Ermittlung der zyklischen Lebensdauer vonAkkumulatoren

Bei privaten und beruflichen Tätigkeiten nimmt der Trend zum Einsatz von kabellosen Geräten immer mehr zu. Der Stellenwert von Energiespeichern (bspw. Lithium-Ionen Akkumulatoren) hat somit in der jüngeren Vergangenheit stark zugenommen. Um die Auswirkungen der Ladezyklen und die entstehende thermische Beanspruchung beim praktischen Einsatz auf die Akkus zu erproben, untersucht das „Labor für Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe“ der Technischen Hochschule Aschaffenburg mit Hilfe automatisierter Batterieprüfstande den Kapazitätsverlust von Lithium-Ionen-Akkumulatoren.

Motivation – Was sagt der Kapazitätsverlust aus?

Seit den 90er Jahren werden Lithium-Ionen-Akkus in vielen Applikationen eingesetzt. Der Einsatzbereich

erstreckt sich vom Laptop-Akku bis hin zur Fahrzeugbatterie. Speziell die 18650 Zelle, die weltweit

eingesetzt wird, bietet eine hohe Energiedichte und lässt sich durch Parallel- und Serienverschaltung

gut zu größeren Akkumodulen erweitern. Trotz der guten Eigenschaften dieser Lithium-Ionen-Zellen

müssen Alterungseffekte in der praktischen Anwendung berücksichtigt werden. Diese Alterungseffekte

machen sich hauptsächlich durch eine schwindende Kapazität für den Anwender bemerkbar. Fällt die

Speicherkapazität eines Akkus unter 80 % zur ursprünglichen Nennkapazität ist das so genannte Lebensende erreicht. Wann dieser Zustand erreicht wird, hängt stark von Anwendungsbedingungen und den eingesetzten Ladeverfahren ab. Ist der Akku hohen Temperaturen ausgesetzt z. B. durch hohe Belastungsströme oder extremen Umgebungstemperaturen im Einsatz, hat dies eine große Auswirkung auf die Alterung der Zellen. Die Prüfung und die Ermittlung der Lebensdauer von Akkumulatoren erfolgt an der TH Aschaffenburg mit automatisierten Batterieprüfständen, die eine praxisnahe Belastung mit konfigurierbaren Strom- und Temperaturprofilen ermöglichen.

Aufbau des Prüfstands

Der Prüfstand besteht aus einem Klimaschrank, in dem der zu prüfende Akkumulator platziert wird. Auf

dem Klimaschrank ist ein bidirektionales Ladegerät angebracht, welches das Laden und Entladen des

Akkus realisiert. Die Belastungsprofile werden über eine freiprogrammierbare Steuerung vorgegeben. Die variablen Parameter können durch den Benutzer über das frontseitige Touch-Display (HMI-Display)

eingegeben werden. Bevor ein Akku geprüft werden kann, muss das Ladegerät zunächst vorgeladen werden, sodass keine unbeabsichtigten Ausgleichsströme über die internen Kondensatoren fließen.

Erste Messungen

Neben den relevanten Größen wie Ladestrom, Ladespannung und Temperatur werden Ladung und

Energie zu jedem Zeitpunkt berechnet und ebenfalls aufgezeichnet. In der Grafik ist erkennbar, dass nach

dem Erhöhen des Ladestroms die Batterietemperatur erneut ansteigt. Ebenso ist erkennbar, dass sich

die Ladedauer durch den höheren Strom fast um die Hälfte der Zeit verkürzt. 

Zur Messung des Stroms wird ein Präzisions-Wandler eingesetzt. Für die Spannungsmessung kommt

ein Spannungsteiler zum Einsatz und die Temperatur wird mit Hilfe eines PT100 Sensors ermittelt.

Exemplarische Messung mit einem Lithium-Ionen-Akku

Ausblick

An der TH Aschaffenburg wurde dieses Prüfsystem entwickelt, welches die Lebensdauer von Akkumulatoren in einer temperierten Umgebung mit definierten Belastungsprofilen prüft. Dieses Prüfsystem ist in der Lage, alle relevanten Daten aufzuzeichnen, um in einer späteren Auswertung eine Alterung beziehungsweise die belastungsabhängigen Eigenschaften von Akkumulatoren mit hoher Präzision zu dokumentieren. Aus den Ergebnissen dieser Langzeituntersuchungen, sollen Optimierungsmaßnahmen abgeleitet werden, um eine größere Lebensdauer in der praktischen Anwendung zu erreichen.

Prof. Dr.-Ing. Johannes Teigelkötter

Julian Sturm, B. Eng.

Technische Hochschule Aschaffenburg

Labor für Leistungselektronik, elektrische Maschinen

und Antriebe

Würzburger Straße 45

64743 Aschaffenburg

06021 4206-809

Johannes.Teigelkoetter@th-ab.de

http://www.ema-ab.de/

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