Der Standardtest zur Bestimmung der Pulsleistungsdichte verwendet kontrollierte SOC-Punkte, kurze Pulse mit hohem Strom sowie präzise Spannungsmessungen, um die maximale Entlade- und Ladefähigkeit einer Batterie zu bestimmen. Ein typisches Verfahren lädt die Lithium-Ionen-Batterie zunächst mithilfe einer CC-CV-Regelung vollständig auf, lässt sie bei kontrollierter Temperatur ruhen und testet sie anschließend bei SOC-Werten von 90 % bis 40 %. Bei jedem Wert legt das Prüfgerät einen 10-sekündigen Entladepuls, einen Ladepuls und einen kontrollierten Entladeschritt an, während Strom und Klemmenspannung mit hoher Abtastrate aufgezeichnet werden.
Der Test bestimmt die maximale Pulsleistung und den Gleichstrom-Innenwiderstand unter reproduzierbaren SOC- und Temperaturbedingungen. Die gemessene Spitzenleistung muss anschließend durch die Batteriemasse oder das Batterievolumen normiert werden, um die Leistungsdichte anzugeben, während Spannungs- und Stromgrenzwerte den zulässigen Betriebsbereich festlegen.
Was der Test misst
Maximale Entlade- und Ladeleistung
Während jedes Pulses wird die momentane elektrische Leistung wie folgt berechnet:
[ P(t) = U(t) \times I(t) ]
wobei (U(t)) die Klemmenspannung im geschlossenen Stromkreis und (I(t)) der Pulsstrom ist.
Das beschriebene Verfahren bewertet die Spitzenleistung anhand der Spannung und des Stroms, die 0,1 Sekunden nach Beginn des Pulses gemessen werden. Diese frühe Messung erfasst einen Betriebszustand mit hoher Leistung und reduziert gleichzeitig den Einfluss langsamer thermischer und elektrochemischer Effekte.
Gleichstrom-Innenwiderstand
Die Pulsantwort ermöglicht außerdem eine Schätzung des Gleichstrom-Innenwiderstands:
[ R_{\mathrm{DC}} = \frac{\Delta U}{\Delta I} ]
Ein größerer Spannungsabfall bei einer bestimmten Stromänderung weist auf einen höheren Innenwiderstand und eine geringere Leistungsfähigkeit hin.
Der Widerstandswert hängt vom Messzeitintervall ab. Ein unmittelbar nach Beginn des Pulses berechneter Widerstand unterscheidet sich von einem Widerstand, der nach mehreren Sekunden berechnet wird. Daher muss der Prüfbericht die verwendete Zeitkonvention angeben.
Leistungsdichte
Die gemessene Spitzenleistung wird in Leistungsdichte umgerechnet, indem sie durch die ausgewählte physikalische Bezugsgröße geteilt wird:
[ \rho_P = \frac{P_{\mathrm{max}}}{m} ]
für die gravimetrische Leistungsdichte in W/kg oder:
[ \rho_P = \frac{P_{\mathrm{max}}}{V_{\mathrm{battery}}} ]
für die volumetrische Leistungsdichte in W/L.
Im Prüfbericht sollte angegeben werden, ob die Berechnung auf der Masse und dem Volumen einer Zelle, eines Moduls oder des vollständigen Batteriepakets basiert.
Vorbereitung der Batterie
Kontrolle der Prüfbedingungen
Führen Sie den Test bei einer kontrollierten Umgebungstemperatur durch, typischerweise bei 20 ± 2 °C für das im Hauptdokument beschriebene Verfahren.
Die Temperatur muss gemessen und aufgezeichnet werden, da der Widerstand und die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien stark von der Temperatur abhängen. Die Batterie sollte vor Beginn des Tests thermisch stabilisiert werden.
Vollständiges Laden der Batterie
Beginnen Sie mit einer vollständigen Ladung mit Konstantstrom/Konstantspannung (CC-CV) unter Verwendung der vom Hersteller vorgegebenen Grenzwerte.
Der Ladevorgang sollte fortgesetzt werden, bis die vorgeschriebene Strom-Abschaltbedingung erreicht ist. Die geltenden Spannungs-, Strom- und Abschaltwerte müssen vom Batteriehersteller oder der maßgeblichen Prüfnorm vorgegeben werden.
