Forschung an Batterietestgeräten zur synchronen Erkennung von Batterieinnenwiderstand und -spannung

Abstract:

Mit der rasanten Entwicklung von Elektrofahrzeugen, Energiespeicherkraftwerken und Lithiumbatterien für Endverbraucher sind die Sicherheit, die Zuverlässigkeit und die Lebensdauerbewertung von Batteriezellen und -packs zu zentralen Anliegen der Branche geworden. Innenwiderstand und Gleichspannung sind die beiden wichtigsten Parameter zur Charakterisierung des Batteriezustands. Batterietestgerät ermöglicht die synchrone Erfassung von Batteriewiderstands- und Spannungsdaten und erfüllt damit Testaufgaben in der Produktionssortierung, der Laborforschung und -entwicklung, der Betriebs- und Wartungsprüfung sowie in anderen Szenarien. Der Fokus liegt dabei auf der LISUN LS5562 Dieser Artikel befasst sich mit Hochspannungs- und Hochpräzisions-Batterie-Innenwiderstandstestern, analysiert die technischen Prinzipien, Schlüsselparameter, Normenkonformität und Anwendungsszenarien von Batterietestgeräten, vergleicht die technischen Indikatoren derselben Produktreihe und erörtert den praktischen Nutzen von Hochspannungs-Batterietestgeräten bei der Prüfung von Antriebsbatterien, Energiespeicherbatterien und Brennstoffzellen. Er bietet eine Referenzgrundlage für die Qualitätsprüfung in der Batterieproduktion und die Auswahl von Testgeräten für Forschung und Entwicklung.

Einführung:

Vor dem Hintergrund des rasanten Wachstums der neuen Energiewirtschaft steigt die Produktion von Energiespeichern wie Lithium-Ionen-Batterien, Wasserstoff-Brennstoffzellen, Blei-Säure-Batterien und Superkondensatoren kontinuierlich. Von Einzelzellen bis hin zu kompletten Akkupacks (PACKs) stellen Batterieprodukte immer höhere Anforderungen an die Prüfung. Der Innenwiderstand einer Batterie kann Probleme wie die Alterung der internen Elektroden, den Elektrolytabbau und Schweißfehler widerspiegeln; die Leerlaufspannung gibt direkt den Ladezustand der Batterie wieder. Die Kombination beider Größen ist eine wichtige Grundlage für die Beurteilung der Batteriequalität. Herkömmliche Zwei-Draht-Messverfahren sind anfällig für Leitungs- und Kontaktwiderstände. Bei Batterien mit niedrigem Innenwiderstand im Milliohm-Bereich ist der Messfehler groß, sodass die Prüfanforderungen für Hochvoltbatterien und Hochgeschwindigkeits-Produktionslinien nicht erfüllt werden können.

Als zentrales Instrument der Batteriequalitätskontrolle findet die Batterieprüftechnik breite Anwendung bei der Zellsortierung ab Werk, Zyklenlebensdauertests, der Wartung von Akkupacks, der Fehleranalyse und weiteren Aufgaben. Die Wechselstrom-Vierpol-Messtechnik (Kelvin) ist die gängigste Methode zur hochpräzisen Messung des Batterieinnenwiderstands. Sie ermöglicht die Unabhängigkeit von Stromanregungs- und Spannungsabtastschleife, wodurch Messabweichungen durch die Messleitungen eliminiert werden. So wird eine Innenwiderstandsmessung im Mikroohm-Bereich erreicht, während gleichzeitig Gleichspannungsdaten erfasst werden, um die Prüfanforderungen nationaler und internationaler Normen wie GB/T 31484-2015 und IEC 62133-1:2017 zu erfüllen. LISUN LS5562 Das Hochspannungs-Hochpräzisions-Batteriewiderstandsmessgerät ist ein speziell für die Batterieindustrie entwickeltes Batterietestgerät. Es ermöglicht die gleichzeitige Messung von Widerstand und Spannung, unterstützt die automatische Vernetzung von Produktionslinien und eignet sich für die Prüfung von Hochspannungs-Serienbatterien, Knopfzellen, Superkondensatoren, Brennstoffzellen und anderen Prüflingen. Weitere Informationen finden Sie unter folgendem Produktlink: [https://www.lisungroup.cn/products/8724.html](https://www.lisungroup.cn/products/8724.html).

