Panasonic / Ritsumeikan University Elektrochemische Impedanz vielzelliger Li-Ionen-Akkus messen

Eine neue Messmethode der TU Wien verspricht eine höhere Kapazität von Li-Io-Akkus.

Um die elektrochemische Impedanzspektroskopie zu ersetzen, hat Panasonic gemeinsam mit Professor Fukui von der Ritsumeikan University eine Batterie-Management-Technologie entwickelt, mit der sich die elektrochemische Impedanz von mehrfach gestapelten Li-Ionen-Akkus messen lässt.

Aktuelle Anwendungen von Li-Ionen-Akkus breiten sich in den Bereichen Industrie und Mobilität immer mehr aus. In gleichem Maße gewinnen die Wiederverwendung und das Recycling an Bedeutung. Doch dafür ist es notwendig, deren Restzyklenzahl zu bestimmen.

Der bislang übliche Weg ist die elektrochemische Impedanzspektroskopie. Diese erfordert jedoch ein spezielles Messgerät und eine große Klimakammer, um die Temperatur der Akkus konstant zu halten. Denn die elektrochemische Impedanz von Li-Ionen-Akkus ist sehr temperaturempfindlich. Außerdem ist es notwendig, jede einzelne Zelle im Labor zu messen. Im realen Betrieb im Feld lässt sich die elektrochemische Impedanz von Akkumodulen also nicht stabil messen, da sich die Umgebungstemperatur schnell ändern kann.

Mit der Batterie-Management-Technologie, die Panasonic gemeinsam mit Professor Masahiro Fukui von der Ritsumeikan University entwickelt hat, lässt sich die elektrochemische Impedanz nach dem Wechselstrom-Erregungsverfahren für gestapelte Lithium-Ionen-Akkus, die fest in Geräten eingebaut sind, bestimmen. Darüber hinaus zielt diese Technologie darauf ab, mithilfe einer Alterungsdiagnose und Fehlerschätzung, die auf der Analyse der erfassten Messdaten basiert, die Restzyklenzahl des Akkus zu bestimmen. Panasonic entwickelte dafür einen speziellen BMS-Baustein (Battery Management System), einen Messalgorithmus und eine Software, während die Universität die Leistungsfähigkeit der Lösung mit realen Batterien bewertete.

Konventionelle BMS-Bausteine messen die jeweilige Batteriespannung von sechs bis 14 in Reihe geschalteten Lithium-Ionen-Zellen. Durch Einsatz mehrerer solcher ICs erfasst das BMS die Spannungswerte von bis zu 200 in Reihe geschalteten Zellen, überwacht den Gesamt-Akku und gewährleistet die Betriebssicherheit. Darüber hinaus berechnet das BMS die verbleibende Fahrstrecke und die nutzbare Zeit, indem es den Ladezustand (State of Charge, SOC) und den Gesundheitszustand (State of Health, SOH) abschätzt.

Der BMS-Testchip von Panasonic verfügt neben diesen konventionellen Funktionen auch über die Möglichkeit, die elektrochemische Impedanz nach dem Wechselstrom-Erregungsverfahren zu messen. Diese Messung erfolgt durch 15 komplett parallele A/D-Wandler und eine Erregerschaltung mit Impulsmodulation von 0,1 Hz bis 5 kHz sowie eine im Baustein integrierte Schaltung, mit der sich komplexe Spannungen und komplexe Ströme umrechnen lassen. Somit kann der BMS-Chip die elektrochemische Impedanz eines Akkus im Betrieb messen, ohne die Konfiguration des im Akku installierten aktuellen BMS signifikant verändern zu müssen.

Um den Gesundheitszustand zu bestimmen, wird das Cole-Cole-Diagramm der komplexen elektrochemischen Impedanz aufgenommen. Die Ritsumeikan University verwendete zylindrische Lithium-Ionen-Akkuzellen mit dem BMS-Chip und eine von Panasonic entwickelte Messsoftware. Damit konnte bestätigt werden, dass das Cole-Cole-Diagramm im Frequenzbereich von 1 Hz bis 5 kHz mit der gleichen Genauigkeit aufgenommen werden kann wie das in der Industrie verwendete Standardmessgerät.

Um die Temperaturabhängigkeit auszugeichen, haben die Ritsumeikan University und Panasonic eine Temperaturkompensation entwickelt. Dazu wird während der Impedanzmessung auch Temperatur der Lithium-Ionen-Zellen mit aufgenommen. Dadurch lässt sich die Impedanz zu der bei Standardtemperatur korrigieren und auf das Cole-Cole-Diagramm zurückführen. Dadurch lassen sich diese Diagramme, die auf die Standardtemperatur in der Datenbank normiert sind, akkumulieren, selbst wenn die Umgebungstemperatur variiert.