Der USABC-Spitzenleistungstest misst die 30-sekündige Entladefähigkeit einer Zelle bei definierten Entladetiefen (DOD). Die Zelle wird in 10-%-DOD-Schritten von 0 % bis 90 % getestet, wobei auf eine Basisentladung ein Hochstrompuls folgt. Bei jeder DOD wird der Widerstand aus den Spannungs- und Stromänderungen während des Pulses berechnet und anschließend zusammen mit der minimal zulässigen Spannung zur Schätzung der Spitzenleistung verwendet.

Kernaussage: Die USABC-Spitzenleistung wird durch Modellierung der Klemmenspannung der Zelle als IR-Abfall ausgehend von einer IR-freien Spannung abgeleitet. Der zulässige Pulsstrom ist der Strom, der die Zellspannung auf ihren minimalen Betriebsgrenzwert reduziert, und die Spitzenleistung ist das Produkt aus diesem Strom und der begrenzenden Spannung.

So wird der USABC-Test durchgeführt

Test an definierten DOD-Punkten

Der Test bewertet die Zelle bei 0 %, 10 %, 20 % und bis zu 90 % DOD.

DOD wird hier als Testkoordinate verwendet: Eine zunehmende DOD bedeutet, dass schrittweise mehr der verfügbaren Entladekapazität der Zelle entnommen wurde.

Basisentladung durchführen

Bei jedem DOD-Punkt wird die Zelle 30 Sekunden lang mit einem definierten Basisstrom entladen.

Dadurch werden Spannung und Betriebszustand der Zelle vor dem Hochleistungspuls festgelegt.

Hochstrompuls durchführen

Der Basisstrom wird anschließend durch einen 30 Sekunden dauernden Hochstrom-Entladepuls ersetzt.

Zellspannung und Strom werden während des Pulses aufgezeichnet, insbesondere etwa 1 Sekunde und 30 Sekunden nach Beginn des Pulses.

Mit dem nächsten DOD-Punkt fortfahren

Nach dem Puls wird die Zelle erneut mit dem Basisstrom entladen, bis die DOD um weitere 10 % gestiegen ist.

Diese Sequenz wird wiederholt, bis der erforderliche DOD-Bereich bewertet wurde.

Spannungsgrenzen, die den Test bestimmen

Die minimal zulässige Spannung einhalten

Die Zellspannung muss während des Tests über dem geltenden Basisschwellenwert bleiben.

Der Schwellenwert ist der höhere der folgenden Werte:

• Die vom Hersteller angegebene Abschaltspannung.
• Zwei Drittel der Leerlaufspannung bei 80 % DOD, wie im Testverfahren festgelegt.

Diese Grenze verhindert, dass die berechnete Leistungsfähigkeit auf einem Betrieb außerhalb des nutzbaren Spannungsbereichs der Zelle basiert.

Warum die Spannungsgrenze wichtig ist

Spitzenleistung ist nicht einfach die maximale Leistung, die eine Zelle vor einer Beschädigung erzeugen kann. Sie bezeichnet die verfügbare Leistung unter Einhaltung der definierten Spannungs- und Betriebsgrenzen der Zelle.

Eine Überschreitung dieser Grenzen kann zu übermäßiger Polarisation, Degradation oder irreversiblen Schäden an internen Komponenten führen.

So wird der Innenwiderstand abgeleitet

Spannungs- und Stromänderungen messen

Der Pulswiderstand wird aus den Spannungs- und Stromänderungen zwischen den Zeitpunkten 1 Sekunde und 30 Sekunden des Hochstrompulses berechnet:

[ R=\frac{\Delta U}{\Delta I} ]

wobei:

• (R) der berechnete Innenwiderstand ist.
• (\Delta U) die Spannungsänderung während des ausgewählten Pulsintervalls ist.
• (\Delta I) die Stromänderung über dasselbe Intervall ist.

In erweiterter Form:

[ R=\frac{U_{1s}-U_{30s}}{I_{30s}-I_{1s}} ]

bei einer konventionellen Vorzeichenkonvention für den Entladestrom. Wird der Entladestrom als negativ dargestellt, ändern sich die Vorzeichen, der angegebene Widerstand wird jedoch normalerweise als positiver Betrag ausgedrückt.

Was dieser Widerstand darstellt

Hierbei handelt es sich um einen effektiven Pulswiderstand, nicht unbedingt um einen reinen ohmschen Widerstand, der unabhängig von allen elektrochemischen Effekten gemessen wurde.

