Typische Messfehler in der Akkuproduktion vermeiden

Die Qualität und Langlebigkeit von Akkumodulen hängen maßgeblich von ihrer Produktion ab. Entsprechend hohe Anforderungen stellt die Massenproduktion von Akkus an die Qualitätskontrolle. Das betrifft sowohl die Herstellung einzelner Zellen als auch die Wareneingangskontrolle vor der Konfektionierung zu größeren Modulen. Eine homogene Qualität der einzelnen Zellen ist dabei entscheidend für die Qualität des gesamten Moduls. Anders als im Labor bei der Entwicklung neuer Batterien treten in der Fertigung aufgrund des Anlagenaufbaus verschiedene Störgrößen auf. Dennoch müssen die im Labor ermittelten Toleranzwerte auch im industriellen Umfeld zuverlässig eingehalten werden, um die Qualität der Zellen und der konfektionierten Akkupacks sicherzustellen.

Was wird bei Zellen und Batteriemodulen geprüft?

Bei Einzelzellen werden grundsätzlich die vollständigen elektrischen Eigenschaften geprüft. Bei zusammengesetzten Batteriepacks und Modulen kommen Parameter hinzu, mit denen sich der korrekte Zusammenbau überprüfen lässt. Die Wechselstrom-Innenwiderstandsmessung (AC-IR) erfasst den ohmschen Impedanzanteil einer Akkuzelle und erlaubt Rückschlüsse auf den Zustand des Elektrolyts. Die Gleichstrom-Innenwiderstandsmessung (DC-IR) liefert Informationen über den Zustand der Elektroden. Ergänzt werden diese Prüfungen durch eine Leerlaufspannungsmessung (OCV) zum Erkennen möglicher Selbstentladungen sowie meist durch eine Temperaturmessung (Bild 1). Für diese Messgrößen werden Grenzwerte definiert, anhand derer sich die Zellen beispielsweise in „gut“, „zweite Wahl“ oder „Ausschuss“ einteilen lassen.

Bei zusammengesetzten Batteriemodulen werden weitere Parameter erfasst, um die Qualität des Montageprozesses von Modulen und Packs zu bewerten. Übergangswiderstände an Punktschweiß-, Press- oder Schraubverbindungen können innerhalb der Module zu starker lokaler Erwärmung führen. Ursachen sind beispielsweise Instabilitäten beim Punktschweißen oder Pressen sowie unzureichend angezogene Verschraubungen, die den Widerstand an den Kontaktstellen erhöhen. Auch vollständige Module lassen sich so automatisiert mit festgelegten Vorgaben vergleichen und validieren.

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Messgenauigkeit bei der Inline-Prüfung von Batteriezellen

Für die erforderlichen 100-%-Kontrollen müssen große Stückzahlen in kurzer Zeit automatisch klassifiziert werden – typischerweise 100 Zellen pro Minute oder mehr. Für hohen Durchsatz, Prozesssicherheit und geringen Ausschuss sind neben der Leistungsfähigkeit und Präzision des Messgeräts auch der Aufbau der Prüfvorrichtung entscheidend (Bild 2). Die Komplexität der elektrischen Messtechnik werde dabei häufig unterschätzt, berichtet Johannes Wörner, Produktmanager bei burster: „Die Planung einer elektrischen Präzisionsprüfkette erfordert besondere Kenntnisse auf dem Gebiet kleinster Spannungen, Ströme und AC-Wechselwirkungsphänomene. Werden beispielsweise Messgeräte oder Messleitungen unpassend ausgewählt oder verlegt, kann zufällige Induktion die Messwerte verändern.“ Angesichts der geringen Messwerte bei der Zellenprüfung und der möglichen Störeinflüsse kommt es auf die Abstimmung von Messausrüstung und Anlagenaufbau an. Der Innenwiderstand (AC-Nennwert) typischer Akkuzellen liegt zwischen 0,1 mΩ und 30 mΩ. Bei unzureichend aufgebauten Prüfeinrichtungen schwanken die Messwerte dagegen oft um das Doppelte der Laborwerte und verlieren damit ihre Aussagekraft.

Wie entstehen Messfehler durch EMV und Induktion?

