Hier eröffne ich einen neuen Thread, da die Innenwiderstandsbestimmung mehr Allgemeingültigkeit hat und nicht nur LiPo-HV typisch ist.
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Methoden zur Innenwiderstandsbestimmung von Lithium-Akkus
- Ersteller Gerd Giese
- Erstellt am
BZFrank
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Das Thema ist recht komplex. Ich werf mal dazu etwas (frei erhältliche, viele der wissenschaftlichen Artikel dazu sind nur per Subskiption und gegen $ erhältlich) Literatur ein:
"Internal resistance of cells of lithium battery modules with FreedomCAR model"
http://www.evs24.org/wevajournal/php/download.php?f=vol3/WEVJ3-5340444.pdf
Dieses Paper greift auch die Messmethode des Ri per Spannungsdifferenz auf und vergleicht sie mit EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy), also Messung per AC-Impuls.
Gruß
Frank
"Internal resistance of cells of lithium battery modules with FreedomCAR model"
http://www.evs24.org/wevajournal/php/download.php?f=vol3/WEVJ3-5340444.pdf
Dieses Paper greift auch die Messmethode des Ri per Spannungsdifferenz auf und vergleicht sie mit EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy), also Messung per AC-Impuls.
Gruß
Frank
Moin Frank,
danke für den Link und kennst Du den TrueData-EIS Impedanzanalysator (pdf zum Gerät): http://www.all-about-test.info/bauteile/658-batterie-impedanzmessungen-bei-hohen-dc-stroemen.html
Hast du schon damit mal gearbeitet?
Nachtrag ... Frank, bitte hilf einem "leicht" Englischbehinderten mit der Bedeutung zu (K5 - Temperature and ageing):
>> Temperature and ageing The temperature increases with 2°C when several tests are done continuously with less pause despite of the fan.
This has the same effect as decreasing the SOC: Rp and Ro increases with the increasing temperature.... <<
Deute ich das richtig, dass hier der Innenwiderstand Rp & Ro (!) den gleichen Effekt zeigt wie:
Es steigt mit zunehmender Temperatur der Widerstand genauso wie bei einer Verringerung des Ladezustandes... ???
Mein Weltbild wäre okay, bei "abnehmender" Temperatur ...
... und dann:
Was bezeichnen die als Rp (Ip(t) - sind das die Verzögerung, bezogen auf dt, sich die Urspannung (0VL) wieder zu nähern
nach einem Lastimpuls - also eine Art "Dämpfungswiderstand". Der Verlauft ist e-funktionsmäßig?
danke für den Link und kennst Du den TrueData-EIS Impedanzanalysator (pdf zum Gerät): http://www.all-about-test.info/bauteile/658-batterie-impedanzmessungen-bei-hohen-dc-stroemen.html
Hast du schon damit mal gearbeitet?
Nachtrag ... Frank, bitte hilf einem "leicht" Englischbehinderten mit der Bedeutung zu (K5 - Temperature and ageing):
>> Temperature and ageing The temperature increases with 2°C when several tests are done continuously with less pause despite of the fan.
This has the same effect as decreasing the SOC: Rp and Ro increases with the increasing temperature.... <<
Deute ich das richtig, dass hier der Innenwiderstand Rp & Ro (!) den gleichen Effekt zeigt wie:
Es steigt mit zunehmender Temperatur der Widerstand genauso wie bei einer Verringerung des Ladezustandes... ???
Mein Weltbild wäre okay, bei "abnehmender" Temperatur ...
... und dann:
Was bezeichnen die als Rp (Ip(t) - sind das die Verzögerung, bezogen auf dt, sich die Urspannung (0VL) wieder zu nähern
nach einem Lastimpuls - also eine Art "Dämpfungswiderstand". Der Verlauft ist e-funktionsmäßig?
Zuletzt bearbeitet:
A. Motivation
A. Motivation
A.1. Was ist der Innenwiderstand (Ri) überhaupt?
Die Spannung eines gegebenen Akkupacks hängt, also mal neben der Anzahl der Zellen (s-Anzahl), der chemischer Grundspannung des Akkutyps (Nennspannung: z.B. LiPo 3.7-3.8V, NiMH 1.25V, Blei 2.0V) sowie dem Ladezustand des Akkus (Spannung eines LiPo geht von voll = 4.2V bis leer=3.5V) von den "inneren Verlusten" im Akku ab, welche die Spannung außen an den Klemmen reduziert. Diese "inneren Verluste" sind idR propoertional zum Strom. Deshalb denkt man sie sich diese (als sog. Ersatzschaltbild) vereinfacht als einen der Quelle in Reihe geschalteten Widerstand und nennt es den "Innenwiderstand" der Stromquelle.
