Top-Info: Niedrige Widerstände exakt vermessen Der Schlüssel zu effizienten Hochleistungsbatterien

Dass man in einem E-Sportwagen durch sportliches Betätigen des «Gaspedals» kraftvoll in den Sitz gedrückt wird, liegt unter anderem daran, dass die Antriebsbatterie in der Lage ist, den Motor mit hohen Strömen zu versorgen. Dafür wiederum sind Batterien mit niedrigen elektrischen Widerständen nötig – und die passende Messtechnik.

Besonders für die Realisierung von Hochleistungsbatterien wird die entsprechende Mess­technik benötigt. Jeder einzelne Fertigungsschritt spielt dabei eine entscheidende Rolle für das Gesamtergebnis der Batterie. Für den Messgerätehersteller Hioki ist die enge Zusammenarbeit mit führenden Batterieherstellern über Jahrzehnte ein Garant dafür, sowohl mit etablierter als auch mit neuentwickelter Messtechnik den Batteriemarkt zu stärken.

Elektrodentests

Durchläuft man den Fertigungsprozess einer Lithium-Ionen-Batterie chronologisch, findet eine wichtige elektrische DC-Widerstandsmessung bereits recht früh nach dem Beschichten der Elektroden mit der Aktivmasse statt. Dabei wird lithiumlegiertes Material unter Druck und bei entsprechenden Temperaturen auf das Elektrodenmaterial aufgetragen.

Eine anschliessende Widerstandsmessung erlaubt das Bestimmen des spezifischen elektrischen Widerstands der aufgetragenen Aktiv­masse sowie das Feststellen des Übergangswiderstands zwischen dem Aktiv­material und der Elektrode. Allerdings liessen sich diese beiden Werte bis vor wenigen Jahren nicht einfach separat bestimmen – besonders die Vermessung des Übergangswiderstands zwischen Aktivmasse und Elektroden­material stellte hier eine Herausforderung dar. Das änderte sich mit der Markt­einführung eines neuen Elektroden­widerstandsmesssystems – des RM2610 von Hioki.

Hiokis RM2610 ist im Prinzip ein DC-Widerstandsmessgerät. Statt mit einer klassischen 4-Draht-Messung arbeitet der RM2610 jedoch mit einem Tastkopf, bei dem auf einer Gesamtfläche von 1 mm² insgesamt 42 federnde Kontakte angeordnet sind. Während der Messung werden zwischen den Kontakten eine Reihe an DC-Widerstandsmessungen vorgenommen. Anhand dieser Messergebnisse werden dann mit Hilfe eines mathematischen Modells und bekannten Parametern der spezifische Widerstand der Aktivmasse sowie der Übergangswiderstand zwischen Aktivmasse und Elektrode berechnet.

Die bekannten Parameter sind dabei einfach bestimmbare Grössen wie die Stärke des Elektrodenmaterials, die Schichtdicke der Aktivmasse und der Wert der elektrischen Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials. Das Elektrodenmaterial der Anode ist üblicherweise Kupfer, während für die Kathode in der Regel Aluminium gewählt wird. Kupfer kann als Kathodenmaterial nicht verwendet werden, da es an der Kathode korrodieren würde. Umgekehrt ist Aluminium als Anodenmaterial ungeeignet, da es mit Lithium reagiert.

Auch wenn der RM2610 inzwischen vielfach als Prüfgerät in der Produktion von Li­thium-Ionen-Zellen zum Einsatz kommt, wurde er eigentlich für den Einsatz in Entwicklungsabteilungen konzipiert. Ziel war es, den Entwicklungsprozess von Zellen mit neuen Materialien zu verkürzen, indem eine Möglichkeit geschaffen wurde, bereits nach Fertigstellung der beschichteten Elektroden eine Aussage über die zu erwartende Güte der fertigen Zelle treffen zu können. Diese Möglichkeit war so einmalig und prozessverbessernd, dass Hiokis Elektrodenwiderstandsmesssystem noch in der Prototypenphase bei mehreren Dutzend Kunden in Asien zum Einsatz kam.

Widerstände von Schweisskontakten

Ganz klassisch mit einer 4-Draht-Messung laufen dagegen DC-Widerstandsmessungen beim Bestimmen von Kontaktwiderständen nach dem Herstellen von geschweissten Verbindungen ab. Egal, ob es sich bei diesen geschweissten Verbindungen um das Anbringen von Leistungsanschlüssen bei einer Pouch-Zelle oder um das Verbinden einer Zelle mit einer Stromschiene handelt – im Anschluss sollte in jedem Fall der Kontaktwiderstand geprüft werden, um gerade an dieser Stelle das Entstehen einer widerstandsabhängigen Wärmequelle zu vermeiden.

