Innovative EIS-Lösung für Batteriespeichersysteme der nächsten Generation

Einführung in das EIS

Die Analyse des Innenwiderstands eines elektrochemischen Systems, wie beispielsweise einer Batteriezelle, einer Brennstoffzelle oder eines Elektrolyseurs, bei verschiedenen Frequenzen wird als elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) bezeichnet. Mit dieser Messtechnik lassen sich beispielsweise Batteriezellen, Module und Packs unter Lade- oder Entladebedingungen prüfen, um das Verhalten und die chemischen Prozesse bei Belastung der Batterie zu untersuchen. Dies wird auch als Online-Impedanzspektroskopie oder als elektrochemische Hochleistungs-Impedanzspektroskopie bezeichnet, wenn die Messung bei höheren Spannungspotentialen und Strömen im Falle einer Batterie mit einer C-Rate von 1 oder mehreren C-Raten durchgeführt wird.

Unterschiedliche Methoden der EIS-Messung

Bei dieser Methode der elektrochemischen Impedanzspektroskopie werden Versorgungen bestimmter Frequenzen erzeugt und die Spannungsantwort gemessen (galvanostatischer Modus). Alternativ werden Versorgungen erzeugt und die Stromantwort gemessen (potentiostatischer Modus). Der galvanostatische Modus gewährleistet, dass der Ladezustand (SoC) während der Messung nicht driftet, und wird daher für Batteriezellen bevorzugt. Anhand der Spannungs- und Stromwerte lässt sich die komplexe Impedanz berechnen.

Auswirkungen von Phasenverschiebung und Impedanz

Die zeitliche Verzögerung des Spannungsverlaufs führt bei der Frequenzmessung zu einer Phasenverzögerung der Spannung gegenüber der Versorgung mit Strom. Diese Phasenverschiebung ergibt eine komplexe Impedanz mit einem Real- und einem Imaginärteil. Die Impedanz ist nur für lineare Systeme definiert. Dennoch kann sie auf ein nichtlineares System wie eine Batterie angewendet werden, wenn deren Impedanz als linear und zeitinvariant (d. h. Linear-Zeit-Invariante LTI-Bedingung), was bedeutet, dass die komplexe Impedanz während der Messung linear war und sich im Laufe der Zeit nicht änderte oder zumindest nahezu linear war und sich im Laufe der Zeit kaum änderte; dies ist in der Regel der Fall, wenn unter anderem folgende Voraussetzungen erfüllt sind:

• Die Temperatur der Zelle ändert sich während einer Messung nicht zu stark.
• Die Leerlaufspannung (OCV) ändert sich während einer Messung nicht zu stark.

Praktische Herausforderungen und Lösungen

Tatsächlich ändert sich die Temperatur einer Zelle aufgrund des Lade- oder Entladestroms, und die offene Klemmenspannung (OCV) hängt vom Ladezustand (SoC) und von der Temperatur ab. Wenn sich diese Faktoren ändern, ist auch eine Änderung der OCV unvermeidlich.

Genaue und wiederholte Messungen des SOC und der Zelltemperatur nach jeder Messung können jedoch dabei helfen, zu beurteilen, wie sehr diese Veränderungen die Qualität und Genauigkeit der Impedanzmessung beeinträchtigen.

Technische Überlegungen für eine wirksame EIS

Die Amplitude der Stromversorgung sollte gering genug sein, um das Verhalten der Zelle nicht zu beeinflussen, aber groß genug, um eine ausreichende Spannungsantwort im Hinblick auf das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des verwendeten Datenerfassungssystems zu gewährleisten. Das bedeutet, dass das Datenerfassungssystem über ein sehr gutes SNR verfügen muss, um selbst kleinste Spannungsantwortsignale im mV-Bereich messen zu können. Die für ganze Batteriepacks besonders relevanten Frequenzen liegen beispielsweise zwischen 10 mHz und 2 kHz. Bei Batteriezellen, Brennstoffzellenstapeln und Elektrolyseuren liegt der übliche Frequenzbereich hingegen zwischen 1 mHz und 10 kHz (manchmal bis zu 20 kHz). Dabei werden beispielsweise 10 Schritte pro Dekade als Sweep- oder Multi-Sinus-Messung verwendet.

Visualisierung von EIS-Daten

Nach der Messung mehrerer Frequenzen lässt sich die komplexe Impedanz im charakteristischen Nyquist-Diagramm darstellen, in dem -Zimg auf der Y-Achse und Zreal auf der X-Achse aufgetragen werden. Jeder Punkt in diesem XY-Diagramm entspricht dem Ergebnis einer einzelnen Frequenz. Eine weitere gängige Darstellungsform ist das Bode-Diagramm. Die Impedanz wird mit der logarithmischen Frequenz auf der X-Achse und sowohl dem Absolutwert der Impedanz als auch der Phasenverschiebung auf der Y-Achse dargestellt.

Erweiterte Diagnostik durch EIS

Prüfung der Linearität: Für Qualitätsprüfungen ist es sinnvoll, das angelegte sinusförmige Stromsignal auf der X-Achse und das Spannungsantwortsignal auf der Y-Achse grafisch darzustellen. Da Versorgung und Antwort phasenverschoben sind, ergibt sich eine ovale Kurve. Diese Darstellung wird auch als „Lissajous-Figur“ bezeichnet.