Erste Ruhephase
Lassen Sie die Batterie nach dem Laden eine Stunde ruhen.
Diese Ruhephase ermöglicht die Spannungsrelaxation und schafft eine reproduzierbare Ausgangsbedingung vor der ersten Pulssequenz.
Durchführung der SOC-Sequenz
Auswahl der Ziel-SOC-Werte
Das Hauptverfahren bewertet die Batterie bei mehreren SOC-Werten, wobei von etwa 90 % SOC auf 40 % SOC fortgeschritten wird.
Das genaue SOC-Intervall sollte vor Beginn des Tests festgelegt werden. Der SOC muss mit einer einheitlichen Methode berechnet werden, normalerweise auf Grundlage einer kalibrierten Coulomb-Zählung mit geeigneter Korrektur für die nutzbare Kapazität der Batterie.
Anlegen des Entladepulses
Legen Sie bei jedem Ziel-SOC einen Konstantstrom-Entladepuls mit hoher Rate für 10 Sekunden an.
Die Hauptreferenz nennt eine repräsentative Entladerate von 6C. Der tatsächliche Strom sollte entsprechend der Testspezifikation, den Batteriegrenzwerten und der Leistungsfähigkeit des Prüfgeräts ausgewählt werden.
Zeichnen Sie Folgendes auf:
- Pulsstrom
- Klemmenspannung
- Zeit
- Batterietemperatur
- SOC
- Jegliche Schutz- oder Fehlerreaktion
Der Puls muss beendet werden, wenn die Batterie ihre festgelegte minimale Spannung, ihren maximalen Strom, ihre maximale Temperatur oder einen Sicherheitsgrenzwert erreicht.
Ruhephase nach der Entladung
Lassen Sie die Batterie nach dem Entladepuls 40 Sekunden ruhen.
Dieses Intervall bietet eine definierte Erholungsphase vor dem Ladepuls und hilft dabei, die unmittelbare Pulsantwort vom anschließenden Relaxationsverhalten zu trennen.
Anlegen des Ladepulses
Legen Sie einen Konstantstrom-Ladepuls für 10 Sekunden an. Die Hauptreferenz nennt eine repräsentative Laderate von 3C.
Der Ladepuls muss innerhalb der vom Hersteller vorgegebenen maximalen Spannungs-, Strom- und Temperaturgrenzwerte bleiben. Die Ladestrompolarität sollte eindeutig dokumentiert werden, da einige Prüfnormen eine Vorzeichenkonvention verwenden, bei der Entlade- und Ladestrom entgegengesetzte Vorzeichen haben.
Entladung mit dem Schrittstrom
Entladen Sie die Batterie nach dem Ladepuls mit 1C über 330 Sekunden.
Durch diese kontrollierte Entladung wird die Batterie zum nächsten SOC-Prüfpunkt geführt. Die tatsächliche SOC-Änderung sollte anhand der aufgezeichneten Strom-Zeit-Daten überprüft werden, anstatt sie ausschließlich aus nominalen C-Raten-Berechnungen abzuleiten.
Ruhephase vor dem nächsten SOC-Punkt
Lassen Sie die Batterie nach der 330-sekündigen Entladung eine Stunde ruhen, bevor Sie mit dem nächsten SOC-Schritt beginnen.
Wiederholen Sie die Pulssequenz, bis alle festgelegten SOC-Werte geprüft wurden.
Bestimmung der maximalen Pulsleistung
Verwendung von Spannungsgrenzwerten als Einschränkungen
Ein Pulsstrom ist nur dann zulässig, wenn die resultierende Klemmenspannung innerhalb der erlaubten Betriebsgrenzen bleibt.
Beim Entladen wird der maximal zulässige Strom durch die minimale Entladespannung (U_{\min}) begrenzt. Beim Laden wird er durch die maximale Ladespannung (U_{\max}) begrenzt.
Eine vereinfachte Berechnung lautet:
[ P_{\max}^{\mathrm{dis}} = U_{\min} \times I_{\max}^{\mathrm{dis}} ]
[ P_{\max}^{\mathrm{chr}} = U_{\max} \times I_{\max}^{\mathrm{chr}} ]
Diese Werte stellen die maximal zulässige Pulsentlade- und Pulsladeleistung unter den festgelegten Prüfbedingungen dar.
