BMS-unabhängige Testsysteme

Batterietemperatur effizient überwachen

8. Juli 2022, 9:30 Uhr | Von Bernard Ang und Brian Whittaker, Keysight Technologies

Die Überwachung der Batterietemperatur kann vor möglichen Defekten warnen und Fehlerquellen schnell eingrenzen. Deshalb ist es gut zu wissen, welche temperaturbedingten Probleme bei Batterien häufig vorkommen und wie Messgeräte zur Entwicklung besserer batteriebetriebener Anwendungen beitragen.

Moderne Produkte, die mit wiederaufladbaren Batterien betrieben werden, verfügen in der Regel über integrierte Sensoren und Schaltkreise für ein Batteriemanagementsystem (BMS). Ein BMS überwacht die Spannung, den Strom und die Temperatur eines Akkusystems, unabhängig davon, ob es sich um eine einzelne Zelle, ein Modul (eine Gruppe von Zellen) oder einen Akkupack (eine Gruppe von Modulen) handelt. Die Überwachung der Spannungen und Ströme, die von den Batterien fließen, reicht in der Regel nicht aus, um den Zustand der Batterie zu bestimmen. Daher überwacht ein BMS die Batteriepacks, um zusätzlich die Betriebstemperatur innerhalb eines optimalen Bereichs zu halten. Eine zu heiße Batterie verliert an Leistung oder versagt. Eine zu kalte Batterie arbeitet aufgrund langsamerer interner elektrochemischer Reaktionen träge, was ihre Leistungsfähigkeit verringert.

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Gängige Probleme bei der Batterietemperatur

Thermisches Ungleichgewicht, Hotspots im Akkupack sowie geringe Leistung und Kapazität sind Bereiche, auf die bei der Überwachung der Batterietemperatur zu achten ist.

➔ Thermisches Ungleichgewicht durch Gebrauch: Bei größeren Anwendungen kommen in der Regel Batteriepacks aus in Reihe und parallel geschalteten Modulen zum Einsatz. Thermische Sensoren, die strategisch über ein Batteriepack verteilt sind, erkennen Temperaturschwankungen. Ein großes thermisches Ungleichgewicht im Batteriepack beginnt in der Regel damit, dass die Lade- und Entladespannungen der Batteriezellen ungleichmäßig sind. Im Laufe der Zeit beschleunigen sich die ungleichmäßigen Schwankungen, wobei einige Zellen überladen oder übermäßig entladen werden, was zu einer unverhältnismäßigen Überhitzung der Batterien führt.
Das Zellbalancing mithilfe eines BMS zum Ausgleich der Spannungen und des Ladezustands (State of Charge, SOC) zwischen den Zellen bei voller Ladung kann das thermische Ungleichgewicht minimieren. Batteriehersteller können auch Chargen von Batteriezellen mit sehr ähnlicher Leerlaufspannung auswählen, um Batteriepacks zu bauen und die SOC-Schwankungen zu minimieren.

Auch das Design der Produktanwendung kann ein thermisches Ungleichgewicht verursachen. So etwa das Kühlsystem von Batteriepacks, das für bestimmte externe Umgebungen nicht effektiv genug ausgelegt ist.

➔ Hotspots in Batteriepacks: Die Überwachung der Batterietemperaturen erleichtert die Erkennung von Hotspots. Je nachdem, wie kritisch die Batterieanwendung ist, reichen manchmal einige wenige Sensoren aus, die strategisch über ein Batteriepack verteilt sind. Bei Anwendungen, die eine besonders zuverlässige Leistung erfordern, wird jedoch an jedem Batteriepack-Modul ein Temperatursensor angebracht. Hotspots treten in der Regel bei schwachen Batteriezellen in einem Batteriepack auf. Schwache Akkuzellen sind anfällig für Überlastungen und verschlechtern sich allmählich. Daher werden sie im Betrieb heißer als normale, gute Zellen, weil sie mit der Leistung guter Zellen nicht mithalten können.

Hotspots können auch auf mögliche Schäden an Batteriezellen oder -modulen hinweisen. Ein physischer Stoß auf das Batteriepack kann die interne Struktur der Batteriezelle, z. B. die Elektroden oder den Polymerseparator, beschädigen oder verformen. Wenn dies geschieht und nicht eingegriffen wird, kann die Batteriezelle beschädigt werden und möglicherweise einen thermischen Durchbruch verursachen. Feuer und Explosionen können die Folge sein. Daher ist es wichtig, Hotspots zu erkennen, die defekten Zellen zu lokalisieren und sie schnell auszutauschen.

Andere Ursachen für Hotspots sind mangelhafte Klemmenanschlüsse, defekte Wärmeableitungskomponenten und externe Kabelkurzschlüsse.

➔ Geringe Akkuleistung und Nutzkapazität: Die Überwachung der Batterietemperaturen kann auch ein proaktiver Closed-Loop-Prozess sein, um die Batteriepacks in den optimalen Lade- und Entladetemperaturbereichen zu halten.

