Untersuchung eines Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄) - Batteriesystems
Ich habe ein Batteriesystem erhalten, das aus einer Vielzahl von Batterieblöcken besteht. Jeder dieser Blöcke wird nun einzeln durchgemessen, um die verbleibende Leistungsfähigkeit zu ermitteln. Dabei wird überprüft, wie viel Energie noch in den einzelnen Blöcken verfügbar ist und inwiefern sie ihre ursprüngliche Kapazität beibehalten haben. Diese Messungen helfen dabei, den Zustand jedes einzelnen Blocks genau zu bestimmen und mögliche Schwächen oder Abweichungen von der erwarteten Leistung zu identifizieren. Ziel der Untersuchung ist es, die Effizienz des gesamten Systems zu bewerten und festzustellen, welche Blöcke noch optimal arbeiten und welche möglicherweise ersetzt oder optimiert werden müssen.
Table of Contents
Bestandsaufnahme
Wir haben hier ein Batteriesystem, das aus 8 Batterieblöcken besteht, die in Reihe geschaltet sind. Durch diese Reihenschaltung addieren sich die Spannungen der einzelnen Blöcke, während die Kapazität des Systems unverändert bleibt. Jeder Batterieblock hat seine eigene Spannung und Kapazität, wobei die Gesamtsystemspannung die Summe der Spannungen der einzelnen Blöcke darstellt.
Erste Zerlegung des Systems und Spannungsmessung
Ich habe die Verbindungsstücke der Batterieblöcke entfernt und anschließend die Spannung gemessen. Dabei stellte sich heraus, dass Batterieblock 5 bereits tiefenentladen war.
Vorsicht bei aufgeblähten Zellen
Wenn Batteriezellen aufgebläht sind, ist dies ein ernstes Warnsignal und deutet auf ein Problem mit der Batterie hin. Das Aufblähen einer Zelle kann durch verschiedene Ursachen entstehen, meist im Zusammenhang mit einer chemischen Reaktion im Inneren der Zelle, die Gase produziert.
Der Batterieblock 5 muss nun fachgerecht entsorgt werden und ist für die weitere Messung nicht mehr relevant.
Kennwerte des Batteriesystems
Die 7 Batterien sind in Reihe geschaltet, wobei sich die Spannungen der einzelnen Batterien addieren. Die Spannungen der Batterien 1 bis 7 betragen jeweils:
- Batterie 1: 3.337 V
- Batterie 2: 3.336 V
- Batterie 3: 3.339 V
- Batterie 4: 3.338 V
- Batterie 5: 0.005 V (wird entsorgt)
- Batterie 6: 3.337 V
- Batterie 7: 3.339 V
- Batterie 8: 3.336 V
Die Gesamtsystemspannung ergibt sich durch die Addition der einzelnen Spannungen:
$$
U_{\text{ges}} = 3.337 \, \text{V} + 3.336 \, \text{V} + 3.339 \, \text{V} + 3.338 \, \text{V} + 3.337 \, \text{V} + 3.339 \, \text{V} + 3.336 \, \text{V} = 23.222 \, \text{V}
$$
Jede Batterie hat eine Kapazität von 60 Ah, was bedeutet, dass das gesamte Batteriesystem eine Kapazität von 60 Ah behält, da die Kapazität bei einer Reihenschaltung konstant bleibt.
Berechnung der Energie des Systems
Zuerst wird die Kapazität des Systems in Amperestunden (Ah) in Ampere-Sekunden (As) umgerechnet. Da 1 Ah gleich 3600 As entspricht, ergibt sich für das 60 Ah Batteriesystem die Berechnung:
$$
\text{Kapazität in As} = 60 \, \text{Ah} \times 3600 \, \frac{\text{As}}{\text{Ah}} = 216000 \, \text{As}
$$
Nun multiplizieren wir die 216000 As mit der Systemspannung von 23.222 V:
$$
\text{Energie in Ws} = 216000 \, \text{As} \times 23.222 \, \text{V} = 5016192 \, \text{Ws}
$$
Schließlich teilen wir die Wattsekunden (Ws) durch 3.6 Millionen, um die Energie in Kilowattstunden (kWh) zu erhalten:
$$
\text{Energie in kWh} = \frac{5016192 \, \text{Ws}}{3600000} = 1.39 \, \text{kWh}
$$
Ergebnis:
Das Batteriesystem mit einer Kapazität von 60 Ah und einer Spannung von 23.222 V kann insgesamt 1.39 kWh Energie liefern.