Quellen:
Bild 1: http://lexikon.freenet.de/Datei:Quelle_Ri.svg oder http://de.wikipedia.org/wiki/Ausgangswiderstand
Bild 2: http://www.zeiner.at/get/uebungen/ueb104.html
Nun ist es bei Akkus aber (leider) nicht so einfach, d.h. der effektive Innenwiderstand eines Akkus ist keine Konstante - das stellt man relativ schnell fest.
A.2. Warum beschäftigte ich mich mit dem Innenwiderstand (Ri) von Akkus?
a. Ich nehme an (Boots-)Wettbewerben teil. Das sind einmal Dauerrennen (6-15min Fahrzeit), zum anderen Geschwindigkeitswettbewerbe (SAW). Für Dauerrennen will man die maximale Energiemenge aus dem Akku holen (Energie = Spannung*Kapazitzät), für SAW die maximals (Kurzzeit-)Leistung (Leistung = Spannung*Strom). In beiden Fällen taucht die Spannung, genauer: die Klemmenspannung, in der Gleichung auf. Wenn diese maximal ist, erhält man die besten Ergebnisse. Ergo muss der Innenwiderstand (der mir Spannung in Form von Ri * Strom "klaut") möglichst klein sein. Je niedriger der Ri, desto mehr bleibt von der in der Zelle gespeicherten Energie oder der abrufbaren Leistung übrig.
=> i. Wenn man also den Innenwiderstand von Zellen messen könnte, dann könnte man (neben der Kapazität) beurteilen, wie gut eine Zelle oder ein Zellentyp geeignet ist.
=> ii. Wenn man sogar herausgekommt, wie man den Ri beeinflussen kann, dann könnte man diese Randbedingungen gezielt herbeiführen, wenn man maximale Leistung oder Energie wünscht.
b. Fließt Strom durch einen (ohmschen) Widerstand, dann wandelt sich die über dem Widerstand abfallenden Leistung (= Ri * Strom²) in Wärme um. Sprich, der Akku wird warm bzw. heiß. Nun ist es aber (leider) so, dass Akkus nicht unendlich heiß werden dürfen, von daher darf der Akku während der Nutzung nicht überhitzen. Anders ausgedrückt: je kleiner der Innenwiderstand, desto mehr Strom kann man einer Zellen "entlocken" oder "zumuten", ohne dass sie überhitzt. Dies drückt für LiPos im wesentlichen die C-Rate aus (C-Rate = Faktor zwischen Nennkapazität [in Ah] und zulässigem Maximalstrom). Aber wie wir leider wissen bzw. gelernt haben, geben die Hersteller/Händler z.T. inzwischen völlig willkürliche Zahlen an, so dass man sich auf diese Angaben nur sehr wenig verlassen kann.
=> Wenn man also den Innenwiderstand von Zellen messen könnte, dann könnte man zu realistischeren Abschätzungen der Erwärmung kommen und so eine realistischere C-Rate angeben.
Ziel der folgenden Überlegungen ist es also den Innenwiderstand zu ermitteln, darzulegen waraus er sich zusammensetzt und zu verstehen, wovon er abhängt. Das ganze mit dem Ziel ihn ggf. so zu beeinflussen, dass er für die jeweilige Anwendung optimal wird. Ein weiter Aspekt ist Rahmenbedingungen zu erkennen oder festzulegen, die das Überleben der Zellen ermöglichen bzw. eine Mindestzahl an Zyklen gewährleisten.
Jörg
(In Abstimmung die Quellenlinks ergänzt - Gerd, Moderator)
A. Motivation
A.1. Was ist der Innenwiderstand (Ri) überhaupt?
Die Spannung eines gegebenen Akkupacks hängt, also mal neben der Anzahl der Zellen (s-Anzahl), der chemischer Grundspannung des Akkutyps (Nennspannung: z.B. LiPo 3.7-3.8V, NiMH 1.25V, Blei 2.0V) sowie dem Ladezustand des Akkus (Spannung eines LiPo geht von voll = 4.2V bis leer=3.5V) von den "inneren Verlusten" im Akku ab, welche die Spannung außen an den Klemmen reduziert. Diese "inneren Verluste" sind idR propoertional zum Strom. Deshalb denkt man sie sich diese (als sog. Ersatzschaltbild) vereinfacht als einen der Quelle in Reihe geschalteten Widerstand und nennt es den "Innenwiderstand" der Stromquelle.
