Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄): Eine vielversprechende Batterietechnologie

Dies sind meine ersten Messungen im Bereich der Energiespeicherung und haben mein Interesse an Lithium-Eisenphosphatzellen geweckt.

In diesem Abschnitt erkläre ich, wie ich messe, welche Parameter ich dabei erfasst habe und welche ersten Ergebnisse ich erzielt habe. Diese Messungen dienen als Grundlage für alle weiteren Untersuchungen und bieten einen wichtigen Ausgangspunkt für meine zukünftige Forschung.

Leitfaden

Ansteuerung Quelle RND 320-KWR103

Bei der Quelle stellen wir die Spannungs- und Strombegrenzung über die dafür vorgesehenen Tasten zur Auswahl und den Drehknopf zur Feinjustierung ein. Obwohl die Quelle noch weitere Funktionen bietet, beschränke ich mich in diesem Fall auf die für die Messung relevanten Einstellungen.

Ein wichtiges Feature, das wir näher betrachten, sind die Sense-Kanäle der Quelle. Diese können zugeschaltet werden, um präzise Spannungsmessungen direkt an der Last sicherzustellen.

Der Ausgang der Quelle lässt sich einfach über den Ein-/Aus-Knopf aktivieren oder deaktivieren, um den Messvorgang zu starten oder zu unterbrechen.

Die Quelle weist folgende Spezifikationen auf:

  • Maximale Spannung: 60 V
  • Maximale Stromstärke: 15 A
  • Maximale Leistung: 300 W

Steuerung der elektronischen Quelle über ein Terminalprogramm

Die elektronische Last lässt sich am einfachsten über ein Terminalprogramm steuern. Ich habe dafür HTerm verwendet, das kostenlos im Internet verfügbar ist. Auf der Rückseite des Geräts befindet sich eine USB-A-zu-USB-B-Schnittstelle, mit der wir die Last mit unserem Laptop oder PC verbinden können.

Nach dem Start von HTerm verbinden wir uns mit dem richtigen COM-Port und senden die entsprechenden Befehle. Wichtig:

  • Stellen Sie die Baudrate auf 115200 ein.
  • Aktivieren Sie CR (Carriage Return) und LF (Line Feed), da sonst die Befehle nicht korrekt übertragen werden können.

Ansteuerung Senke RND 320-KEL103

Wir haben die Senke verwendet, um Batterietestmuster zu erstellen und unsere Zelle unter verschiedenen Anforderungen zu entladen. Dabei wurden unterschiedliche Spannung- und Stromkombinationen genutzt, um die Leistung der Zelle in verschiedenen Szenarien zu überprüfen.

Die Senke weist folgende Spezifikationen auf:

  • Maximale Spannung: 120 V
  • Maximale Stromstärke: 30 A
  • Maximale Leistung: 300 W

Steuerung der elektronischen Last über ein Terminalprogramm

Die elektronische Last lässt sich am einfachsten über ein Terminalprogramm steuern. Ich habe dafür HTerm verwendet, das kostenlos im Internet verfügbar ist. Auf der Rückseite des Geräts befindet sich eine USB-A-zu-USB-B-Schnittstelle, mit der wir die Last mit unserem Laptop oder PC verbinden können.

Nach dem Start von HTerm verbinden wir uns mit dem richtigen COM-Port und senden die entsprechenden Befehle. Wichtig:

  • Stellen Sie die Baudrate auf 115200 ein.
  • Aktivieren Sie CR (Carriage Return) und LF (Line Feed), da sonst die Befehle nicht korrekt übertragen werden können.

Erstellung eines Batterietestmusters

Um ein Batterietestmuster zu erstellen, können Sie die Anleitung nutzen. Ich habe den Prozess jedoch Schritt für Schritt mit Fotos ergänzt, um die Umsetzung zu erleichtern.

In diesem Beispiel erstellen wir das Batterietestmuster 7 mit den folgenden Parametern:

  • Strombereich: 30 Ampere
  • Entladestrom: 1,4 Ampere (1C-Entladerate)
  • Abbruchkriterien:
    • Entladeschlussspannung: 2,8 Volt
    • Kapazitätsgrenze: 1,5 Ah
    • Zeitgrenze: 100 Minuten

Nach der Konfiguration rufen wir das Testmuster 7 auf und schalten den Ausgang frei, um die Messung zu starten.

Viel Erfolg bei der Umsetzung!

Graphtec midiLogger GL840 M

Unterstützung der Messung durch den Datenlogger

Der Datenlogger unterstützt die Messung, indem er die Zellenspannung erfasst und somit Informationen über die tatsächlich an der Zelle anliegende Spannung liefert. Im Vergleich zur Klemmenspannung zeigt er zudem, wie viel Spannung über die Leitungen abfällt.

Die Bedienung des Datenloggers ist benutzerfreundlich gestaltet:

  1. Über das Menü wählen wir den gewünschten Channel aus.
  2. Anschließend legen wir die zu messende Größe fest – in diesem Fall die Spannung im 5-Volt-Bereich mit einer Abtastrate von 1 Messung pro Sekunde.
  3. Die Aufzeichnung starten wir über den Start-Knopf unten rechts.

Nachdem alle Einstellungen vorgenommen wurden, verbinden wir die +– und –-Pole des Datenloggers mit den entsprechenden Polen der Zelle. Die aufgezeichneten Daten werden entweder direkt auf einer SD-Karte gespeichert oder können über eine USB-Schnittstelle mit der passenden Software ausgelesen werden.