Datenblatt TSWB-LYP60AHA
Messaufbau
Für meine Messungen verwende ich folgende Lade- und Entladeparameter:
- Ladung: Mit einem konstanten Strom von 12 A (0.2C) bis zur Ladeschlussspannung von 3.6 Volt.
- Entladung:
- Mit 120 A (2C),
- Mit 60 A (1C),
- Mit 30 A (0.5C),
- Mit 15 A (0.25C),
- Mit 6 A (0.1C),
jeweils bis zur Entladeschlussspannung von 2.7 Volt.
Wie wurde gemessen?
Besonders bei langen Messungen empfiehlt es sich, sehr kurze Kabel zu verwenden, um den Spannungsabfall zu minimieren. Andernfalls könnte es beispielsweise bei einer Entladung mit 0,5C dazu kommen, dass die Entladeschlussspannung zu früh erreicht wird, da die Batteriespannung bei hoher Belastung schnell einbricht.
Zudem lag die Umgebungstemperatur bei etwa 16 Grad Celsius, was ebenfalls Einfluss auf die Messungen hatte.
Ladekurven
In diesem Beispiel konnte die Batterie zuvor nicht vollständig entladen werden, weshalb ein Offset auftrat. Darüber hinaus wurde der Ladeprozess vorzeitig abgebrochen, wobei noch ein Reststrom von 1,5 A floss. Allgemein habe ich die Messung immer bei etwa 100 mA beendet.
Entladekurven
Auf diesem Diagramm sind die Entladungskurven bei 0,1C, 0,25C und 0,5C zu sehen, die mit optimierten Messkabeln aufgenommen wurden. Der Spannungsknick bei Batterie 5 trat auf, weil ich während der Messung die Schrauben der Batterie fester gezogen habe.
Hier sieht man einen klaren Vergleich zur vorherigen Messung. Diese Entladung mit 0,5C wurde mit den langen Kabeln durchgeführt. Bei Batterie 1 brach die Spannung sofort zusammen. Bei Batterie 2 und 3 musste ich sie zuvor mit 1 Ampere vollständig aufladen, bis eine weitere Aufladung nicht mehr möglich war. Erst dann konnte ich Strom entnehmen. Auch hier wird deutlich, dass die Zellen auf diese Weise nicht vollständig belastet werden können. Die korrekte Verwendung passender Messleitungen macht einen erheblichen Unterschied.
Pulsmessung
Ich habe mithilfe der Batteriepacks 1 und 2 eine Pulsmessung durchgeführt. Dabei wurde mit Batteriepack 1 eine Pulsladung und mit Batteriepack 2 eine Pulsentladung durchgeführt.
Pulsladungsparameter
Die Pulsladung wurde mit einem Impulsstrom von 0,2C, also 12A, durchgeführt. Die Pulsladung erfolgte so, dass immer 1% SOC (State of Charge) geladen wurde, was einer Kapazität von 0,6Ah entspricht. Die Impulsdauer wurde wie folgt berechnet:
$$
\text{Impulsdauer (s)} = \frac{\text{Kapazität (Ah)}}{\text{Strom (A)}} \times 3600
$$
Einsetzen der Werte:
\[
\text{Impulsdauer (s)} = \frac{0.6}{12} \times 3600 = 180 \, \text{s}
\]
Das bedeutet, dass jeder Ladeimpuls 180 Sekunden dauerte. Nach jedem Ladeimpuls wurde eine Ruhephase von 30 Minuten eingelegt, um die Ruhespannungskennlinie aufzuzeichnen. Sobald die Ladeschlussspannung von 3,6 V erreicht wurde, erfolgte die vollständige Ladung im Konstantspannungsmodus ohne Pulsbelastung.