Quellen:
Bild 1: http://lexikon.freenet.de/Datei:Quelle_Ri.svg oder http://de.wikipedia.org/wiki/Ausgangswiderstand
Bild 2: http://www.zeiner.at/get/uebungen/ueb104.html
Nun ist es bei Akkus aber (leider) nicht so einfach, d.h. der effektive Innenwiderstand eines Akkus ist keine Konstante - das stellt man relativ schnell fest.
A.2. Warum beschäftigte ich mich mit dem Innenwiderstand (Ri) von Akkus?
a. Ich nehme an (Boots-)Wettbewerben teil. Das sind einmal Dauerrennen (6-15min Fahrzeit), zum anderen Geschwindigkeitswettbewerbe (SAW). Für Dauerrennen will man die maximale Energiemenge aus dem Akku holen (Energie = Spannung*Kapazitzät), für SAW die maximals (Kurzzeit-)Leistung (Leistung = Spannung*Strom). In beiden Fällen taucht die Spannung, genauer: die Klemmenspannung, in der Gleichung auf. Wenn diese maximal ist, erhält man die besten Ergebnisse. Ergo muss der Innenwiderstand (der mir Spannung in Form von Ri * Strom "klaut") möglichst klein sein. Je niedriger der Ri, desto mehr bleibt von der in der Zelle gespeicherten Energie oder der abrufbaren Leistung übrig.
=> i. Wenn man also den Innenwiderstand von Zellen messen könnte, dann könnte man (neben der Kapazität) beurteilen, wie gut eine Zelle oder ein Zellentyp geeignet ist.
=> ii. Wenn man sogar herausgekommt, wie man den Ri beeinflussen kann, dann könnte man diese Randbedingungen gezielt herbeiführen, wenn man maximale Leistung oder Energie wünscht.
b. Fließt Strom durch einen (ohmschen) Widerstand, dann wandelt sich die über dem Widerstand abfallenden Leistung (= Ri * Strom²) in Wärme um. Sprich, der Akku wird warm bzw. heiß. Nun ist es aber (leider) so, dass Akkus nicht unendlich heiß werden dürfen, von daher darf der Akku während der Nutzung nicht überhitzen. Anders ausgedrückt: je kleiner der Innenwiderstand, desto mehr Strom kann man einer Zellen "entlocken" oder "zumuten", ohne dass sie überhitzt. Dies drückt für LiPos im wesentlichen die C-Rate aus (C-Rate = Faktor zwischen Nennkapazität [in Ah] und zulässigem Maximalstrom). Aber wie wir leider wissen bzw. gelernt haben, geben die Hersteller/Händler z.T. inzwischen völlig willkürliche Zahlen an, so dass man sich auf diese Angaben nur sehr wenig verlassen kann.
=> Wenn man also den Innenwiderstand von Zellen messen könnte, dann könnte man zu realistischeren Abschätzungen der Erwärmung kommen und so eine realistischere C-Rate angeben.
Ziel der folgenden Überlegungen ist es also den Innenwiderstand zu ermitteln, darzulegen waraus er sich zusammensetzt und zu verstehen, wovon er abhängt. Das ganze mit dem Ziel ihn ggf. so zu beeinflussen, dass er für die jeweilige Anwendung optimal wird. Ein weiter Aspekt ist Rahmenbedingungen zu erkennen oder festzulegen, die das Überleben der Zellen ermöglichen bzw. eine Mindestzahl an Zyklen gewährleisten.
Jörg
(In Abstimmung die Quellenlinks ergänzt - Gerd, Moderator)
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BZFrank
User
Meines auch (zumindest bis zu einer oberen Grenztempertur), an der Stelle gehe ich auch davon aus das das andersherum gemeint war. In ihrem Akkumodell taucht die Temperatur auch nicht auf , da ist eindeutig Verbesserungsbedarf. Steht ja auch auf Seite 5: 'neither was the influence of temperature analysed at the moments'
Die e-Funktion steckt da mit drin. Siehe 2. und Fig. 3 (Impulse response)
Gruß
Frank
B. Ursachen und Vorüberlegungen
B. Ursachen und Vorüberlegungen
Bevor man mit dem Messen beginnt, macht es Sinn sich Gedanken zu machen, was einen erwartet.