Da bei der Berechnung Zeitpunkte mit einem Abstand von 29 Sekunden verwendet werden, kann das Ergebnis Beiträge des ohmschen Widerstands, von Ladungsübertragungseffekten und anderen Polarisationsprozessen enthalten, die sich während des Pulses verändern.

So wird die IR-freie Spannung abgeleitet

Den modellierten Widerstandsabfall entfernen

Der Test definiert die IR-freie Spannung als:

[ U_{\mathrm{IRFree}}=U-IR ]

wobei:

• (U_{\mathrm{IRFree}}) die geschätzte Spannung vor dem modellierten Widerstandsabfall ist.
• (U) die gemessene Klemmenspannung ist.
• (I) der relevante Strom ist.
• (R) der berechnete Pulswiderstand ist.

Dies liefert eine vereinfachte Darstellung der Zelle nach Art eines Thevenin-Modells: eine IR-freie Spannungsquelle in Reihe mit einem effektiven Widerstand.

Das Ergebnis sorgfältig interpretieren

Die IR-freie Spannung ist eine berechnete Modellierungsgröße. Sie sollte nicht automatisch als die tatsächliche Leerlaufspannung der Zelle interpretiert werden, da die gemessene Spannung auch elektrochemische Polarisation und dynamische Erholungseffekte enthalten kann.

Ihr Zweck besteht darin, die Berechnung der Spitzenleistung unter den ausgewählten Testbedingungen zu unterstützen.

So wird die Spitzenleistung abgeleitet

Den zulässigen Pulsstrom bestimmen

Bei der minimalen Betriebsspannung (U_{\min}) lautet das vereinfachte Zellmodell:

[ U_{\min}=U_{\mathrm{IRFree}}-IR ]

Durch Auflösen nach dem maximal zulässigen Entladestrom erhält man:

[ I_{\max}=\frac{U_{\mathrm{IRFree}}-U_{\min}}{R} ]

Dies ist der Strom, bei dem die modellierte Klemmenspannung den minimal zulässigen Wert erreicht.

Leistung an der Spannungsgrenze berechnen

Die Entlade-Spitzenleistung ist dann:

[ P_{\mathrm{peak}}=U_{\min}I_{\max} ]

Durch Einsetzen des Stromausdrucks:

[ P_{\mathrm{peak}}

\frac{U_{\min}\left(U_{\mathrm{IRFree}}-U_{\min}\right)}{R} ]

Die primäre Referenz verwendet hierfür eine negative Vorzeichenkonvention für den Entladestrom:

[ P_{\mathrm{peak}}

\frac{-U_{\min}\left(U_{\mathrm{IRFree}}-U_{\min}\right)}{R} ]

Das negative Vorzeichen ergibt sich aus der buchhalterischen Konsequenz, den Entladestrom als negativ zu definieren. Die angegebene Leistungsfähigkeit wird normalerweise als positiver Betrag ausgedrückt.

Warum der Widerstand die Leistung stark beeinflusst

Die Gleichung zeigt, dass die Spitzenleistung bei vergleichbaren Spannungsbedingungen ungefähr umgekehrt proportional zum Widerstand ist:

[ P_{\mathrm{peak}}\propto \frac{1}{R} ]

Eine Zelle mit geringerem Widerstand kann mehr Strom liefern, bevor sie (U_{\min}) erreicht. Eine Zelle mit höherem Widerstand erfährt während desselben Pulses einen größeren Spannungsabfall und erreicht daher früher die Spannungsgrenze.

Was das Testergebnis darstellt

Ein DOD-abhängiges Leistungsprofil erstellen

Der Test erzeugt für jeden DOD-Punkt einen Spitzenleistungswert.

Das Ergebnis ist daher keine universelle Nennleistung der Zelle. Es handelt sich um eine Darstellung der Leistungsfähigkeit in Abhängigkeit von der DOD, die bei unterschiedlichen Temperaturen, Alterungszuständen oder Testströmen wiederholt werden kann.

Die Auslegung des Batteriepacks unterstützen

Die Ergebnisse helfen Ingenieuren zu bestimmen, wie viele Zellen in Reihe und parallel erforderlich sind, um den Leistungsbedarf eines Systems zu erfüllen und gleichzeitig Spannungs- und Stromgrenzen einzuhalten.

