Warum präzise Batteriemessung in automatisierten Fertigungsumgebungen oft scheitert

Typische Messfehler in der Akkuproduktion vermeiden

Die Qualität und Langlebigkeit von Akku-Modulen hängen maßgeblich von ihrer Produktion ab. Eine Qualitätsprüfung im Fertigungsprozess hilft dabei, langlebige Batteriemodule zu bauen. Doch allzu oft liefern Batterietests im Labor stabile Werte und in der Fertigung plötzlich unbrauchbare Ergebnisse, die erratisch von vorgegebenen Grenzwerten abweichen. Warum ist das so? Eine große Anzahl an Zellen schnell und reproduzierbar in automatisierten Fertigungsumgebungen zu überprüfen, erfordert neben robusten Messgeräten auch einen durchdachten Messaufbau, um Fehlklassifikationen zu reduzieren und damit die Batteriequalität sicherzustellen.

Die moderne Massenproduktion von Akkus stellt hohe Ansprüche an die Qualitätskontrolle. Das betrifft sowohl die Herstellung der einzelnen Zellen als auch die Wareneingangskontrolle vor der Konfektionierung zu größeren Modulen. Hier ist eine homogene Qualität der einzelnen Zellen für die Qualität des Moduls entscheidend. Im Gegensatz zur Laborumgebung bei der Entwicklung neuer Batterien ist in der Fertigung mit verschiedenen Störgrößen durch den konstruktiven Aufbau der Fertigungsanlagen zu rechnen. Trotzdem müssen die im Labor ermittelten Messwerte für die Toleranz auch im industriellen Umfeld zuverlässig eingehalten werden, um die Qualität der Zellen oder der konfektionierten Akkupacks sicherzustellen.

Was wird geprüft?

Grundsätzlich werden bei Einzelzellen die vollständigen elektrischen Eigenschaften überprüft, während bei zusammengesetzten Batteriepacks oder Modulen zusätzlich auch noch Parameter für den richtigen Zusammenbau getestet werden müssen. Bei den einzelnen Akkuzellen wird mit einer Wechselstrom-Innenwiderstandsmessung (AC-IR) der ohmsche Impedanzanteil gemessen, der Rückschlüsse auf den Zustand des Elektrolyts zulässt. Eine zusätzliche Gleichstrom-Innenwiderstandsmessung (DC-IR) liefert dagegen Informationen über den Zustand der Elektroden. Diese Messungen werden durch eine Leerlaufspannungsmessung (OCV) zur Detektion von eventuellen Selbstentladungen und meist eine Temperaturmessung ergänzt (Bild 1). Zu all diesen Messgrößen werden dann Grenzwerte für eine Klassifizierung festgelegt, beispielsweise in „gut“, „zweite Wahl“ oder „Ausschuss“.
Bei zusammengesetzten Batteriemodulen werden weitere Parameter erfasst, um auch die Qualität des Montageprozesses der Batteriemodule und -packs zu bewerten. Innerhalb der Module können Übergangswiderstände von Punktschweißverbindungen, Press- und Schraubverbindungen zu einer starken lokalen Hitzeentwicklung führen. Ursache dafür sind Prozessinstabilitäten, beispielsweise innerhalb des Punktschweißverfahrens bzw. des Pressvorgangs, oder unzureichend angezogene Verschraubungen, die den Widerstand an den Kontaktstellen erhöhen. Auch ganze Module können so automatisch mit festgelegten Vorgaben verglichen und validiert werden.

Messgenauigkeit unter widrigen Bedingungen ausschlaggebend

Für die nötigen 100 %-Kontrollen müssen große Stückzahlen in kurzer Zeit automatisch klassifiziert werden: typischerweise 100 Zellen in der Minute oder mehr. Für einen hohen Durchsatz ist neben der Leistungsfähigkeit und Präzision des Messgerätes der Aufbau der Prüfvorrichtung ausschlaggebend für hohe Prozesssicherheit und minimalen Ausschuss (Bild 2). Dabei wird die Komplexität der elektrischen Messtechnik immer wieder unterschätzt, wie Johannes Wörner, Produktmanager bei burster, aus vielen Anwendungen weiß: „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.“ Vergleicht man die Größe der reinen Messwerte für die Zellenprüfung mit den möglichen Störeinflüssen, so wird schnell klar, dass eine zuverlässige Qualitätskontrolle nur durch eine optimierte Auslegung von Messausrüstung und Anlagenaufbau möglich ist. So beträgt der Innenwiderstand (AC-Nennwert) bei typischen Akkuzellen zwischen 0,1 mΩ und 30 mΩ. In einer unzureichend aufgebauten Prüfeinrichtung gemessene Werte schwanken dagegen oft mit dem doppelten Wert der Laborwerte und machen damit jede Messaussage wertlos.

