Temperatur-Profile von Batterien

Batterie-Emulation und Temperatur-Erfassung

Die Auswirkungen von Temperaturen auf Batterien können eine heikle Sache sein. Im praktischen Alltag hat fast jeder einmal die Erfahrung gemacht, dass Autobatterien in den Wintermonaten gelegentlich Probleme bereiten können. Die Batteriekapazität, also das Maß der Amperestunden, die eine Batterie zu leisten vermag, sinkt bei sinkender Umgebungstemperatur. Entsprechendes gilt auch für andere Batterietypen wie zum Beispiel Lithium-Akkus.

Doch auch zu hohe Temperaturen wirken sich ungünstig aus. Denn bei allen galvanischen Zellen kommt es bei der Lagerung zu einer Selbstentladung. Deren Geschwindigkeit ist abhängig vom Batterietyp und eben auch von der Temperatur. Bei niedriger Lagertemperatur ist die Selbstentladung geringer. Bei höheren Temperaturen ist zwar die Batteriekapazität höher, es verkürzen sich jedoch auch Lebensdauer und Speicherkapazität der Batterie und die Selbstentladung steigt. Zudem verändert sich die Batterie-Ladespannung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur.

Gelegentlich kommt es zu Bränden oder gar Explosionen, die allerdings erfahrungsgemäß nicht von alleine in spezifizierten Umgebungsbedingungen entstehen, sondern auf interne Kurzschlüsse und Defekte vor oder nach Extrembedingungen zurückzuführen sind. Ursachen sind zum Beispiel fehlerhafte Konstruktion oder Produktionsfehler, physische Einwirkung wie Sturz/Beschädigungen sowie äußerer und innerer Kurzschluss durch außergewöhnlich extreme Hitzeeinwirkung.

Durch die Verbreitung mobiler Geräte sind wiederaufladbare Batterien ("Akkus") im Alltag inzwischen enorm wichtig geworden. Und damit auch verschiedene Testszenarien während der Batterie-Lebensdauer - von der Entwicklung über Produktion, Qualitätssicherung bis zum Einsatz in sicherheitsrelevanten Bereichen. Dabei spielt neben Lade-/Entladekurven und anderen Eigenschaften auch die Messung der Wärmebedingungen eine wichtige Rolle, insbesondere beim Laden und Entladen der Batterien. Sinnvollerweise sind Batterien in der Regel für optimale Effizienz ausgelegt und haben ihre "normale" Lebensdauer in den meisten Fällen bei Raumtemperatur. Um die Temperaturen für die einzelnen Versagensstufen zu ermitteln, führen Hersteller von Batterien häufig "Missbrauchstests" durch. Für solche und andere Tests, bei denen genaue Messungen der Lade- und Entladetemperaturen erforderlich sind, ist die Auswahl der optimalen Mess- und Prüfgeräte natürlich sehr wichtig.

Batterie-Test und Emulation

Bild 1: Batterie-Emulator und -Tester Keysight E36731

Als Basis für Batterie-Test und Emulation werden Instrumente verwendet, die vereinfacht gesagt spezialisierte Kombi-Geräte aus Stromversorgung und elektronischer Last sind. Ein Beispiel hierfür ist das ▸E36731A von Keysight (Bild 1), ein multifunktionaler Batterietester bis 200 W, 30 V/20 A. Das Gerät bietet alle Funktionen für das Profiling, die Emulation sowie Zyklustests von Batterien.

Beim Profiling einer Batterie wird durch Laden/Entladen ein individuelles Modell (Profil) dieser Batterie ermittelt. Dieses wird grafisch in Form einer Lade- und Entladekurve dargestellt. Mit der Emulation wird eine Batterie für einen Verbraucher simuliert. Dafür wird die vorher per Profiling ermittelte Lade-/Entladekurve genutzt. Es können aber auch Profile von Standard-Batterien oder zu einem anderen Zeitpunkt profilierten Batterien verwendet werden. Durch das Emulieren von Ladezuständen wird die Prüf- und Testzeit verkürzt und die Sicherheit als auch Wiederholbarkeit der Prüfung verbessert. Ein Prüfling kann zum Beispiel durch die Emulation von einer simulierten Batterie versorgt werden, ohne dass diese gerade verfügbar ist oder langwierig die verschiedenen Ladezustände oder andere Bedingungen, wie zum Beispiel niedrige oder hohe Temperaturen an der "echten Batterie" abgewartet werden müssen. Beim Zyklustest einer Batterie schließlich durchläuft diese wiederholt Lade- und Entladezyklen, um den dadurch folgenden Kapazitätsverlust und die Verkürzung der Batterie-Lebensdauer zu ermitteln.

Soll zusätzlich auch die Temperatur erfasst und überwacht werden, wird das Gerät mit einem Datenerfassungssystem (DAQ/Data AQuisition) wie dem Keysight ▸DAQ970A (Bild 2) und entsprechender Sensorik ergänzt.