Pulsentladungsparameter
Bei der Pulsentladung wurde ebenfalls jeweils 1% SOC (0,6Ah) entnommen. Auch hier wurde nach jedem Impuls eine Ruhephase von 30 Minuten eingehalten. Die Entladung wurde so lange durchgeführt, bis die Entladeschlussspannung von 2,7 V erreicht wurde.
Hintergrund der Messung
Wir führen eine Pulsung der Batterie durch, um sie vom statischen in den dynamischen Zustand zu überführen. Dabei beobachten wir, dass die Spannung während der Ladung sprunghaft ansteigt. Nach dem Ende des Impulses sinkt die Spannung ab, und sobald die dynamischen Prozesse abgeklungen sind, erreichen wir erneut die Ruhespannungskennlinie.
Die Ruhespannungskennlinie liefert wichtige Informationen über den Ladezustand der Batterie. Für die Messung wurde eine Ruhezeit von 30 Minuten eingehalten. Optional kann die Ruhezeit verlängert werden, um noch aussagekräftigere Ergebnisse zu erzielen. Jede Ruhezeit nach einem Impuls dient als Referenzpunkt – Stützstelle – zur präziseren Bestimmung der Ruhespannungskennlinie.
Warum macht man das?
Es gibt zwei verschiedene Methoden, um die Ruhespannungskennlinie einer Batterie zu erfassen: Die erste Methode besteht im schrittweisen Ent- bzw. Aufladen der Batterie, wobei zwischen den einzelnen Schritten Pausen eingelegt werden. Bei der zweiten Methode werden die Spannungsverläufe einer Konstantstrom-Ladung und -Entladung mit gleicher Stromstärke gemittelt, um die Ruhespannungskennlinie zu bestimmen.
Spannungsverlauf der gesamten Pulsmessung
Auf dem Graphen ist der zeitliche Verlauf der Klemmenspannung beider Batteriepacks zusammengefasst dargestellt. Der erste Verlauf zeigt die Pulsentladung, während die zweite Hälfte die Pulsladung beschreibt. Insgesamt dauerte die Messung etwa 85 Stunden.
Strom- und Spannungsverlauf
Wie bereits erwähnt, laden und entladen wir die Zelle nicht mit einem konstanten Strom, sondern pulsen mit einem Strom von 12 A. Dieser Verlauf kann in den folgenden Bildern zur Pulsladung und -entladung betrachtet werden.
Der Verlauf der Ladung/Entladung über die Zeit sieht dann wie folgt aus:
Der Knick am Ende der Pulsladung entsteht dadurch, dass wir nach Erreichen der Ladeschlussspannung nicht mehr pulsen, sondern mit einem konstanten Strom weiterladen.
Ergebnisse der Pulsmessung
Ich habe die Klemmenspannung über den SOC für jeweils die Pulsladung und -entladung geplottet. Die Entladungskurve wurde dabei gespiegelt.
Ich habe als Vergleich zusätzlich die Kennlinien für die 0,05C-Ladung und -Entladung als Referenz hinzugefügt.
Bestimmung der Ruhespannungskennlinie
Ich habe nun mithilfe von MATLAB jeweils die Ruhespannungskennlinien bestimmt.
Hier nochmals die berechnete Kennlinie zusammen mit der Pulsmessung.
Gesundheitszustand des Batteriepacks
Während meiner Messung fiel auf, dass von der angegebenen Kapazität von 60 Ah nur maximal 54 Ah geladen oder entladen werden können. Daraus ergibt sich der State of Health (SOH) der Batterie, der sich aus dem Verhältnis von 54 Ah zu 60 Ah berechnen lässt. Der State of Charge (SOC) bezieht sich in diesem Fall auf den relativen SOC-Wert, der sich auf die maximal verfügbare Kapazität von 54 Ah bezieht. Absolut betrachtet kann die Batterie jedoch nur bis zu einem 90% SOC geladen werden. Ab einem SOH von 80% gilt die Batterie als deutlich gealtert. Für die grafische Darstellung habe ich den SOC von 100% mit einer Kapazität von 54 Ah angenommen.
Widerstandskurve
Aus der Lade- und Entladekurve lässt sich die Widerstandskurve bestimmen, indem die Differenz der Spannungen durch das Doppelte des Strombetrags geteilt wird.
