatterien für Generatoren. Darüber hinaus unterstützen sie auch den klassischen Kapazitätstest, dabei werden regelmäßig die abfallenden Spannungswerte von bis zu 999 Blöcken als Datenlogger erfasst. Alle Funktionen sind nachträglich aufrüstbar. Die Datenübertragung erfolgt per USB-Anschluss. Die Software »CelltraqExpress« ermöglicht die Verwaltung, Speicherung und Dokumentation der über Jahre gesammelten Informationen an zentraler Stelle.

FuelCon: Prüfstand für Zink-Luft-Batterien

Im Hinblick auf das Thema Elektromobilität erfreut sich auch die Zink-Luft-Batterie eines zunehmenden Interesses. Vor allem die hohe Energiedichte, die Wiederaufladbarkeit sowie die geringen Rohstoffkosten machen diese Batterietechnologie attraktiv für die Industrie. Noch fehlt es bei der Zink-Luft-Batterie allerdings an geeigneten Entwicklungen, um die Speicherung größerer Energiemengen zu realisieren. Um die Forschung und Entwicklung bei der Lösung aktueller materialwissenschaftlicher und technischer Herausforderungen zu unterstützen, hat die FuelCon AG einen Prüfstand für die speziellen Anforderungen von Zink-Luft-Batterien entwickelt. Der Teststand der Reihe »Evaluator« ermöglicht Materialcharakterisierungen und Lebensdauertests in einem Leistungsbereich bis 5 kW.

Die neuartige Verfahrenstechnik ermöglicht eine Ausstattung des Prüfstandes mit mehreren Behältern für flüssige Elektrolyte. Damit ist es bei der Durchführung von Lebensdauertests möglich, die Zinkpaste entweder innerhalb eines Behälters oder zwischen zwei Behältern zu zirkulieren. Um eine konstante Konzentration zu gewährleisten, werden die Tanks kontinuierlich mit Stickstoff gespült. Alle kritischen Prüfstandskomponenten wie Ventile, Rohrleitungen und Sensoren sowie die Behälter des Prüfstandes sind komplett aus Kunststoff (PFA, PVDF, PTFE) gefertigt, was eine Zerstörung der Komponenten durch die aggressiven Medien verhindert. Vielfältige Sicherheitsfunktionen zum Schutz von Personen, Prüfling und Laboreinrichtung komplettieren das Evaluator-Testsystem. Neben der SPS-Steuerung gehören dazu beispielsweise geschlossene Prüffächer sowie integrierte Belüftungssysteme einschließlich Gaswarnsensorik.