1. Technisches Prinzip der synchronen Erkennung von Batterieinnenwiderstand und -spannung

Das Batterietestgerät verwendet die Wechselstrom-Vierpolmessung (Kelvin-Vierleiter-Methode) zur Bestimmung des Innenwiderstands. Die Anregung erfolgt mit einem 1-kHz-Wechselstrom-Kleinsignal: Ein Klemmenpaar gibt den Anregungsstrom aus, das andere erfasst die Spannung an beiden Batteriepolen. Die Eingangsimpedanz der Spannungsmessschleife ist extrem hoch, sodass praktisch kein Strom durch die Schleife fließt. Dadurch wird der Widerstand der Messleitungen und der Sondenkontakte nicht in den gemessenen Innenwiderstand der Batterie einbezogen, wodurch eine präzise Messung im Milliohm- oder sogar Mikroohm-Bereich erreicht wird. Das Gerät erfasst synchron die Gleichspannung der Batterie und ermöglicht so die synchrone Ausgabe der beiden Parameter Widerstand R und Spannung V.

Der Innenwiderstand gibt Aufschluss über den Zustand der Batterie: Mit zunehmendem Alter, sinkendem Elektrolytgehalt oder fehlerhaften Lötstellen steigt der Innenwiderstand deutlich an. Die Spannung dient zur Beurteilung der Zellkonsistenz. Eine zu große Spannungsstreuung einzelner Zellen in einem Mehrzellen-Akkupack verkürzt die Lebensdauer des gesamten Packs und birgt die Gefahr eines thermischen Durchgehens. Nur wenn ein Batterietestgerät gleichzeitig Innenwiderstand und Spannung erfasst, kann es eine Klassifizierung in „HI/IN/LO“ vornehmen und qualifizierte, leicht erhöhte und nicht qualifizierte Proben unterscheiden. Ein herkömmliches Multimeter kann lediglich die Spannung messen und ist für die Innenwiderstandsmessung nicht präzise genug. Daher kann es ein spezielles Batterietestgerät zur Qualitätsbeurteilung nicht ersetzen.

Das LS5562 Das Batterietestgerät vereint Wechselstrom-Innenwiderstandsmessung und Gleichspannungsmessung. Es verfügt über einen integrierten Komparator und unterstützt eine 10-stufige Sortierung. Widerstand und Spannung können unabhängig voneinander als Schwellenwerte ermittelt werden. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination beider Parameter eine umfassende logische Auswertung mit Ausgabe von „Bestanden“/„Nicht bestanden“. Das Gerät eignet sich für die automatisierte Sortierung in Produktionslinien. Zusätzlich verfügt es über eine Kontaktprüfung der Messleitungen. Bei schlechtem Kontakt der Sonden wird die Anomalie erkannt, um fehlerhafte Testdaten in der Produktionslinie zu vermeiden und die Zuverlässigkeit der Chargenprüfung zu verbessern.

2. Technische Parameteranalyse der LISUN LS5562 Batterietestgeräte

Das LISUN LS5562 gehört zu den Hochspannungs- und Hochpräzisions-Batterieprüfgeräten und umfasst dieselbe Serie wie die LS5560 und LS5562A Modelle. Das LS5562A Unterstützt Hochspannungseingangsspannungen bis zu 300 VDC und eignet sich für die Prüfung von Hochspannungsbatteriemodulen, während die Nenneingangsspannung des LS5560 und LS5562 Die Versorgungsspannung beträgt 60 V DC. Das Gerät ist mit einem 4.3-Zoll-Farb-LCD-Bildschirm ausgestattet, der Widerstand R und Spannung V gleichzeitig anzeigt; die minimale Auflösung des Innenwiderstands beträgt 0.1 μΩ, die Spannungsauflösung bis zu 10 μV, und die maximale Testgeschwindigkeit liegt bei 100 Messungen pro Sekunde, wodurch die Anforderungen für die Probenahme und Sortierung in Hochgeschwindigkeits-Massenproduktionslinien erfüllt werden.

Tabelle 1 Vergleich der wichtigsten Spezifikationsparameter von LISUN LS5560, LS5562 und LS5562A

Aus dem Parametervergleich geht hervor, dass im Vergleich zu LS5560, hat das LS5562 erweitert den Widerstandsbereich um zwei zusätzliche Stufen von 300 Ω und 3000 Ω, sodass sowohl der niedrige Innenwiderstand von Leistungsbatterien im Milliohm-Bereich als auch ein Teil des hohen Innenwiderstands von Energiespeicherbatterien und Batteriebaugruppen geprüft werden können; LS5562A ist auf in Reihe geschaltete Hochspannungsmodule mit einer Eingangsspannung von 300 V DC ausgerichtet und passt sich den Erkennungsanforderungen von Lithium-Batteriepacks mit mehreren Reihenschaltungen für Elektrofahrzeuge an.