In meinem Fall hat die Software leider nicht funktioniert, weshalb ich die Daten manuell über die SD-Karte exportieren musste.

Messaufbau

Nachdem alle Vorbereitungen abgeschlossen sind, kann die eigentliche Messung beginnen. Links sehen Sie meinen ersten Versuch einer Teststation – nach dem Beheben des Kabelsalats entstand schließlich die endgültige Messstation, die rechts abgebildet ist.

Ein besonders wichtiger Punkt beim Aufbau und Abbau der Station ist, darauf zu achten, keinen Kurzschluss mit den Leitungen der Batteriezelle zu verursachen. Halten Sie die Kabel während der Arbeit stets möglichst voneinander getrennt und in sicherem Abstand.

Lithium-Eisenphosphat-Zelle IFR18650

Messungen und Auswertung der IFR18650-Zelle

In meinen Tests habe ich eine Vielzahl von Messungen durchgeführt. Die zu beachtenden Parameter konnte ich dem Datenblatt der IFR18650-Zelle entnehmen:

  • Maximaler Ladestrom: 1,4 Ampere
  • Maximaler Entladestrom: 3C (4,2 Ampere)
  • Ladeschlussspannung und Entladeschlussspannung wurden ebenfalls aus dem Datenblatt übernommen.

Für die Messungen habe ich die Zelle mit 0,1C, 0,5C und 1C geladen und entladen. Dabei wurden sowohl Strom als auch Spannung kontinuierlich erfasst.

Die gewonnenen Daten habe ich analysiert und daraus Graphen für Ladung, Energie und Leistung erstellt. Diese wurden mithilfe von MATLAB geplottet, um eine präzise Auswertung zu ermöglichen.

Ladekurven

Entladekurven

Auswertung Leistung, Energie und Ladung

Optimierter Messaufbau

Da über die Leitungen ein Spannungsabfall entsteht, nutzen wir den Sense-Port der Quelle für eine präzisere Spannungsmessung. Über diesen schließen wir zwei zusätzliche Leitungen direkt an die Zelle an. Dadurch wird der Spannungsabfall über die Leitungen kompensiert, indem die Quelle effektiv mehr Spannung ausgibt, um die gewünschte Zellenspannung zu erreichen. Diese Funktion habe ich bei den Messungen mit 0,5C und 0,1C aktiviert.

Aktivierung der Sense-Funktion:
Die Sense-Funktion wird durch längeres Drücken des OCP-Knopfs aktiviert. Sobald ein Klicken zu hören ist und ein kleiner Punkt in der unteren rechten Ecke der Spannungsbegrenzung erscheint, ist die Funktion eingeschaltet.

Wichtig:
Beim Abbau muss die Sense-Funktion manuell deaktiviert werden, indem der OCP-Knopf erneut gedrückt und gehalten wird. Wird dies vergessen, kann die Quelle versuchen, unendlich hoch zu regeln, was zu einer Beschädigung führt. Daher ist Vorsicht geboten!

In diesem Bild haben wir die angegebene Klemmenspannung der Senke mit der tatsächlichen Zellenspannung verglichen.

Vergleich des Spannungsabfalls zwischen Klemmspannung und Zellspannung

Hier lässt sich der Unterschied deutlich erkennen: Der Spannungsabfall von ca. 30 mV wird durch die Sense-Funktion vollständig kompensiert. Bei kleineren Lade- oder Entladeströmen fällt der Spannungsabfall erwartungsgemäß geringer aus, bleibt jedoch messbar. Die Ergebnisse zeigen, wie effektiv die Sense-Funktion den Einfluss der Leitungsverluste ausgleicht – ein beachtlicher Vorteil für präzise Messungen.

Auswertung

Diese Kurven sind besonders spannend: Sie zeigen, dass bei einer geringeren C-Rate sowohl mehr Ladung entnommen als auch effizienter geladen werden kann. Dies wirkt sich positiv auf die Lebensdauer der Zelle und den Gesamtwirkungsgrad aus.

Allerdings steht man hier vor einer Abwägung: Wie viel Zeit bin ich bereit zu investieren, und welche Anforderungen müssen erfüllt werden? Je nach Anwendung ist ein Kompromiss zwischen Ladezeit und Effizienz entscheidend.

Fahrprofil

Ich habe ein Fahrprofil mit der Senke simuliert, um zu analysieren, wie sich die Zellspannung unter verschiedenen Lastprofilen verhält.

Über ein Python-Programm steuerte ich die verschiedenen frei wählbaren Batterietestmuster an und programmierte die Stromstärke, die Pulsdauer sowie die Pausen zwischen den Impulsen.

Fazit

Das Thema Lithium-Eisenphosphat-Zellen war für mich der erste Schritt, um das Verhalten von Zellen besser zu verstehen. Besonders spannend finde ich die Erkenntnis, dass der SoC (State of Charge), also der Ladezustand einer Zelle, nicht direkt bestimmt werden kann, ohne die Ladehistorie der Zelle zu kennen. Man kann den Ladezustand nur grob abschätzen, basierend auf einer Reihe von Lade- und Entladezyklen.

Meine Motivation ist es, eine kostengünstige, nutzerfreundliche und für jeden zugängliche Lösung zu entwickeln, mit der der Ladezustand einer Zelle direkt und präzise bestimmt werden kann.