Temperaturmessung mit Datenerfassungsgerät (DAQ)

Bild 2: Temperatur-Profile von Batterien mit dem Keysight DAQ970A

Für die Temperaturmessungen gibt es heute unzählige Lösungen, vom digitalen Infrarot-Thermometer bis zum Digital-Multimeter (DMM) mit angeschlossenem Thermoelement. Ein DAQ-System bietet jedoch in bestimmten Fällen wesentliche Vorteile:

• Viele Kanäle: Wenn in einer umfangrechen Testanwendung mehrere Temperaturpunkte in einer einzigen Einrichtung gemessen werden müssen.
• Mehrere unterschiedliche Messgrößen: Wenn innerhalb eines Testaufbaus Spannung, Strom, Widerstand, Temperatur, Frequenz etc. gemessen werden müssen.
• Datenlogging: Wenn Daten über einen bestimmten (auch längeren) Zeitraum aufgezeichnet und gespeichert werden sollen.

Multiplexer für die Temperaturmessung

Multiplexer (kurz MUX) ermöglichen es, mit einem einzigen Messsystem viele Kanäle nacheinander zu messen. Da es sich bei Temperaturen um Größen handelt, die sich relativ langsam verändern, ist die Verzögerung durch das Umschalten des MUX zwischen mehreren Messstellen in Relation zur Abtastrate unkritisch. Bei Temperaturmessungen werden häufig mehrere Thermoelemente oder andere Sensoren verwendet. MUX bieten eine einfache und kostensparende Möglichkeit, jeden einzelnen an das Messsystem anzuschließen. Der MUX schaltet die Kanäle mit den einzelnen Sensoren um, misst so einen nach dem anderen und geht dann jeweils automatisch zum nächsten über. Dadurch, dass die Kanäle umgeschaltet werden, ist letztendlich nur eine Messeinheit erforderlich.

Auswahl der Temperatursensoren

Bild 3: Vergleich der drei wichtigsten Temperatur-Sensor-Typen

Viele DAQ-Systeme wie das DAQ970A verfügen über universelle Eingänge mit integrierter Signalaufbereitung und Softwarealgorithmus. Dies erlaubt die Flexibilität, aus einer Reihe von Temperatursensoren zu wählen (Bild 3).

• Thermoelement: Oft genutzte Thermoelement-Sensoren sind die Typen J, K, T, E, R, S, B, N. Die Thermoelement-Typen unterscheiden sich durch ihren Betriebsbereich, ihre chemischen Eigenschaften, ihre Empfindlichkeit, ihren Schmelzpunkt und ihre Leistung.
• Widerstandstemperaturdetektor (RTD): Als 2- und 4-Draht-Varianten. Die 4-Draht-Variante empfiehlt sich, wenn die Leitungen sehr lang sind, was die Genauigkeit der Temperaturmessungen beeinträchtigen kann. RTD-Sensoren weisen im Vergleich zu anderen Temperatursensoren wie Thermoelementen und Thermistoren eine höhere Stabilität, Genauigkeit und Widerstands-Temperatur-Linearität auf.
• Thermistor: Thermistoren sind entweder Typen mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) oder positivem Temperaturkoeffizienten (PTC). Bei NTC nimmt der Widerstand mit steigender Temperatur ab, während bei PTC der Widerstand mit der Temperatur zunimmt. Thermistoren des Typs NTC sind am weitesten verbreitet, mit Bereichen, die die Typen 2,2 kΩ, 5 kΩ und 10 kΩ umfassen. Thermistoren sind empfindlicher als Thermoelemente oder RTD-Sensoren, aber nicht so linear wie RTDs.

Aufzeichnung und Analyse von Temperaturdaten: Datenlogging

Der Einsatz eines DAQ-Geräts mit Logging-Funktion für die kombinierte Temperaturmessung empfiehlt sich besonders dann, wenn die Temperatur über einen bestimmten Zeitraum aufgezeichnet und überwacht werden soll. Inzwischen bieten auch viele Multimeter eine Datenlogging-Funktion, doch wegen der bereits genannten Vorteile ist ein DAQ-System die komfortablere Lösung. Sinnvollerweise wird das DAQ-Gerät über eine der gängigen Schnittstellen (USB, LAN/Ethernet, GPIB/IEEE488) an einen PC angeschlossen. So können die erfassten Daten gleich analysiert, dargestellt und ausgewertet werden. Dabei ist eine geeignete Software für Schnittstellensteuerung, Konfiguration und Datenprotokollierung erforderlich - also eine Anwendung, die Visualisierungs-, Diagramm- und Berichtsfunktionen bietet. Die Keysight-Geräte arbeiten hier mit der BenchVue PathWave Software. Mit ihr lassen sich Tests schnell einrichten und ausführen. Die App BenchVue Data Acquisition Control & Analysis wird für die Datenerfassung, Datenprotokollierung und Datenvisualisierung verwendet. Sie bietet diverse Datenvisualisierungsanzeigen und mathematische Funktionen.

(Meilhaus Electronic nach Infos von Keysight)