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Strommessung einzelner Batteriezellen Welcher Strom ist stärker?

17.03.2017

In der Elektromobilität werden Batteriezellen zur Erhöhung der Gesamtkapazität parallel verschaltet. Bedingt durch Parameter wie die Impedanz und die Kapazität teilt sich der Gesamtstrom ungleichmäßig auf die parallelen Zellen auf. Die resultierende Stromverteilung unter dynamischer Belastung ist kaum untersucht. Ein speziell dafür entwickelter Messstand ermöglicht erstmals eine exemplarische Vermessung der Verteilung unter Sinusschwingung.

In der Elektromobilität und bei stationären Energiespeichern werden Batteriesysteme mit einer Vielzahl an einzelnen Batteriezellen eingesetzt. Diese Zellen können parallel oder seriell geschaltet werden, um die Kapazität und die Spannung des Systems zu erhöhen. Beispielsweise besteht das Batteriesystem eines stationären Energiespeichers in Fairbanks in Alaska aus 3.440 seriell und vier parallel geschalteten Nickel-Kadmium-Zellen. In Batteriesystemen werden Batteriezellen desselben Herstellers und Typs eingesetzt. Dennoch unterliegen die Kapazität und die Innenwiderstände der Zellen fertigungstechnischen Toleranzen. Nachweisen konnte das etwa Simon Schuster von der Technischen Universität München (TUM) in einem Beitrag für das Journal of Power Sources. Für diesen untersuchte er 484 neue Lithium-Ionen-Zellen vom Typ IHR-18650A des Herstellers E-One Moli Energy. Bei einem mittleren Innenwiderstand von 71,15 mΩ fand er einen Variationskoeffizienten von 1,94 Prozent. Diese Variation führt in Parallelschaltungen zu einer ungleichen Stromverteilung, was die Alterung des Batteriesystems beschleunigen kann.

Während ihres Betriebs sind Batteriezellen Strömen höherer Frequenz ausgesetzt. Diese Ströme entstehen beispielsweise als Restschwingung von Gleichspannungswandlern. Die Stromverteilung bei hohen Frequenzen ist jedoch schwer zu messen und entsprechend wenig untersucht. Bisherige Arbeiten zu dieser Thematik beschränken sich auf konstante Gesamtströme. Mit steigender Frequenz wächst auch der Einfluss, den die Impedanzen des Messstands auf die Stromverteilung ausüben. Außerdem steigen die Messfehler durch das Tiefpassverhalten der Stromsensoren. Das erschwert die Messung der Stromverteilung bei hohen Frequenzen zusätzlich. Um dennoch präzise Ergebnisse zu erhalten, entwickelten Forscher an der TUM einen speziellen Messstand. Mit ihm lässt sich die Stromverteilung unter Sinusschwingungen bis zu einer Frequenz von 25 kHz präzise und möglichst unbeeinflusst messen.

Aufbau des Messstands

Der Messaufbau besteht aus zwei LTSR-6-NP-Hallsensoren und drei CTSR-0.6-P-Fluxsensoren von LEM und einem 25-mΩ-CSM-Messwiderstand von Vishay, die alle über ein PXI-System ausgelesen werden. Mit diesem Aufbau ist die Stromverteilung zwischen zwei 18650-Batteriezellen bis zu einem Gesamtstrom von 8 A messbar. Jeweils ein Hall- und ein Fluxsensor bestimmen die Strangströme I1 und I2 in unterschiedlichen Messbereichen. Der Messwiderstand bestimmt den Gesamtstrom Iges, der dritte Fluxsensor die Differenz von I1 und I2. Fluxsensoren kennzeichnen sich durch zwei Sekundärwickelungen. Neben den Strömen werden die Batteriespannungen und die Temperatur aufgezeichnet.

Zur Messung der Stromverteilung unter dynamischer Belastung wurde die bestmögliche Abtastrate der Messkarte PXIe-6259 ausgenutzt. Mit acht Messkanälen für Strom und Spannung ist eine Abtastrate von maximal 125 kHz möglich. Sie wird durch Einschwingzeitfehler des Analog-Digital-Wandlers begrenzt, die unter anderem von der externen Beschaltung abhängen. Nach Optimierung der Kanaleinlesereihenfolge und Hinzufügen von zwei Dummy-Kanälen beträgt die Abtastrate 50 kHz pro Messkanal.

Um die Menge der Messdaten unter Sinusschwingungen zu reduzieren, bietet das Programm Labview von National Instruments einen Datenreduktionsmodus mittels Fouriertransformation. In diesem Modus wird das Frequenzspektrum einer Messsekunde berechnet. Anschließend werden die zehn höchsten Amplituden plus Phase abgespeichert. Die Speicherung mehrerer Amplituden pro Messsekunde ermöglicht den Einsatz von Methoden, die spektrale Leck-Effekte reduzieren und Nichtlinearitäten ausschließen.

Impedanzen des Messstands in den Batteriesträngen beeinflussen die Stromverteilung, die sich rein durch die Batteriezellen ergibt. Aus diesem Grund wurden alle zusätzlichen Impedanzen auf ein Minimum reduziert. Durch eine Optimierung der Leiterquerschnitte sowie sorgsames Verlegen der Leiter konnte ein Gleichstromwiderstand von lediglich 0,9 mΩ in einem Batteriestrang erreicht werden.

Bei der Erfassung der Stromverteilung wurden die gemessenen Sensorkennlinien in der Software Measurement & Automation Explorer (MAX) von National Instruments hinterlegt, um Verstärkungsfehler zu reduzieren. Außerdem wurden die Frequenzgänge der Sensoren für sinusförmige Stromsignale vermessen, um deren Tiefpassverhalten zu kompensieren.

Kalibrierung und Messergebnisse

Der Messfehler vor und nach der Kalibrierung ist als Abweichung des wahren Spitzenwertes vom Sensormesswert bei der Bestimmung der Stromamplitude von 700 mA definiert. Hier zeigt sich ein maximaler Fehler von 3 Prozent für beide Strangströme I1 und I2.

Um die Stromverteilung zwischen Lithium-Ionen-Batterien unter Sinusschwingungen im Zeitbereich auszuwerten, wurden zwei der oben erwähnten Batteriezellen vom Typ IHR-18650A parallel geschaltet. Bei einer Frequenz von 19 Hz wies die Zelle im ersten Strang einen reellen Widerstand von 86 mΩ und die Zelle im zweiten Strang einen reellen Widerstand von 81 mΩ auf. Dann wurde exemplarisch die Stromverteilung bei einer Gesamtstromschwingung von 19 Hz gemessen. Bei dieser Messung lag der Spitzenwert des Gesamtstroms Iges bei 411 mA. Der Strangstrom I1 betrug 199 mA, der Strangstrom I2 lag bei 211 mA. Da diese Werte mittels Fouriertransformation berechnet wurden, sind sie von Offset-Fehlern der Sensorik beziehungsweise der Stromquelle bereinigt. Die Vermutung liegt nahe, dass die Stromverteilung den Gesetzen des ohmschen Stromteilers folgt. In diesem Fall würde die Batteriezelle mit dem geringeren Widerstand mit dem größeren Gesamtstromanteil belastet. Diese Vermutung bestätigt sich in den Messdaten.

Bildergalerie

  • Alle im Messstand verwendeten Sensoren werden über ein PXI-System ausgelesen und mittels Labview ausgewertet.

    Bild: Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik, TU München

  • Die gemessene Stromverteilung unter einer 19-Hz-Sinusschwingung bestätigt den vermuteten ohmschen Zusammenhang.

    Bild: Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik, TU München

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