Bei niedrigen Temperaturen sinkt die Batterieleistung aufgrund langsamerer elektrochemischer Reaktionen. Dadurch sinkt die Kapazität der Batterie erheblich, und es kann sogar sein, dass die Batterie nicht mehr funktioniert.
Das größere Problem ist, wenn das Batteriesystem bei Temperaturen betrieben wird, die über den Spezifikationen des Herstellers liegen. Die Lebensdauer der Batterie verschlechtert sich, und schwächere Batterien weichen möglicherweise stärker von den guten ab. Das führt zu thermischem Ungleichgewicht und zu Hotspots.

BMS-unabhängige Messgeräte zur Überwachung

Es gibt viele kommerzielle Batteriemanagementsysteme für alle Arten von Anwendungen – von Geräten für das Internet der Dinge bis hin zu Hochspannungsanwendungen in der Automobilindustrie. Zu den wesentlichen Funktionen gehören Überstromschutz, Überspannungsschutz, Überladeschutz, Übertemperaturschutz, Unterspannungsschutz, Zellbalancing, SOC und Betriebszustand. Es gibt jedoch viele triftige Gründe dafür, BMS-unabhängige Messgeräte zur Überwachung der Batterietemperatur anzuschaffen (Bild 1).

Ein unabhängiges Testvalidierungssystem, wie etwa ein modulares Datenerfassungssystem (DAQ), hilft bei der Validierung der ordnungsgemäßen Leistung des BMS und unterstützt den Entwickler bei der Validierung des gesamten integrierten Systems der Anwendung. Dabei kann es Folgendes leisten:

➔ Mit vielen Arten von Temperatursensoren, wie Thermoelementen, Thermistoren und Widerstandstemperaturfühlern (RTDs), lassen sich genauere Messungen durchführen. Mit Thermistoren oder RTDs sind Temperaturgenauigkeiten von ≤0,1 °C erreichbar.
➔ Der Temperaturmessbereich reicht von –150 bis +1820 °C.
➔ Mehr Punkte messen als die BMS-Implementierung in der Anwendung – dadurch ist sichergestellt, dass das BMS keine wichtigen Stellen auslässt.
➔ Messungen in viel kürzeren Intervallen, ohne die Hardware-Ressourcen des BMS und der Anwendung zu belasten. Das hilft bei der Suche nach der besten Intervalleinstellung für das BMS-Überwachungssystem.
➔ Externe Redundanz für einsatzkritische Anwendungen

Ein weiterer wichtiger Grund für ein vom BMS unabhängiges Testsystem ist die Redundanz für einsatzkritische Anwendungen. Medizinische Geräte beispielsweise, die lebenswichtige Organfunktionen überwachen und steuern, können sich keine ungeplanten Stromunterbrechungen während des Betriebs leisten. Ein weiteres Beispiel sind große Energiespeichersysteme, die wichtige Gebäudefunktionen wie IT, Telekommunikation und medizinische Geräte versorgen. Ein unabhängiges DAQ-System kann hier Folgendes leisten:

➔ Es kann einen unabhängigen Alarm und eine sekundäre Notabschaltung auslösen, um ein Durchbrennen des Batteriesystems oder einen Brand zu verhindern.
➔ Wenn das primäre System nicht funktioniert oder die Kommunikation ausfällt, kann es als Back-up-Überwachungs- und Kontrollsystem dienen.
➔ Vielseitigkeit und Flexibilität zur Erweiterung bei großen Projekten.

Ein DAQ-System ist die beste Wahl als unabhängiges Testgerät zur Temperaturüberwachung, weil es sehr vielseitig ist. Viele moderne DAQ-Systeme verfügen über eingebaute, hochauflösende 6,5-stellige Multimeter. Außerdem sind sie mit verschiedenen Festkörper-, Armature- und Reed-Schalt-Multiplexermodulen ausgestattet, mit denen sich mehr als 100 Kanäle mit Temperaturpunkten überwachen lassen. Dank des integrierten Digitalmultimeters kann das DAQ neben Temperaturen auch andere Signale messen, z. B. Wechsel- und Gleichspannung und -strom, Widerstand und Kapazität.

DAQ-Systeme sind modular aufgebaut und ermöglichen die Erweiterung der Kanäle für die Temperaturüberwachung durch einfaches Hinzufügen von Modulen. Das spart Geld und Entwicklungszeit.