Verwendung inkrementeller Pulsströme bei Bedarf
Einige Verfahren, einschließlich des in der ergänzenden Referenz beschriebenen Ansatzes nach JEVS D713-2003, verwenden eine Reihe von 10-sekündigen Pulsen mit schrittweise ansteigenden C-Raten.
Eine typische Sequenz kann stromlose Ruhephasen und Pulse mit zunehmenden Lade- und Entladebeträgen umfassen, beispielsweise 1C, 2C und 3C. Die am Ende jedes Pulses gemessene Klemmenspannung wird gegen den Strom aufgetragen, um eine Spannungs-Strom-Beziehung zu erzeugen.
Der zulässige Strom wird anschließend bestimmt, indem diese Beziehung bis zu den festgelegten Spannungsgrenzwerten verlängert oder an diese angepasst wird.
Messung zum festgelegten Zeitpunkt
Berechnen Sie für das Hauptverfahren die angegebene Spitzenleistung anhand der Spannung im geschlossenen Stromkreis und des Stroms 0,1 Sekunden nach Beginn des Pulses.
Verwenden Sie für eine Analyse nach JEVS-Art die Spannung am Ende des definierten 10-sekündigen Pulses. Dies sind unterschiedliche Messkonventionen und sie sollten beim Vergleich von Ergebnissen nicht miteinander vermischt werden.
Erforderliche Prüfgeräte und Daten
Verwendung eines programmierbaren Batterietestgeräts
Für den Test wird ein programmierbares Batteriesystem benötigt, das Folgendes ermöglicht:
- CC-CV-Ladung
- Entladung mit Hochstrompulsen
- Ladung mit Hochstrompulsen
- Präzise zeitgesteuerte Ruhephasen
- SOC-basierte Sequenzierung
- Schnelle Spannungs- und Stromabtastung
- Temperaturüberwachung
- Automatische Abschaltung bei Erreichen von Sicherheitsgrenzwerten
Das System muss für die maximale Spannung, den maximalen Strom, die maximale Leistung und die gespeicherte Energie der Batterie ausgelegt sein.
Ausreichend schnelle Abtastung
Die anfängliche Spannungsantwort tritt sehr schnell auf. Eine langsame Datenerfassung kann daher den relevanten Spannungsabfall verfehlen.
Abtastrate, Filterung, Synchronisierung, Sensorbandbreite und Messverzögerung sollten dokumentiert werden. Strom- und Spannungskanäle müssen zeitlich synchronisiert sein, wenn Leistung oder Innenwiderstand berechnet werden.
Überwachung der vollständigen Batterie
Bei Fahrzeugbatterien kann der Test eine Zelle, ein Modul oder ein vollständiges Batteriepaket betreffen. Auf Modul- und Batteriepaketebene muss das Verfahren außerdem Folgendes berücksichtigen:
- Eingriffe des Batteriemanagementsystems
- Verhalten der Schütze
- Ungleichgewicht zwischen den Zellen
- Betrieb des Kühlsystems
- Stromgrenzwerte des Batteriepakets
- Isolationsüberwachung
- Überspannungs- und Unterspannungsschutz
Ein Ergebnis auf Batteriepaketebene lässt sich nicht zwangsläufig aus einem Ergebnis auf Einzelzellenebene ableiten, da die schwächste Zelle oder das schwächste Modul die nutzbare Pulsgrenze bestimmen kann.
Verständnis der Zielkonflikte
Spitzenleistung ist nicht Dauerleistung
Eine 10-sekündige Pulsangabe beschreibt die Leistung über kurze Zeit. Sie legt nicht fest, welche Leistung die Batterie dauerhaft abgeben kann, ohne zu überhitzen oder thermische Grenzwerte zu überschreiten.
Die Dauerleistungsfähigkeit erfordert einen separaten Test mit geeigneter thermischer Stabilisierung und Testdauer.
Höhere C-Raten erhöhen die Belastung
Pulse mit hoher Rate verursachen einen stärkeren Spannungseinbruch, eine höhere Wärmeentwicklung und eine größere elektrochemische Belastung.
Wiederholte Tests können den Zustand der Batterie verändern, insbesondere wenn die Batterie hohen Laderaten ausgesetzt wird oder nahe an Spannungs- und Temperaturgrenzen betrieben wird. Testreihenfolge, Zyklenzahl und Vorkonditionierung müssen daher aufgezeichnet werden.