Das Gerät verfügt über vier Abtastgeschwindigkeiten: EX.FAST (4 ms), FAST (12 ms), MEDIUM (42 ms) und SLOW (157 ms). Der Hochgeschwindigkeitsmodus dient der schnellen Analyse großer Chargen in Produktionslinien, während der Langsamgeschwindigkeitsmodus die Messstabilität weiter verbessert und sich für Labortests in der Forschung und Entwicklung eignet. Die Messgenauigkeit beträgt im Niederwiderstandsbereich von 3 mΩ bis 30 mΩ ±0.5 % vom Messwert ±10 Digits, im Bereich von 30 mΩ bis 3000 Ω ±0.5 % vom Messwert ±5 Digits und bei Gleichspannungsmessungen ±0.01 % vom Messwert ±3 Digits. Damit erfüllt das Gerät höchste Anforderungen an die Präzisionsmessung.

Auf Kommunikationsebene werden die Protokolle SCPI und Modbus-RTU unterstützt. Die Sortierschnittstelle HANDLER lässt sich ohne zusätzliche Software direkt mit automatischen Sortieranlagen verbinden, und Testergebnisse können per USB direkt auf den Computer übertragen werden. Die Gerätekonfiguration ermöglicht das Speichern von 50 Einstellungen im Gerät und 500 auf dem USB-Stick. Dadurch können Testschemata für verschiedene Batterietypen schnell abgerufen und die Inbetriebnahmezeit der Produktionslinie verkürzt werden. Die Kontaktprüfung der Testleitungen erkennt virtuelle Verbindungen oder lockere Kontakte der Sonden und reduziert so fehlerhafte Daten bei Chargentests bereits auf Hardwareebene. Dies ist besonders praktisch für automatisierte Produktionslinien.

Batterietester LS5562 AL3

3 Konforme Industriestandards und Anwendungsszenarien

Dieses Batterietestgerät unterstützt die Testbedingungen zahlreicher nationaler und internationaler Batterienormen, darunter GB/T 31484-2015 „Anforderungen an die Zyklenlebensdauer und Testmethoden für Traktionsbatterien von Elektrofahrzeugen“, GB/T 31485-2015 „Sicherheitsanforderungen und Testmethoden für Traktionsbatterien von Elektrofahrzeugen“, GB/T 18287-2013 „Allgemeine Spezifikation von Lithium-Ionen-Batterien und Akkupacks für Mobiltelefone“, GB/T 22473-2013 „Allgemeine Anforderungen an Lithium-Ionen-Batterien und Akkupacks für Energiespeicher“ und ist außerdem mit den internationalen Normen IEC 61960-1:2017 und IEC 62133-1:2017 kompatibel und kann für Laborstandardtests und Werksqualitätsprüfungen verwendet werden.

Die wichtigsten Anwendungsszenarien des LS5562 Batterietestgeräte sind:

1. Qualitätskontrolle bei der Massenproduktion von Lithiumbatterien: Hochgeschwindigkeitssortierung von Lithiumbatterien für Endverbraucher und Knopfzellen direkt am Werksausgang, gleichzeitige Erfassung von Innenwiderstand und Spannung, Aussortierung von Zellen mit qualifizierter Konsistenz und Entfernung von Zellen mit Schweißfehlern und internen Anomalien;
2. Prüfung von Antriebsbatterien und Hochvolt-Akkupacks: Messung des Innenwiderstands und der Spannung von Lithium-Batteriemodulen für Elektrofahrzeuge und von in Reihe geschalteten Hochvolt-Lithium-Mehrzellenbatterien zur Beurteilung der Konsistenz der einzelnen Zellen nach der Montage;
3. Prüfung von Energiespeicher- und USV-Batterien: Bewertung der Degradation von Blei-Säure-Batterien und Lithium-Energiespeicherbatterien, regelmäßige Betriebs- und Wartungsüberwachung sowie Vorhersage des Batterielebensdauerabfalls;
4. Spezielle Batterieprüfung: Widerstands- und Spannungsprüfung von Brennstoffzellenstapeln und Wasserstoffbrennstoffzellen; ESR-äquivalente Serieninnenwiderstandsprüfung von Superkondensatoren;
5. Laborforschung und -entwicklung sowie Fehleranalyse: Verfolgung von Änderungen des Innenwiderstands und der Spannung während der Alterung der Batteriezyklen, Untersuchung der Batteriezerfallsgesetze und Diagnose defekter Proben;
6. Integration automatisierter Systeme: Zusammenarbeit mit automatischen Sortiermechanismen zum Aufbau vollautomatischer Batterieteststationen, Realisierung der unbeaufsichtigten Erkennung von Massenprodukten mit automatischer Speicherung und Archivierung der Testergebnisse.

