DAQ-Datenlogger für Temperatur-Profile bei Batterieladung und -entladung

Auswahlkriterien für DAQ-Datenlogger

...für das Erstellen von Temperatur-Profilen bei Batterieladung und -entladung

Warum ist das Erstellen von Temperatur-Profilen wichtig?

Die große Bedeutung von mobilen Endgeräten hat die Messung der Wärmeentwicklung solcher Geräte wichtig gemacht, insbesondere beim Laden und Entladen der Batterie/Akku. Eine gängige Faustregel für elektronische Geräte lautet, dass für jede Temperaturerhöhung um 10°C der Durchschnittswert der Zuverlässigkeit des Gerätes um 50% sinkt. Oder anders ausgedrückt, wenn es gelingt, diesen Temperaturwert um 10°C zu senken, verdoppelt sich die Zuverlässigkeit des Gerätes.

Die zu erwartenden Raten für die „Zwischenzeit zwischen Ausfällen“ (MTBF/MeanTime Beween Failures) verbessern sich also um das Doppelte, wenn die Betriebstemperatur um 10°C gesenkt werden kann. Lade- und Entladeströme erhöhen die Temperatur von Batterien, und über die Zeit beeinflusst diese Temperatur direkt die Lebensdauer und die Speicherkapazität. Batterien sind in der Regel bei Raumtemperatur effizient und bieten die normale Lebensdauer. Werden Batterien kalten Temperaturen ausgesetzt, reduziert sich ihre Kapazität sehr stark. Steigt die Temperaturen hingegen über Raumtemperatur an, verkürzt sich ihre Lebensdauer. Bei extremen Temperaturen können sich Batterien in mehreren Erscheinungsformen zerstören: Durch Auslaufen, Rauchbildung, Feuer und sogar Explosion. Hersteller führen oft Tests für solche Extreme durch, um die Temperaturen für die verschiedenen Ausfall-Phasen zu ermitteln.

Im Folgenden finden Sie eine Hilfe bei der Auswahl der Testgeräte für genaue Messungen der Lade- und Entladetemperatur, so dass Sie mit den Messergebnissen entsprechenden Aussagen über Kapazität, Lebensdauer und Zuverlässigkeit Ihres Produkts oder Geräts treffen können.

Warum ein Daten-Erfassungs-Gerät (DAQ) für die Temperatur-Messung?

Sie können grundlegende Temperatur-Messungen auch mit einem digitalen Infrarot-Thermometer oder einem Digital-Multimeter (DMM) mit angeschlossenem Thermoelement durchführen. Warum also ein DAQ-Gerät wie das Keysight ▸DAQ970A wählen? Vorteile ergeben sich, wenn Sie...

• ...mehrere Temperaturpunkte in einem einzigen Setup messen müssen.
• ...noch zusätzlich andere Arten von Messungen wie Spannung, Strom, Widerstand oder Frequenz im gleichen Prüfaufbau vornehmen möchten.
• ...die Datenaufzeichnung über einen bestimmten Zeitraum durchführen möchten und der Speicherplatz dabei ein potenzielles Problem sein könnte.

Wann und wie wählt man einen Multiplexer für Temperatur-Messungen aus?

Multiplexer ermöglichen es einem einzigen Messsystem, mehrere Kanäle zu messen. Denn bei der Temperatur-Messung werden oft mehrere Thermoelemente oder andere Sensoren eingesetzt. Multiplexer bieten die ideale Möglichkeit, jeden einzelnen an das Messsystem anzuschließen. Der Multiplexer scannt die Sensoren, misst einen nach dem anderen und wechselt dann automatisch zum nächsten. Multiplexer eignen sich gut für Temperatur-Messungen, da die Temperatur-Änderungen wesentlich langsamer sind als die Scan-Rate. Hier einig Kriterien für Multiplexer-Optionen bei der Temperatur-Messung:

• Wählen Sie einen Multiplexer mit integrierter Thermoelement-Referenz, wenn Sie absolute Temperaturmessungen durchführen möchten. Das Keysight ▸DAQ970A bietet diese Funktion.
• Bestimmen Sie die Anzahl der für Ihre Anwendung benötigten Kanäle. Jeder Multiplexer stellt eine unterschiedliche Anzahl von Kanälen zur Verfügung. Das Multiplexer-Modul Keysight DAQM908A bietet zum Beispiel bis zu 40 Kanäle.
• Eine Scan-Geschwindigkeit von bis zu 80 Kanälen pro Sekunde ist für die meisten Temperaturmessanwendungen ausreichend. Bei Bedarf ist ein schnelleres Scannen mit den Multiplexer-Modulen DAQM902A und DAQM900A möglich, nämlich bis zu 250 Kanäle pro Sekunde bzw. 450 Kanäle pro Sekunde.
• Die meisten Multiplexer akzeptieren neben der Temperatur auch andere Arten von Eingangssignalen wie AC/DC-Spannung, 2-Draht-Widerstand, Frequenz und Periode. Einige Multiplexer können auch AC/DC-Strom messen.
• Multiplexer können Temperatur häufig auch mit Thermistoren und RTDs messen. Genauere Messungen sind mit 4-Draht-Widerstandsmessungen möglich. Die Module DAQM900A, DAQM901A und DAQM902A sind sowohl für 2- als auch für 4-Draht-Widerstands-Messungen geeignet.