Der SOC allein bestimmt die Leistung nicht
Beim gleichen SOC können je nach Temperatur, Alterung, vorherigem Stromverlauf, Ruhezeit und Methode zur Kapazitätsmessung unterschiedliche Ergebnisse auftreten.
Vergleiche sind nur dann aussagekräftig, wenn diese Bedingungen kontrolliert oder ausdrücklich angegeben werden.
Die Leistungsdichte hängt von der Messgrenze ab
Ein W/kg-Wert auf Zellenebene sollte nicht direkt mit einem W/kg-Wert auf Batteriepaketebene verglichen werden, sofern die Massegrenze nicht identisch ist.
Im Bericht sollte angegeben werden, ob inaktive Gehäuseteile, Kühlsystemkomponenten, Stromschienen, Elektronik und Gehäusemasse berücksichtigt wurden.
Normen verwenden unterschiedliche Konventionen
Das Hauptverfahren verwendet eine definierte Entlade-Lade-Entlade-Sequenz und bewertet die Leistung zu einem festgelegten frühen Zeitpunkt des Pulses. Prüfungen nach JEVS-Art können mehrere inkrementelle Pulse und die am Ende jedes 10-sekündigen Pulses gemessene Spannung verwenden.
Diese Methoden können unterschiedliche Leistungs- und Widerstandswerte liefern. Daher müssen die zugrunde liegende Norm und der Zeitpunkt der Berechnung stets angegeben werden.
Die richtige Wahl für Ihr Ziel
Verwenden Sie die Testmethode, die zu der Leistungsangabe passt, die Sie belegen müssen.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf Fahrzeugbeschleunigung oder regenerativem Bremsen liegt: Testen Sie Lade- und Entladepulse bei relevanten SOC- und Temperaturbedingungen und verwenden Sie dabei die tatsächlichen Spannungs- und Stromgrenzwerte der Fahrzeugbatterie.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf dem Vergleich von Zellen oder Modulen liegt: Halten Sie Temperatur, SOC-Definition, Pulszeitpunkt, Ruhephasen und Massegrenzen bei allen Proben identisch.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf dem Gleichstrom-Innenwiderstand liegt: Zeichnen Sie synchronisierte Spannungs- und Stromwerte zu einem eindeutig festgelegten Zeitpunkt auf und geben Sie das Berechnungsintervall an.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf einem formalen Normvergleich liegt: Befolgen Sie ein vollständiges Standardverfahren, ohne Zeitvorgaben, Pulssequenz oder Spannungsgrenzwertregeln mit einer anderen Methode zu kombinieren.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Leistungsdichte liegt: Geben Sie die Spitzenleistung zusammen mit der exakten Masse- oder Volumenbasis an, die zur Normierung verwendet wurde.
Ein zuverlässiges Ergebnis der Pulsleistungsdichte wird ebenso stark durch die Prüfbedingungen und Berechnungskonventionen bestimmt wie durch die reine Spitzenleistung der Batterie.
Zusammenfassungstabelle:
| Schritt | Beschreibung | Wichtige Parameter |
|---|---|---|
| 1. Umgebung | Temperatur auf 20 ± 2 °C regeln | Temperatur, Stabilisierungszeit |
| 2. Laden | Vollständige CC-CV-Ladung | Spannung, Strom, Abschaltbedingung |
| 3. Ruhephase | Eine Stunde ruhen lassen | Ruhezeit |
| 4. SOC-Sequenz | Test bei SOC-Werten von 90 % bis 40 % | SOC-Punkte, Intervalle |
| 5. Entladepuls | 10 s bei 6C (repräsentativ) | Strom, Spannung, Zeit, Temperatur |
| 6. Ruhephase | 40 s nach der Entladung | Ruhezeit |
| 7. Ladepuls | 10 s bei 3C (repräsentativ) | Strom, Spannung, Zeit, Temperatur |
| 8. Entladeschritt | 1C über 330 Sekunden | Strom, Zeit |
| 9. Ruhephase | Eine Stunde vor dem nächsten SOC-Wert ruhen lassen | Ruhezeit |
| 10. Datenanalyse | Spitzenleistung und Widerstand bei 0,1 s berechnen | Spannung, Strom, Zeit, Widerstand |
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