Mechanismen und Auswirkungen von Batterieausfällen
Man kann die Ursache von Batteriefehlern analysieren, indem man sie physisch aufschneidet. Elektrische Messungen bieten jedoch Anzeichen, die helfen können, Ausfälle vorherzusagen, bevor sie auftreten. Eine Ursache für Ausfälle sind Lithiumablagerungen oder Dendritenwachstum an der Anode. Dieses Wachstum entsteht in der Regel durch das Überladen von Batterien über viele Zyklen hinweg, was zu Lithiumablagerungen auf der Anode führt. Mit der Zeit kann dies zu einem elektrischen Kurzschluss zwischen den beiden Batterieelektroden führen. Es ist schwierig, diesen elektrischen Kurzschluss zu beobachten, weil er schnell passiert – in Millisekunden eines Spannungsabfalls. Eine weitere Ursache ist die Degradation der Elektrode, die sich durch Oxidbildung oder Mikrorisse aufgrund von Ermüdungserscheinungen bei den Lade- und Entladezyklen und durch wiederholte chemische Reaktionen des Elektrolyten zeigt. Eine weitere Fehlerquelle ist das Versagen des internen Batterieseparators, das einen elektrischen Kurzschluss verursacht. Ein Separatorversagen kann durch einen physischen Stoß oder eine Punktion einer Batterie oder durch die Einwirkung sehr hoher Temperaturen verursacht werden. Auch ein Materialfehler bei der Herstellung kann ein Versagen verursachen. Alterung und nachlassende Batteriekapazität sind keine schwerwiegenden Fehler, die ein sofortiges Eingreifen erfordern. Dennoch sind diese Faktoren für Anwender von Batterieanwendungen von Bedeutung. Die Messung der Leerlaufspannung selbst ist kein guter Indikator für die Batteriekapazität. Der Innenwiderstand alternder Batterien nimmt mit der Zeit zu, aber man kann nicht aus einer Momentaufnahme der Widerstandsmessung sofort auf eine Kapazitätsverschlechterung schließen. Temperatur, SOC und Entladerate beeinflussen den Innenwiderstand der Batterie. Batterieausfälle sind aufgrund der elektrochemischen Reaktionen und der Tatsache, dass die Batterien physikalischen Variablen wie Temperatur und mechanischer Belastung ausgesetzt sind, komplex. Ein weiterer Faktor ist die Art der Aufladung. Daher kann ein einzelnes Batterietestgerät keine endgültige Diagnoselösung für Batterieausfälle bieten. Je nach Anwendung, Stromverbrauch, Kapazität und Produktionszyklus (F&E, Konformitätsprüfung oder Produktion) stehen jedoch Lösungen für verschiedene Anforderungen zur Verfügung.

Mechanismen und Auswirkungen von Batterieausfällen

Man kann die Ursache von Batteriefehlern analysieren, indem man sie physisch aufschneidet. Elektrische Messungen bieten jedoch Anzeichen, die helfen können, Ausfälle vorherzusagen, bevor sie auftreten.

Eine Ursache für Ausfälle sind Lithiumablagerungen oder Dendritenwachstum an der Anode. Dieses Wachstum entsteht in der Regel durch das Überladen von Batterien über viele Zyklen hinweg, was zu Lithiumablagerungen auf der Anode führt. Mit der Zeit kann dies zu einem elektrischen Kurzschluss zwischen den beiden Batterieelektroden führen. Es ist schwierig, diesen elektrischen Kurzschluss zu beobachten, weil er schnell passiert – in Millisekunden eines Spannungsabfalls.

Eine weitere Ursache ist die Degradation der Elektrode, die sich durch Oxidbildung oder Mikrorisse aufgrund von Ermüdungserscheinungen bei den Lade- und Entladezyklen und durch wiederholte chemische Reaktionen des Elektrolyten zeigt.

Eine weitere Fehlerquelle ist das Versagen des internen Batterieseparators, das einen elektrischen Kurzschluss verursacht. Ein Separatorversagen kann durch einen physischen Stoß oder eine Punktion einer Batterie oder durch die Einwirkung sehr hoher Temperaturen verursacht werden. Auch ein Materialfehler bei der Herstellung kann ein Versagen verursachen.

Alterung und nachlassende Batteriekapazität sind keine schwerwiegenden Fehler, die ein sofortiges Eingreifen erfordern. Dennoch sind diese Faktoren für Anwender von Batterieanwendungen von Bedeutung. Die Messung der Leerlaufspannung selbst ist kein guter Indikator für die Batteriekapazität. Der Innenwiderstand alternder Batterien nimmt mit der Zeit zu, aber man kann nicht aus einer Momentaufnahme der Widerstandsmessung sofort auf eine Kapazitätsverschlechterung schließen.
Temperatur, SOC und Entladerate beeinflussen den Innenwiderstand der Batterie.
Batterieausfälle sind aufgrund der elektrochemischen Reaktionen und der Tatsache, dass die Batterien physikalischen Variablen wie Temperatur und mechanischer Belastung ausgesetzt sind, komplex. Ein weiterer Faktor ist die Art der Aufladung. Daher kann ein einzelnes Batterietestgerät keine endgültige Diagnoselösung für Batterieausfälle bieten.

Je nach Anwendung, Stromverbrauch, Kapazität und Produktionszyklus (F&E, Konformitätsprüfung oder Produktion) stehen jedoch Lösungen für verschiedene Anforderungen zur Verfügung.