Tabelle 1 - Vergleich der Keysight Multiplexer-Module für das ▸DAQ970A-System

Auswahl der Temperatursensoren

Das Modell ▸DAQ970A verfügt über Universaleingänge mit integrierter Schaltung für die Signal-Anpassung/Signal-Konditionierung sowie dem entsprechenden Software-Algorithmus. Dies gibt Ihnen die Flexibilität, aus einem großen Angebot an Temperatur-Sensoren zu wählen (siehe Tabelle 2).

Thermoelement

Gängige Thermoelement-Sensor-Varianten sind die Typen B, E, J, K, N, R, S und T. Thermoelementtypen unterscheiden sich durch ihren Betriebsbereich, ihre chemischen Eigenschaften, ihre Empfindlichkeit, Schmelzpunkt und Ausgang. Abhängig von der Testumgebung können einige Thermoelemente besser geeignet sein als andere. Wie bereits erwähnt, wird für die absolute Temperatur-Messung eine Referenz benötigt, wie sie die Module DAQM900A, DAQM901A und DAQM902A bieten.

RTD (Resistance Temperature Detector)

Hier haben Sie die Wahl zwischen 2- und 4-Draht RTD-Sensoren. Verwenden Sie 4-Draht RTDs, wenn die Leitungen zum Sensor sehr lang sind, da dies die Genauigkeit der Temperaturmessung beeinträchtigen kann. RTD-Sensoren sind bekannt für ihre überlegene Stabilität, Genauigkeit und Widerstands-Temperaturlinearität gegenüber anderen Temperatursensoren wie Thermoelement und Thermistor.

Thermistor

Thermistoren sind entweder vom Typ NTC (negativer Temperaturkoeffizient) oder PTC (positiver Temperaturkoeffizient). Bei NTC sinkt der Widerstand mit steigender Temperatur, während bei PTC der Widerstand mit der Temperatur steigt. Thermistoren vom Typ NTC sind häufiger anzutreffen, meist mit den Bereichen 2,2 kΩ, 5 kΩ und 10 kΩ umfassen. Thermistoren sind empfindlicher als Thermoelemente oder RTD-Sensoren, aber nicht so linear wie ein RTD.

Tabelle 2 - Vergleich der drei Temperatur-Sensor-Typen Thermeelement, RTD, Thermistor

Überlegungen zur TemperaturDaten-Erfassung, Logging und -analyse

Wie bereits erwähnt empfiehlt sich ein Mess-System wie das ▸DAQ970A für die Temperaturmessung, insbesondere dann, wenn mehrere Temperaturpunkte beteiligt sind oder wenn die Temperatur über einen längeren Zeitraum erfasst und überwacht werden muss. Da ein solches Mess-System an einen PC angeschlossen werden muss, ist Software für die „Connectivity“, die Konfiguration und die Datenaufzeichnung erforderlich. Eine Anwendung, die Visualisierungs-, Grafik- und Berichtsfunktionen bietet, kann ebenfalls von Vorteil sein.

Keysight bietet dafür die Software BenchVue mit einer intuitiven Benutzeroberfläche. BenchVue erlaubt es, Tests schnell einzurichten und auszuführen. Mit der Funktion „Testablauf“ können Sie bequem Ihre eigenen automatisierten Tests erstellen, was die Entwicklungszeit von Tests erheblich verkürzt.

BenchVue unterstützt Hunderte von Keysight-Instrumenten-Typen und -Modellen, und spezielle Instrumenten-Apps werden automatisch nach der Instrumenten-Erkennung gestartet. Die BenchVue Data Acquisition Control & Analysis App wird für die Daten-Erfassung, Daten-Protokollierung und Daten-Visualisierung verwendet. Die App bietet mehrere Daten-Visualisierungs-Anzeigen und mathematische Funktionen und ist damit ein leistungsstarkes, zeitsparendes Werkzeug für die sofortige Überwachung, Analyse und Berichterstattung.

Tabelle 3 - BenchVue automatisiert einfach und bequem viele Mess- und Test-Aufgaben

Zusammenfassung

Die Auswahl des geeigneten Geräts und der geeigneten Software für das Erstellen von Temperatur-Profilen kann Ihnen helfen, genauere Temperatur-Messungen durchzuführen und die Zuverlässigkeit des Produkts zu verbessern. Diese vier Grundfragen stehen dabei im Fokus:

1. Wie viele Messstellen benötigen Sie pro Prüfung?
2. Benötigt Ihre Anwendung verschiedene Arten von Messungen oder Sensoren?
3. Ist das Instrument langfristig skalierbar, also sowohl erweiterbar als auch an geänderte Testbedingungen anpassbar? Ein skalierbares Instrument bedeutet für Sie mehr zukunftssicherheit und oft geringere Investitionskosten.
4. Wie einfach lässt sich das Gerät in Ihr bestehendes System und vorhandene Testabläufe integrieren?

(Übersetzung nach Unterlagen von Keysight 5992-3122EN)