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Innovative EIS-Lösung für Batteriespeichersysteme der nächsten Generation
Tips & Trends | 5 Minuten Lesezeit |

Innovative EIS-Lösung für Batteriespeichersysteme der nächsten Generation

Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist ein Analysewerkzeug für alle, die an der Entwicklung, Wartung und Weiterentwicklung elektrochemischer Systeme wie Batterien, Brennstoffzellen und Elektrolyseure beteiligt sind. Das Verständnis von EIS und seinen Vorteilen kann einen wesentlichen Vorteil bei der Optimierung der Leistung und Langlebigkeit dieser Systeme bieten.

Einführung in das EIS

Die Analyse des Innenwiderstands bei verschiedenen Frequenzen eines elektrochemischen Systems, wie z.B. einer Batteriezelle, einer Brennstoffzelle oder eines Elektrolyseurs, wird als elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) bezeichnet. Mit dieser Messtechnik können z.B. Batteriezellen, -module und -packs unter Lade- oder Entladebedingungen getestet werden, um das Verhalten und die chemischen Prozesse bei Belastung der Batterie zu beobachten. Dies wird auch als Online-Impedanzspektroskopie oder elektrochemische Hochleistungs-Impedanzspektroskopie bezeichnet, wenn sie bei höheren Spannungspotentialen und Ladeströmen im Falle einer Batterie mit 1 oder mehreren C-Raten durchgeführt wird.

Unterschiedliche Methoden der EIS-Messung

Diese Technik der elektrochemischen Impedanzspektroskopie erzeugt Stromanregungen mit bestimmten Frequenzen und misst die Spannungsantwort (galvanostatischer Modus). Alternativ dazu erzeugt es Spannungsanregungen und misst die Stromantwort (potentiostatischer Modus). Der galvanostatische Modus stellt sicher, dass das SoC während der Messung nicht driftet und wird daher für Batteriezellen bevorzugt. Mit den Spannungs- und Strommesswerten kann die komplexe Impedanz berechnet werden.

Auswirkungen von Phasenverschiebung und Impedanz

Die zeitliche Verzögerung der Spannungsantwort verursacht eine Phasenverzögerung der Spannung zur Stromanregung während der Frequenzmessung. Diese Phasenverschiebung führt zu einer komplexen Impedanz mit einem realen und einem imaginären Teil. Die Impedanz ist nur für lineare Systeme definiert. Dennoch kann es auf ein nichtlineares System wie eine Batterie angewandt werden, wenn dessen Impedanz als linear und zeitinvariant angenähert werden kann (d.h. Linear-Time-Invariant LTI-Bedingung), was bedeutet, dass die komplexe Impedanz linear war und sich während der Messung im Laufe der Zeit nicht verändert hat oder zumindest sehr nahe an der linearen Impedanz war und sich im Laufe der Zeit fast nicht verändert hat; dies ist in der Regel der Fall, wenn z.B. die Anforderungen u.a. 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

In Wirklichkeit ändert sich die Temperatur einer Zelle aufgrund des Lade- oder Entladestroms und die OCV ist abhängig vom Ladezustand (SoC) und der Temperatur. Da sie sich verändern, ist auch eine Veränderung 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 Stromanregung sollte niedrig 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 liefern. Das bedeutet, dass das DAQ-System über ein sehr gutes SNR verfügen muss, um auch kleinste Spannungsantwortsignale im mV-Bereich messen zu können. Die Frequenzen, die für ganze Akkupacks am interessantesten sind, liegen beispielsweise zwischen 10 mHz und 2kHz. Bei Batteriezellen, Brennstoffzellenstapeln und Elektrolyseuren ist jedoch ein Frequenzbereich von 1 mHz bis 10 kHz (manchmal bis 20 kHz) üblich. Mit z.B. 10 Schritten pro Dekade als Sweep oder Multisinusmessung.

Visualisierung von EIS-Daten

Nach der Messung mehrerer Frequenzen kann die komplexe Impedanz in das charakteristische Nyquist-Diagramm eingezeichnet werden, in dem -Zimg auf der Y-Achse über Zreal auf der X-Achse aufgetragen ist. Jeder Punkt in diesem XY-Diagramm ist das Ergebnis einer Frequenz. Eine weitere gängige Visualisierung ist das Bode-Diagramm. Die Impedanz wird mit der logarithmischen Frequenz auf der X-Achse und sowohl dem absoluten Wert der Impedanz als auch der Phasenverschiebung auf der Y-Achse aufgetragen.

