Kurzfassung

Eins der größten Entwicklung der Automobilindustrie in den nächsten Jahrzehnten ist die Elektrifizierung des Antriebsstrangs. Für eine möglichst schnelle Adaption dieser neuen Technologie ist es entscheidend, dass sich die Reichweite und die Ladezeiten von Elektrofahrzeugen den Eigenschaften von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren annähern. Dies motiviert die stetig wachsenden Anstrengungen in der Forschung und Entwicklung von Batteriezellen mit höherer Leistungsdichte, sowie effizienter und leistungsstarker Ladetechnologie. Aufgrund von Sicherheits- und Leistungsanforderungen fundiert diese Entwicklung auf tiefgreifenden Test, um die Funktionalität sicherzustellen und die Eigenschaften zu optimieren. Dieser Vortrag zeigt die Herausforderungen bei diesen Tests auf und präsentiert Lösungen für skalierbare Testlabore.

Einleitung

Zusammen mit der Automatisierung des Fahrvorgangs bildet die Elektrifizierung des Antriebsstrangs den Wegzeiger der zukünftigen Entwicklung der Automobilindustrie. Trotzdem scheint diese Technologie aktuell noch nicht im breiten Markt angekommen zu sein. Bei einer Umfrage [1] gaben die Befragten an, dass die Hauptgründe, die gegen eine Anschaffung eines Elektrofahrzeuges sprechen, zum einen der Anschaffungspreis und zum anderen die Verfügbarkeit von Lademöglichkeiten sein. Automobilhersteller, die sich durch Forschung und Entwicklung in diesen Themen einen Vorsprung erarbeiten, gewinnen deshalb einen signifikanten Vorteil gegenüber der Konkurrenz. Bestrebungen, die Kosten zu senken, fokussieren sich deshalb auf die Optimierung der Batterieproduktion sowie der Entwicklung von Batterien mit stetig steigender Energiedichte. Seit 2013 bis heute hat sich der durchschnittliche Preis pro Kilowattstunde an Batteriekapazität um fast ein Fünftel reduziert [2].

2. Batterietests

Diese Menge an produzierten Batteriezellen stellt die Industrie jedoch vor Herausforderungen. Zum einen darf das Vertrauen der Konsumenten nicht durch Sicherheitsrisiken verloren werden, die durch mögliche Fehlproduktion entstehen. Zum anderen unterliegen die produzieren Zellen gewissen Qualitätsschwankungen und müssen auf ihre Eigenschaften überprüft werden. Diese Umstände sowie die stetig steigenden Bemühungen in der Forschung sorgen für eine stetig ansteigende Nachfrage an Testsystemen von Batterien.
Einen Ansatz bieten Dauerlauftests, bei denen die Batterien über mehrere Wochen mit Fahrprofilen beaufschlagt werden, die eine Belastung nachbilden sollen, die im Einsatz in einem Fahrzeug über mehrere Jahre auftreten. Darunter zählen sowohl standardisierte Testzyklen wie der „World-wide Harmonised Light Vehicles Test Procedure“ (WLTP), der als Basis für die Reichweitenbestimmung herangezogen wird, zuvor aufgenommene reale Fahrprofile als auch synthetisierte Lasten, die dazu dienen, Grenzfälle zu untersuchen.
Diese Tests bieten jedoch nur eine quantitative Aussage über die Leistungspotenziale stichprobenartig ausgewählter Batterien während des Alterungsprozesses. Um Angaben über die technischen Eigenschaften zu erhalten und somit Aussagen über die chemische und technische Qualität der Batterie treffen zu können, benötigt es jedoch einer nicht destruktiven Methode, die das elektrische Verhalten der Batterien untersucht.

3. Elektrochemische Impedanzspektroskopie

Die Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist eine nicht destruktive Methode zur Vermessung der elektrischen Eigenschaften einer Batterie, um Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung schließen zu können [4].
Kleine Wechselstromsignale werden dabei in die Batterie eingeprägt, um aus den Strom- und Spannungsmessungen die komplexe Impedanz über einen vorgegebenen Frequenzbereich zu bestimmen. Solange nur vollständige Perioden verwendet werden, ändert sich der Ladezustand nicht.
 

Zur visuellen Darstellung dieser Impedanz bieten sich Nyquist-Diagramme an. Hierbei werden die Impedanz Werte der vermessenen Frequenzen auf der komplexen Ebene mit Real- und Imaginärteil aufgetragen (siehe Bild 4).

In diesen Darstellungen sind die elektrischen Eigenschaften der Batterie in den relevanten Frequenzbereichen ersichtlich. Zudem lassen sich daraus sieben (in dieser Kurzfassung nicht weiter erläuterte) Kenngrößen aus der Zellchemie herleiten [5] und somit Aussagen über die Funktionalität und Qualität der Batterie treffen, ohne diese Batterie öffnen und somit zerstören zu müssen. Keysight bietet mit seinen Batterie-Testsystemen Lösungen für jede Integrationsstufe an. Von der Zell- (< 6 V) über die Modul- (< 120 V) bis hin zur Pack-Ebene (< 1000 V) können Batterien getestet und die EIS durchgeführt werden.

4. Zusammenfassung

Der Elektrofahrzeug-Markt unterliegt stetiger Innovation, dessen neue Technologien durch Tests abgesichert werden muss. Zudem besteht das Potenzial, diese Entwicklung durch moderne Testmethoden zu beschleunigen. Die vorgestellte Elektrochemische Impedanzspektroskopie bietet hier einen wertvollen Ansatz nicht-destruktiv Batterien zu untersuchen und diese Ergebnisse zu interpretieren.

5. Literatur

[1] M. Singer, „The Barriers to Acceptance of Plug-in Electric Vehicles: 2017 Update,“ National Renewable Energy Laboratory, 2017.
[2] BloombergNEF, „Battery Pack Prices Cited Below $100/kWh for the First Time in 2020, While Market Average Sits at $137/kWh,“ BloombergNEF, 2020.
[3] L. Mathieu und C. Mattea, „From dirty oil to clean batteries,“ Transport & Environment, Brussels, 2021.
[4] A. Lasia, Electrochemical Impedance Spectroscopy and its Applications, New York: Springer-Verlag, 2014.
[5] M. Kasper, F. Kienberger und A. Popov, „Advanced Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) for Battery Testing,“ Keysight Technologies, USA, 2021.