In der realen Produktion gelangen bei einer Sortierung ausschließlich anhand der Spannung defekte Zellen mit abnormalem Innenwiderstand, aber normaler Spannung, in den nächsten Prozess. Die alleinige Berücksichtigung des Innenwiderstands reicht nicht aus, um überladene oder unterspannte Zellen zu identifizieren. Batterietestgeräte müssen daher Innenwiderstand und Spannung synchron messen können. Nur durch die gemeinsame Auswertung beider Größen lässt sich eine zuverlässige Aussortierung erreichen und das Risiko von Ausfällen nachfolgender Akkupacks reduzieren.

4 wichtige Punkte für die Auswahl und Verwendung von Batterietestgeräten

Bei der Auswahl von Batterietestgeräten müssen der maximale Spannungsbereich, der Innenwiderstandsbereich und die Anforderungen der Produktionslinie an die Testgeschwindigkeit der Batterie umfassend berücksichtigt werden. Für Einzelzellen oder Niederspannungsmodule bis 60 V gilt Folgendes: LS5562 kann von Milliohm-Leistungsbatterien bis hin zu Kiloohm-Batteriebaugruppen reichen; für Hochvolt-Batteriemodule LS5562A Das Modell sollte so gewählt werden, dass es die Spannungsfestigkeit von 300 VDC erfüllt.

Im praktischen Testbetrieb kann die Verwendung von AC-Vierpol-Batterieprüfgeräten zwar den Leitungswiderstand eliminieren, jedoch können Oxidation, unzureichender Druck und Oberflächenverunreinigungen der Sonden zu instabilen Kontakten führen. Die geräteeigene Kontaktprüffunktion sollte daher regelmäßig genutzt werden, um Kontaktanomalien frühzeitig zu erkennen. Im Hochgeschwindigkeitsmodus EX.FAST treten zusätzliche Messfehler auf, die die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Für F&E-Tests wird daher der Modus MEDIUM oder SLOW empfohlen, um die Datengenauigkeit zu gewährleisten. Bei Einsatz in automatisierten Produktionslinien müssen das Gerät und die Prüfsonden regelmäßig kalibriert bzw. gewartet werden, um die Wiederholbarkeit der Daten bei Langzeit-Chargenprüfungen sicherzustellen.

Gleichzeitig führt dieses Batterietestgerät Wechselstrom-Innenwiderstandsmessungen durch, die sich von Gleichstrom-Entlade-Innenwiderstandsmessungen unterscheiden. Da die physikalischen Bedeutungen beider Messungen unterschiedlich sind, müssen bei der Prüfung die in den Normen festgelegten Prüfmethoden beachtet und die entsprechenden Prüfbedingungen angewendet werden.

5 Fazit

Vor dem Hintergrund der qualitativ hochwertigen Entwicklung der Batterieindustrie für neue Energien, Batterietestgerät ist ein unverzichtbares Werkzeug, um die Konsistenz und Sicherheit von Batterieprodukten zu gewährleisten. Innenwiderstand und Spannung, die beiden wichtigsten Indikatoren für Batterien, müssen synchron erfasst werden, um den Batteriezustand vollständig zu beurteilen. LISUN LS5562 Das Hochspannungs-Hochpräzisions-Batterie-Innenwiderstandsmessgerät nutzt die AC-Vierpol-Messtechnik, bietet eine Auflösung im Mikroohm-Bereich, deckt mehrere Messbereiche ab, ermöglicht schnelle Messungen und verfügt über vielfältige Kommunikationsschnittstellen. Es ist mit zahlreichen nationalen und internationalen Standards kompatibel und eignet sich sowohl für die Laborforschung als auch für automatisierte Tests in der Fertigung. Es kann zum Testen verschiedener Energiespeichergeräte wie Lithiumbatterien, Energiespeicherbatterien, Brennstoffzellen und Superkondensatoren eingesetzt werden.

Mit der ständigen Weiterentwicklung der Batterietechnologie werden Hochvolt- und Großkapazitätsbatterien immer häufiger eingesetzt. Dies stellt höhere Anforderungen an die Spannungsfestigkeit, Genauigkeit, Störfestigkeit und Automatisierungsfähigkeit von Batterietestgeräten. Bei der Auswahl und Anwendung sollten die Spezifikationen der Batterietestgeräte anhand der Spannung, des Innenwiderstandsbereichs und des Anwendungsszenarios des Prüflings ausgewählt und die Bedienungsabläufe standardisiert werden. So lässt sich der Nutzen der synchronen Innenwiderstands-Spannungs-Messung optimal ausschöpfen, die Batteriesicherheitsrisiken minimieren und die Qualität von Batterieprodukten verbessern.