In Produktionsumgebungen beeinflussen zahlreiche Störquellen das Stromnetz, darunter Antriebe, Frequenzumrichter, Einschaltspitzen und elektromagnetische Störungen. Im Labor werden die Stromkreise für die Messtechnik deshalb strikt getrennt, um Messfehler zu minimieren. Präzisionsmessungen am regulären Stromnetz einer Fertigung sind dagegen besonders fehleranfällig. Weil die Störungen unregelmäßig und in unterschiedlicher Stärke auftreten, lassen sie sich nicht herausrechnen (Bild 3). Deshalb muss bereits bei der Planung geklärt werden, wie sich die Störeinflüsse minimieren lassen. Wörner nennt ein Beispiel: „Unser Batteriemessmodul Typ 2511 misst in rauer Industrieumgebung die drei wesentlichen Batterie-Parameter (AC-Innenwiderstand, DC-Innenwiderstand und Leerlaufspannung) innerhalb weniger Millisekunden. Um Störungen aus dem Netz zu vermeiden, verwenden wir Eingangsfilter in der Stromversorgung und ein abgeschirmtes Metallgehäuse (Bild 4).“

Auch unterschiedliche Erdpotenziale können Messfehler verursachen, etwa wenn Anlagenteile unzureichend geerdet sind. Insbesondere Frequenzumformer, (Punkt-)Schweißgeräte und ähnliche Einrichtungen im Umfeld der Batteriekonfigurierung können durch ihren Betrieb im Hochfrequenzbereich Spannungsspitzen verursachen. Bei unzureichender Abschirmung und Erdung führt dies zu erheblichen Messwertschwankungen. Das Messmodul von burster ist daher für die Hutschienenmontage mit Erdung und die Integration in Industrieanlagen ausgelegt.

Neue Dichtstoffgeneration für die Elektromobilität

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Auch Induktion kann Messfehler verursachen. Einarmroboter mit integrierten Motoren bewegen selbst schwere Lasten wie Batteriemodule schnell und präzise. Dafür sind hohe Kräfte und Anlaufströme erforderlich. Da sich die Kabel am Roboterarm nur eingeschränkt verlegen lassen, können durch Induktion Messartefakte entstehen, wenn Roboterbewegungen und Messvorgang zeitlich zusammenfallen. Auch an den Prüfspitzen sind induktive Störungen möglich. Bei der AC-Messung erzeugt der Prüfstrom ein Wechselmagnetfeld, das mit metallischen Bauteilen in der Umgebung interagiert, etwa mit Prüfspitzenhalterungen, Druckfedern oder Gestellverstrebungen. Diese Metalle können unerwünschte Kopplungen zwischen den Messleitungen verursachen. Bei den geringen Messspannungen im Millivoltbereich sind dadurch erhebliche Messfehler möglich. Prüfspitzenhalter und ihre Umgebung sollten deshalb vorzugsweise aus unmagnetischen Kunststoffen bestehen, um die einzelnen Messungen möglichst wenig zu beeinflussen. Wichtig ist zudem eine möglichst einheitliche Umgebung aller Prüfspitzen (Bild 5). Unterschiedliche Abstände zu metallischen Gestellteilen und Antriebsmotoren sowie uneinheitlich verlegte Sensorkabel können die Prüfergebnisse verfälschen.

Vierleitermessung für die präzise Batterieprüfung

Auch das Messgerät selbst beeinflusst die Messqualität. Das Batteriemessmodul 2511 von burster nutzt für die Impedanzmessung das Vierleiterverfahren: Zwei Leitungen dienen der Einspeisung des Prüfstroms, zwei weitere der Spannungsmessung. Der Batterietester arbeitet dabei als Stromsenke. Er entnimmt der Batteriezelle einen relativ kleinen Gleichstrom (IDC), wandelt diesen in Wechselstrom (IAC) um und prägt ihn der Zelle ein. Anschließend misst er den resultierenden Spannungsabfall UAC im Millivoltbereich. Bei der Messung kleiner Widerstände verringert das Vierleiterverfahren den Einfluss parasitärer Widerstände von Zuleitungen und Kontaktstellen und kann dadurch Problemen bei der Kontaktierung der Prüfspitzen mit dem Prüfling entgegenwirken. Pro Modul lassen sich so fünf Zellen im Sekundentakt vermessen. Die Module sind beliebig kaskadierbar. Verschiedene Feldbusschnittstellen ermöglichen ihre Integration in den Produktionsprozess.

Diese EMV-Anforderungen gelten bei der Batterieprüfung

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Die EN IEC 61326-1 beschreibt Anforderungen an die Störfestigkeit und Störaussendung elektrischer Geräte, die mit weniger als 1.000 V Wechselspannung oder weniger als 1.500 V Gleichspannung beziehungsweise aus dem Stromkreis, an dem gemessen wird, betrieben werden. Die Norm unterscheidet zwischen kontrollierten und industriellen elektromagnetischen Umgebungen. Die EMV-Klassifizierung eines Messgeräts ist jedoch nicht immer auf Anhieb ersichtlich. Gerade sie kann für die Messqualität entscheidend sein, da elektromagnetische Störungen die Ergebnisse unbrauchbar machen können. Deshalb ist es sinnvoll, Messtechnikspezialisten frühzeitig einzubeziehen, um einen stabilen Messprozess zu erreichen und damit die Zuverlässigkeit der Produktion sowie die Lebensdauer der Batterien sicherzustellen.

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