Widerstands- und Spannungsdaten auf Zellebene sind besonders wichtig, da Packverbindungen, Sammelschienen, Kühlbedingungen, Kontaktwiderstand und Zellungleichgewichte zusätzliche Einschränkungen verursachen.

F&E-Verifizierung unterstützen

Die Wiederholung des Tests während der Entwicklung oder bei Zykluslebensdauertests kann Veränderungen in folgenden Bereichen aufzeigen:

• Pulswiderstand.
• Spannungsantwort.
• Verfügbare Spitzenleistung.
• Leistung über DOD und Temperatur hinweg.

Ein Anstieg des Widerstands verringert im Allgemeinen die Pulsleistungsfähigkeit, obwohl Leistungsänderungen auch vom Spannungs- und Polarisationsverhalten der Zelle abhängen.

Die Zielkonflikte verstehen

Der Widerstand ist nicht die einzige Leistungsgröße

Obwohl ein geringerer Widerstand im Allgemeinen die Pulsleistung verbessert, hängt die Spitzenleistung auch von der IR-freien Spannung und der minimalen Betriebsspannung ab.

Eine Zelle mit geringem Widerstand, aber unzureichender nutzbarer Spannung muss unter einer bestimmten Betriebsbedingung nicht besser abschneiden als eine Zelle mit höherer Spannung.

Der Widerstandswert hängt von der Testdefinition ab

Der Widerstand variiert je nach Temperatur, DOD, Pulsdauer, Stromstärke, vorheriger Ruhephase und den für die Berechnung ausgewählten Zeitpunkten.

Folglich sollte ein Widerstandswert aus diesem USABC-Verfahren nicht direkt mit einem Wert verglichen werden, der bei einer anderen Pulsdauer oder mit einer anderen Messmethode ermittelt wurde, ohne diese Unterschiede zu berücksichtigen.

Zellenleistung ist nicht Packleistung

Ein Spitzenleistungsergebnis auf Zellebene entspricht nicht automatisch der verfügbaren Leistung eines Batteriepacks.

Begrenzungen auf Packebene können sich aus der Spannungsstreuung der Reihenzellen, dem Ungleichgewicht von Parallelgruppen, thermischen Grenzen, dem Widerstand von Stromabnehmern und Sammelschienen, Einschränkungen des Batteriemanagementsystems sowie Begrenzungen des Wechselrichters ergeben.

Spitzenleistung nicht als Dauerleistung betrachten

Das USABC-Ergebnis beschreibt eine definierte 30-sekündige Pulsleistungsfähigkeit unter bestimmten Bedingungen.

Es sollte nicht als Nennwert für Dauerleistung verwendet werden, es sei denn, eine separate thermische und elektrische Analyse unterstützt diese Schlussfolgerung.

Spannungs- und Stromgrenzen einhalten

Tests über die festgelegten Spannungs- oder Leistungsgrenzen hinaus können die Degradation beschleunigen oder schwere Schäden an Elektroden, Separator, Elektrolyt, Stromabnehmern oder anderen Zellkomponenten verursachen.

Batterietestgeräte müssen daher Strom, Spannung, Zeitabläufe, Temperatur und Sicherheitsabschaltungen präzise regeln.

Die richtige Wahl für Ihr Ziel treffen

Die nützlichste Interpretation hängt davon ab, wofür Sie das Ergebnis benötigen.

• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf dem Zellvergleich liegt: Vergleichen Sie Zellen nur, wenn DOD, Temperatur, Pulsdauer, Stromkonvention, Spannungsgrenzen und Testhistorie gleichwertig sind.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Packauslegung liegt: Verwenden Sie die DOD-spezifischen Leistungs- und Widerstandsergebnisse zusammen mit der Reihen-/Parallelschaltung, thermischen Grenzen, Ungleichgewichten und parasitären Widerständen auf Packebene.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Alterungsanalyse liegt: Verfolgen Sie das Widerstandswachstum und den Rückgang der Spitzenleistung bei konstanten DOD- und Temperaturbedingungen über die Zykluslebensdauer.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Testvalidierung liegt: Überprüfen Sie die Strom- und Spannungsverläufe, bestätigen Sie die Abtastpunkte bei 1 Sekunde und 30 Sekunden und dokumentieren Sie die in den Gleichungen verwendete Vorzeichenkonvention.

Eine zuverlässige USABC-Spitzenleistungsbewertung kombiniert disziplinierte Pulstests mit klaren Definitionen für Widerstand, Spannungsgrenzen und Vorzeichenkonventionen.

Zusammenfassungstabelle:

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