Erweiterte Diagnostik durch EIS

Prüfen Sie die Linearität: Zur Qualitätskontrolle ist es nützlich, das angelegte sinusförmige Stromsignal auf der X-Achse und das Spannungsantwortsignal auf der Y-Achse aufzuzeichnen. Da Anregung und Reaktion phasenverschoben sind, ergibt sich ein Oval. Diese Darstellung ist auch als “Lissajous-Figur” bekannt.

Eine weitere Möglichkeit, die Linearität des Systems zu überprüfen, besteht darin, eine FFT des Anregungssignals und des entsprechenden Antwortsignals aufzuzeichnen. Wenn das System nichtlinear ist, enthält das Antwortsignal Oberwellen des Anregungssignals in seinem Spektrum. Anhand der Amplitude und Anzahl der Oberschwingungen können Sie beurteilen, ob diese Nichtlinearität die Qualität und Genauigkeit der Impedanzmessung beeinträchtigt. Ein einfacher zu überprüfender Parameter ist der Klirrfaktor (Total Harmonic Distortion, THD), der anzeigt, wie stark Oberwellen das Signal verzerren. Das bedeutet, wie stark der Oberwellengehalt 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 die Anforderungen der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) durch ihr robustes Design und ihre fortschrittlichen technischen Eigenschaften. Das System umfasst ein leistungsstarkes Q.series X A193 Modul, das für Hochleistungsanwendungen und industrielle Anwendungen entwickelt wurde und über Funktionen zur Signalverstärkung und Offset-Messung verfügt, die die Empfindlichkeit und Selektivität bei Impedanzmessungen verbessern. Der Spannungsmessbereich und die Flexibilität bei der Strommessung, unterstützt durch eine robuste galvanische Isolierung, sorgen für eine genaue und zuverlässige Datenerfassung bei verschiedenen Anwendungen, einschließlich ganzer Batteriepacks. Die synchrone Signalerfassung erhält die Datenkohärenz und -genauigkeit aufrecht und nutzt den Lock-In, um bestimmte Signalfrequenzen und Phasen zu isolieren, was für die Erkennung schwacher Signale in verrauschten Umgebungen unerlässlich ist. 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 die unterschiedlichsten elektrochemischen Testanforderungen geeignet. Umfassender Datenzugriff und Echtzeit-Visualisierungstools, einschließlich Nyquist- und Bode-Diagrammen, erleichtern detaillierte Analysen und sofortiges Feedback. Erweiterte Konnektivitätsoptionen, wie eine offene API und eine EtherCAT-Schnittstelle, sorgen für eine nahtlose Integration in bestehende Stromversorgungssysteme und Automatisierungskonfigurationen. Zusätzliche Funktionen wie hochisolierte Thermoelementeingänge, Temperaturmesskanäle und ein Luftdeflektor für das Wärmemanagement verbessern die Systemleistung und -zuverlässigkeit weiter und machen die EIS-Lösung von Gantner zu einem umfassenden und effizienten Werkzeug für die Optimierung von Batterien, Brennstoffzellen und Elektrolyseuren.

Technische Merkmale Q.series X A193

EIS
  • 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

EIS Lösung für die Überwachung von Elektrolyseur-Stacks

Diese Fallstudie untersucht eine reale Anwendung der fortschrittlichen Mehrkanal-Elektrochemie-Impedanzspektroskopie (EIS) von Gantner Instruments zur Überwachung und Optimierung von Hochleistungs-Elektrolyseur-Stacks. Sie gibt einen detaillierten Einblick in unseren innovativen Ansatz und beschreibt die Herausforderungen, die wir bewältigt und die beeindruckenden Ergebnisse, die wir erzielt haben. Gewinnen Sie wertvolles Wissen über die Optimierung der Leistung von Elektrolyseuren und die Verlängerung ihrer Lebensdauer durch fortschrittliche EIS-Technologie.

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