Eine weitere Möglichkeit zur Überprüfung der Linearität des Systems besteht darin, eine FFT des Signals der Versorgung und des entsprechenden Antwortsignals darzustellen. Ist das System nichtlinear, enthält das Antwortsignal in seinem Spektrum Oberschwingungen des Signals der Versorgung. Anhand der Amplitude und der Anzahl der Oberschwingungen lässt sich beurteilen, ob diese Nichtlinearität die Qualität und Genauigkeit der Impedanzmessung beeinträchtigt. Ein leichter zu überprüfender Parameter ist die Gesamtklirrfaktor (THD), der angibt, inwieweit Oberschwingungen das Signal verzerren. Das bedeutet, inwieweit der Oberschwingungsanteil die Grundfrequenz beeinflusst.

Messung von Impedanzsignalen auf einem hohen elektrischen Potential

• Strom- und Spannungssignale müssen synchron und auf einem hohen elektrischen Potential aufgezeichnet werden.
• Beste Signalqualität dank der neuen Messkarte für EIS-Signale (Q.series X A193)

Die All-in-One EIS-Lösung

Die All-in-One-EIS-Lösung von Gantner Instruments erfüllt dank ihrer robusten Bauweise und fortschrittlichen technischen Merkmale die Anforderungen der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS). Das System umfasst ein leistungsstarkes Modul der Q.series X A193, das für Hochleistungs- und Industrieanwendungen konzipiert ist und über Funktionen zur Signalverstärkung sowie zur Offset-Messung verfügt, welche die Empfindlichkeit und Selektivität bei Impedanzmessungen verbessern. Der Spannungsmessbereich und die Flexibilität bei der Messung des Stroms, unterstützt durch eine robuste galvanische Trennung, gewährleisten eine genaue und zuverlässige Datenerfassung in verschiedenen Anwendungsbereichen, einschließlich kompletter Batteriepacks. Die synchrone Signalerfassung gewährleistet die Kohärenz und Genauigkeit der Daten, wobei die Lock-In-Funktion zur Isolierung spezifischer Signalfrequenzen und -phasen genutzt wird – unerlässlich für die Erkennung schwacher Signale in rauschbehafteten Umgebungen. Der breite Frequenzbereich des Systems von 1 mHz bis 10 kHz und die modulare Konfiguration, die auf bis zu 128 EIS-Kanäle skalierbar ist, machen es für vielfältige Anforderungen an elektrochemische Prüfungen geeignet. Umfassende Datenzugriffsmöglichkeiten und Werkzeuge zur Echtzeit-Visualisierung, darunter Nyquist- und Bode-Diagramme, ermöglichen eine detaillierte Analyse und sofortiges Feedback. Erweiterte Anschlussmöglichkeiten, wie eine offene API und eine EtherCAT-Schnittstelle, gewährleisten eine nahtlose Integration in bestehende Stromversorgungssysteme und Automatisierungsumgebungen. Zusätzliche Funktionen wie hochisolierte Thermoelement-Eingänge, Temperaturmesskanäle und ein Luftleitblech für das Wärmemanagement verbessern die Systemleistung und Zuverlässigkeit weiter und machen die EIS-Lösung von Gantner zu einem umfassenden und effizienten Werkzeug zur Optimierung von Batterien, Brennstoffzellen und Elektrolyseuren.

Technische Merkmale Q.series X A193

• DAQ Module A193
  • Erstklassige Synchronisation und Signal-Rausch-Verhältnis
  • 4 Spannungseingänge +/-5 V, 100 kHz
  • 1 Eingang für Strommessungen (+/-5 V, 100 kHz)
  • 800 VDC Kanal-zu-Kanal, Kanal-zu-Stromversorgung und Kanal-zu-Bus
• Analog/Digital-Wandlung
  • Auflösung: 24-bit
  • Abtastrate: 100 kHz pro Kanal
  • Sample-by-Sample-Sigma-Delta-Vollsynchronisierung
  • Digitale Filter: Unendliche Impulsantwort (IIR), Tiefpass, Hochpass, Butterworth oder Bessel (2., 4., 6. oder 8. Ordnung), Frequenzbereich 0,1 Hz bis 10 kHz (einstellbar über Software)
  • Mittelwertbildung: konfigurierbar oder automatisch je nach gewählter Datenrate

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EIS Lösung für die Überwachung von Elektrolyseur-Stacks

Diese Fallstudie untersucht eine praktische Anwendung der fortschrittlichen Mehrkanal-Technologie zur elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) von Gantner Instruments zur Überwachung und Optimierung von Hochleistungs-Elektrolyseurstapeln. Sie vermittelt tiefgehende Einblicke in unseren innovativen Ansatz und beschreibt detailliert die bewältigten Herausforderungen sowie die beeindruckenden Ergebnisse, die erzielt wurden. Erwerben Sie wertvolles Wissen zur Optimierung der Leistung von Elektrolyseuren und zur Verlängerung ihrer Betriebsdauer durch fortschrittliche EIS-Technologie.