Spannungsgeregelte Impedanzspektroskopie mit breitbandigen Anregungssignalen für Lithium-Ionen-Zellen in Kfz-Anwendungen

Zusammenfassung Die Impedanzspektroskopie für elektrochemische Systeme ist eine etablierte Methode zur Charakterisierung der elektrochemischen Eigenschaften von Lithium-Ionen-Zellen. Anhand der frequenzabhängigen Zellimpedanz ist eine simultane Analyse unterschiedlicher elektrochemischer Prozesse im Zellinneren möglich. Lithium-Ionen-Zellen für Kfz-Anwendungen weisen typischerweise einen geringen Innenwiderstand im mΩ-Bereich auf. Die Impedanzspektroskopie an derartigen Messobjekten erfordert daher ein angepasstes Verfahren, bei dem die Anregungssignalform und deren technische Realisierung optimal gewählt sind. In diesem Beitrag wird ein Synthesekonzept für breitbandige Anregungssignale vorgestellt. Der Ansatz basiert auf der inversen Fourier-Transformation und dient zur Erzeugung von Signalen mit geringer Auslenkung im Zeitbereich bei gleichzeitig hoher spektraler Anregungsleistung im betrachteten Frequenzbereich. Verfahren der Strom- und Spannungsanregung werden gegenübergestellt, deren jeweilige Vorteile sich in der Quasi-Spannungsanregung kombinieren lassen. Zur Realisierung der Quasi-Spannungsanregung mit beliebigen Spannungszeitverläufen wird eine geregelte Stromanregung eingesetzt. Mit Hilfe einer modellbasierten Simulation wird der Regler für eine Vielzahl unterschiedlicher Messobjekte mit signifikant abweichenden Impedanzeigenschaften dimensioniert und eine allgemeingültige Vorschrift für die Reglerdimensionierung für beliebige Zellen aufgestellt. Die Eigenschaften des neuen Verfahrens werden durch Messungen an Lithium-Ionen-Zellen belegt. So ermittelte Impedanzspektren zeigen gute Übereinstimmung mit etablierten Messverfahren und erreichen hohe Frequenzauflösung und Ergebnisgüte bei deutlich verkürzter Messdauer und geringerem Ladungsdurchsatz.