4-Draht-DC-Widerstandsmessungen kann man mit fast jedem Digitalmultimeter für den Labor- oder Industriebereich vornehmen. Für das Vermessen von Kontaktwiderständen in der Produktion gibt es allerdings einige wichtige Gründe, die Messung mit einem speziell dafür ausgelegten Widerstandsmessgerät vorzunehmen.

Der erste wichtige Grund ist der Messbereich für den Widerstand. Bei einem verbreiteten und ohne Frage erstklassigen 7½-stelligen Digitalmultimeter eines der bekannten Hersteller ist der kleinste Widerstandsmessbereich 1 Ω. Das klingt auf den ersten Blick beeindruckend, allerdings sollten die Kontaktwiderstände von Schweisskontakten bei Lithium-Ionen-Batterien idealerweise unterhalb von 0,1 mΩ liegen. Hiokis Widerstandsmessgerät RM3545 erfüllt diese Anforderung mit seinem kleinsten Messbereich von gerade einmal 10 mΩ bei einer Auflösung von 0,01 μΩ problemlos.

Batterietester für Schweisskontakte?

Eine Frage, die regelmässig an Hioki gerichtet wird, ist, ob man einen vorhandenen Batterietester auch für die Vermessung von Kontaktwiderständen verwenden kann. Es gibt einen technischen Grund, der dafürspricht, aber gewichtigere Gründe, die dagegensprechen.

Für den Einsatz des beim Batterietester verwendeten AC-Messverfahrens zum Vermessen von Kontaktwiderständen spräche, dass die elektromotorische Kraft – auch Urspannung genannt – bei diesem Messverfahren keine Rolle spielt. Denn vereinfacht gesagt handelt es sich bei der elektromotorischen Kraft um einen DC-Offset, der bei der Kontaktierung von unterschiedlichen Metallen entsteht. Ein DC-Offset kann bei einer AC-Messung aber ignoriert werden.

Bei dieser Urspannung handelt es sich um eine sehr kleine Spannung, die bei Widerstandsmessungen im Ohmbereich keinen messbaren Einfluss hat. Kontaktwiderstände bewegen sich aber durchaus im Mikroohm-Bereich, und hier gewinnt auch ein sehr kleiner DC-Offset an Relevanz für das Mess­ergebnis. Wichtig an dieser Stelle ist daher anzumerken, dass das bereits erwähnte DC-Widerstandsmessgerät RM3545 über eine «Offset Voltage Compensation»-Funktion verfügt, mit deren Hilfe der Einfluss der Urspannung minimiert wird.

Gegen den Einsatz von Batterietestern für die Vermessung von Kontaktwiderständen sprechen Wirbelströme, die bei einer 4-Draht-Messung in den Messleitungen auch bei Messfrequenzen von 1 kHz entstehen können. Wie bei der Urspannung haben diese Wirbelströme bei grösseren Widerständen keine Bedeutung – bei den sehr niedrigen Kontaktwiderständen haben sie aber einen Einfluss auf das Messergebnis. Schwierig ist dabei, dass Wirbelströme beim gleichen Prüfling abhängig von der Führung der Messleitung bereits unterschiedliche Grössen aufweisen können. Wird die Messleitung beispielsweise an einem (magnetischen) Stahl­blech wie einem Gehäuse vorbeigeführt, so kann dies ein anderes Messergebnis ergeben, als wenn die Messleitungen beim gleichen Prüfling etwas anders geführt werden. Das ist ein Grund, warum es beim Vermessen von Kontaktwiderständen mit einem Batterietester schwierig sein kann, wiederholbare bzw. exakt vergleichbare Messergebnisse zu erhalten.

Ein weiterer Grund ergibt sich beim Vergleich der Genauigkeiten der beiden Messmethoden: Einer der weit verbreitetsten Batterietester im Produktionsumfeld ist Hiokis BT3562A. Bei diesem Batterietester liegt die Grundgenauigkeit bei der Widerstandsmessung bei 0,5%. Das ist für ein AC-Widerstandsmessgerät ein sehr guter Wert. Ein DC-Widerstandsmessgerät wie der RM3545 weist dagegen aber eine Grundgenauigkeit von 0,006% auf.

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