Industrielle Störeinflüsse erkennen und eliminieren

In einem Produktionsumfeld gibt es viele Störquellen, wie Antriebe und Frequenzumrichter, Einschaltspitzen und EMV, die das Netz beeinflussen. Nicht umsonst werden im Labor Stromkreise für die Messtechnik strikt getrennt, um Messfehler zu minimieren. Bei Präzisionsmessungen am „normalen“ Stromnetz einer Produktion sind daher Fehler vorprogrammiert. Da die Störungen typischerweise zufällig in unterschiedlicher Höhe entstehen, kann man sie auch nicht herausrechnen (Bild 3). Hier muss im Vorfeld geklärt werden, wie die Störeinflüsse minimiert werden können. Wörner erläutert an einem 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).“
Eine weitere Fehlerursache können unterschiedliche Erdpotentiale durch mangelhafte Erdung aller Anlagenteile sein. Vor allem moderne Frequenzumformer, (Punkt-)Schweißgeräte und ähnliche Einrichtungen im Umfeld der Batteriekonfigurierung können durch das Arbeiten im Hochfrequenzbereich Spannungsspitzen bei nicht dafür abgeschirmten Geräten und mangelhafter Erdung mit erheblichen Messwertschwankungen verursachen. Die Messtechnikexperten von burster fertigen daher ihr Messmodul für die Hutschienenmontage mit Erdung zur industrieüblichen Integration.
Messfehler können auch durch Induktion entstehen. Meist bewegen Einarmroboter mit integrierten Motoren auch schwere Lasten wie Module schnell und präzise. Das erfordert Kraft bzw. hohe (Anlauf-)Ströme. Weil alle Kabel nur sehr eingeschränkt am Arm verlegt werden können, ist es möglich, dass dabei leicht Messartefakte durch Induktion entstehen, wenn Robotertätigkeit und Messprozess sich überschneiden. Ein ganz anderes „Induktions-Problem“ kann an den Prüfspitzen entstehen. Bei der AC-Messung erzeugt der Prüfstrom ein Wechselmagnetfeld. Dieses Magnetfeld interagiert dann mit Metallen in der Umgebung wie zum Beispiel einer metallischen Prüfspitzenhalterung, Druckfedern oder einer Gestellverstrebung. Diese Metalle wirken dann wie unerwünschte Kopplungen zwischen Messleitungen. Bei den ohnehin sehr kleinen Messspannungen im Millivoltbereich können so schnell große Fehler auftreten. Prüfspitzenhalter und Umgebung sollten daher vorzugsweise in unmagnetischen Kunststoffen ausgeführt werden, um jeder Prüfspitze eine unbeeinflusste Messumgebung zu geben. Dabei müssen die Prüfspitzen alle in einer möglichst einheitlichen Umgebung liegen (Bild 5). Unterschiedliche Abstände zu Gestellmetallen, Antriebsmotoren oder uneinheitlich verlegte Sensorkabel verfälschen sonst die Ergebnisse der einzelnen Prüfungen.

Ein Blick ins Messgerät

Neben dem Umfeld hat auch das Messgerät selbst Einfluss auf die Messqualität. So arbeitet das 2511-Modul von burster nach der bewährten Vierleiter-Messmethode (mit vier Anschlüssen) für die Impedanzmessung: zwei Leitungen für die Einspeisung des Prüfstromes sowie zwei Leitungen für die Spannungsmessung. Der Batterietester arbeitet dabei als Stromsenke. Er entnimmt dem Prüfling (Batteriezelle) einen relativ kleinen Gleichstrom (IDC), wandelt diesen in einen Wechselstrom (IAC) um und prägt diesen dem Prüfling (Batteriezelle) ein. Dann misst er den resultierenden Spannungsabfall UAC im mV-Bereich. Bei der Messung kleiner Widerstände dagegen minimiert die Vierleitermessung parasitäre Widerstände von Zuleitungen und Kontaktstellen und kann so Problemen beim Kontaktieren der Prüfspitzen mit dem Prüfling entgegenwirken. Dadurch können jeweils fünf Zellen pro Modul im Sekundentakt vermessen werden. Die Module sind beliebig kaskadierbar und verschiedene Feldbusschnittstellen ermöglichen eine flexible Prozessintegration.

EMV beachten und sicher prüfen

Ein weiteres wichtiges Thema ist die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Hier gibt die EN IEC 61326-1 wichtige Hinweise. Sie beschreibt die Anforderungen an die Störfestigkeit und die Störaussendung für elektrische Geräte, die mit weniger als 1.000 V Wechselspannung oder weniger als 1.500 V Gleichspannung oder von dem Stromkreis, an dem gemessen wird, betrieben werden. Die Norm differenziert zwischen kontrollierten elektromagnetischen Umgebungen und industriellen elektromagnetischen Umgebungen. Üblicherweise ist die EMV-Klassifizierung eines Messgeräts nicht schnell ersichtlich. Doch gerade dieses Detail ist essenziell, denn oft ist es EMV, die das Messergebnis unbrauchbar macht. Daher ist es hilfreich, schon früh Spezialisten für Messtechnik mit ins Boot zu holen für einen stabilen Messprozess, um letztendlich die Zuverlässigkeit der Produktion und die Lebensdauer der Batterien sicherzustellen.

 

Weitere Informationen:

www.burster.de