Batterie mit Laborstromversorgungen laden und zyklisieren

Das Laden von Energiespeichern gehört zwischenzeitlich zu unserem Alltag und wird durch das einfache Einstecken eines Ladegerätes realisiert. Diese Ladegeräte beinhalten viele Funktionen, die für den Endanwender von außen nicht sichtbar sind.

Um einen Energiespeicher in der Forschung, dem Labor und der Fertigungsumgebung richtig und sicher laden zu können, sollten die hierzu genutzten Stromversorgungen einige Funktionen beinhalten. Eines der einfachsten Ladeverfahren ist das IU- oder CCCV (constant current, constant voltage) Ladeverfahren.

Beim Anschluss der Stromversorgung an eine Batterie oder einen Superkondensator können Entwickler die Stromversorgung auf den maximalen Ladestrom und die Ladeschlussspannung einstellen. In diesem Fall arbeitet die Stromversorgung im Konstantstrombetrieb (CC), wobei die Batterie mit dem definierten gleichbleibenden Ladestrom geladen wird, während die Spannung mit zunehmender Ladung ansteigt.

Sobald die programmierte Ladeschlussspannung erreicht ist, geht die Stromversorgung in den spannungsgeregelten Modus (CV) über und der Ladestrom sinkt gegen Null.

Einsatz einer Sperrdiode

Die Ausgangsstufe einer Stromversorgung besteht aus einer großen Kondensatorbank mit den zugehörigen Entladewiderständen. Eine Sperrdiode verhindert die ungewollte Entladung des Energiespeichers durch Ableitwiderstände in der Stromversorgung und schützt deren Ausgangsstufe wiederum vor Beschädigung durch mögliche Rückströme.

Soll eine Sperrdiode vermieden werden, lässt sich die Stromversorgung auf die aktuelle Spannung des Energiespeichers vorladen, um die Spannungsdifferenz und den dadurch verursachten Ausgleichsstrom weitestgehend zu minimieren. Die Vorladung findet unter Leerlaufbedingungen mit getrenntem Ausgang zum Energiespeicher statt. Entwickler können die Stromversorgung dann auf die aktuelle Spannung und den maximalen Ladestrom des Energiespeichers programmieren und freigeben. Anschließend können Anwender den Energiespeicher mit einem entsprechend bemessenen externen Schaltelement an der Stromversorgung anschalten.

Fernabtastung (Sensing)

Die Fernabtastung, auch „Sensing“ genannt, ermöglicht es der Stromversorgung, den Spannungsabfall auf der Anschlussleitung zwischen den Ausgangsklemmen der Stromversorgung und der Last auszugleichen. Standardmäßig erfasst die Stromversorgung Spannungen direkt an ihren Ausgangsklemmen. Bei aktivierter Fernabtastung misst die Stromversorgung die Spannung an den Leitungen der Fernabtastung, dadurch lassen sich gewöhnlich einigen Prozent der Nennspannung kompensieren. Die Verwendung der Fernabtastung für Ladeapplikationen ist üblich, da sie ebenfalls die Kompensation des Spannungsabfalls an der Sperrdiode ermöglicht.

Batterie zyklisieren

Das Zyklisieren – also das wiederholte Laden und Entladen von Energiespeichern ist ein wichtiger Bestandteil bei der Prüfung von Batterien. Während das Laden nur einen Einquadrantenbetrieb (1Q) erfordert, ist für das Zyklisieren von Batterien ein Zweiquadrantenbetrieb (2Q) erforderlich, um die Energie auch aus dem Speicher zu entnehmen.

Je nach Anwendungsfall eigenen sich Stromversorgungen, die beide Quadranten – also Quelle und Last (Senke) – in einem Gerät beinhalten. Diese Geräte werden bidirektionale Stromversorgungen genannt. Die neuesten Generationen dieser Geräte bieten auf der Lastseite sogar die Rückspeisung der Energie in das Versorgungsnetz an. Diese regenerativen Lasten reduzieren den Energie- und Kühlbedarf und benötigen gleichzeitig weniger Bauraum. Die Verwendung einer unabhängigen Stromversorgung und elektronischen Last für jeden Betriebsquadranten bietet hingegen eine maximale Modularität.

Fließende und sehr schnelle Übergänge zwischen Laden und Entladen können Entwickler realisieren, in dem sie die Leistung der Stromversorgung etwas größer dimensionieren und die Last parallel zum Energiespeicher betreiben. Somit läuft die Last schon während des Ladevorgangs mit. Bei Abschaltung der Stromversorgung belastet sofort die elektronische Last den Energiespeicher ohne Zeitverzögerung.

Zur individuellen Programmierung von Lade- und Entladeprofilen stehen in den meisten Geräten diverse Funktionen, Grenzwertparameter und Regelmodi zur Verfügung. Diese lassen sich am Gerät selbst oder über eine Bediensoftware oder Programmierschnittstelle konfigurieren und im Gerät in Speicherlisten abspeichern. Häufig unterstützen solche Systeme auch aus der Messtechnik bekannte Befehlssätze wie SCPI zur vollständigen Programmierung und Steuerung der Geräte. Einige Hersteller liefern darüber hinaus zusätzliche IVI oder LabVIEW-Treiber zur Integration der Prüfstände.