B.1. Wie ist eine LiPo-Zelle aufgebaut was verursacht Widerstände?
Elektrisch betrachtet beginnt und endet alles mit den Ableitern aussen: Plus aus Alu, Minus aus vernickeltem Kupfer. Die Ableiter sind mit den inneren Abeiterfolien verschweißt. Auf diese dünne Folien aus Alu und Kupfer sind die aktiven Materialien aufgebracht. Graphit (oder Kohle) auf der negativen Seite, die positive Elektrode aus einem Lithium-Metalloxid (je gemixt mit "was-auch-immer"). Diese Trägerfolien werden abwechselnd geschichtet, dazwischen die Separatorfolie - ein ionendurchlässiger Isolator. Das ganze ist mit Elektrolyt getränkt. Der Elektrolyt besteht aus Lösungsmitteln und Leitsalz.
Interessante Videos dazu z.B.: https://www.youtube.com/watch?v=dmwxk5boIrw oder auch https://www.youtube.com/watch?v=IMOSletgaaY
Zum Aufbau siehe auch: http://www.basytec.de/Literatur/schnelltest/schnelltest.html - Kap. 2.3 Aufbau eines Akkumulators
B.2. Was verursacht Widerstände bzw. Spannungsabfälle?
Als Laie fallen einem dazu ein:
* ohmsche Widerstände der Ableiter und der Trägerfolien
* ohmsche Übergangswiderstände an den Schweißpunkten
* ohmsche Widerstände der aktiven Materialien
* Übergangswiderstände zwischen den aktiven Materialien, dem Elektrolyten und den Trägerfolien (und ggf. Grenzschichten dazwischen)
* Leitfähigkeit des Elektrolyten
* Durchlässigkeit des Separators
* Ionenabgabefähigkeit (und Aufnahmefähigkeit) der aktiven Materialien
Während die ohmschen Anteile einem Nicht-Chemiker noch recht verständlich sind, fehlen zumindest mir die chemischen Kenntnisse bzgl. den chemischen Effekten. Aber man kann sich schon vorstellen, dass die Leitfähigkeit des Elektrolyten oder die Durchlässigkeit des Separators ein Problem sein können, wenn sehr hohe Ströme gefordert sind. Sollte es hier Begrenzungen geben, dann gibts einen "Stau". Gleiches gilt für die Aufnahmefähigkeit von Ionen. Und wenn die Abgabefähigkeit nicht hoch genug sein sollte, dann kann auch kein höherer Strom fließen. Nach aussen wird sich dies alles dann jeweils als reduzierte Spannung darstellen, also unter Annahme des ohmschen Gesetz einen Widerstand darstellen.
Üblicherweise wird jedenfalls zwischen 2 Komponenten unterschieden, den ohmschen Anteilen (Ro) und den chemischen Anteilen (sog. Polarisationsüberspannungen - Rp): Ri = Ro + Rp.
P.S. In dem Zusammenhang "plagt" mich übrigens noch eine Fragestellung: Erzeugt die Spannungserniedrigung aufgrund der chemischen Effekte auch Wärme, also ebenso wie ohmsche Verluste?
B.3. Welchen Randbedingungen wird man testen?
* der ohmsche Anteil Ro wird sich relativ unbeeindruckt zeigen bzgl. äußeren Bedingungen, d.h. er wird unabhängig sein vom Strom, Druck, Ladezustand des Akkus etc. und sich max. leicht unter Temperatureinflüssen ändern. Für Kupfer und Alu steigt der Widerstand um ca. 4% bei 10°C Erwärmung, siehe Temperaturkoeffizient bei Wikipedia. Graphit wird demzufolge minimal besser leiten, wenn es warm wird. Für die aktiven Materialien wage ich keine Prognose.
* für die chemische Anteile Rp wird man die übliche bessere Reaktionsfähigkeit bei Wärme vermuten. Gasdruck wird man nicht untersuchen müssen, da die Tütenzellen (anders als Becherzellen) keinen Druck aushalten. Mechanischer Druck, durch Zusammenpressen der Zellen, könnte allerdings Effekte zeigen. Bzgl. des Stroms wird man erwarten, dass zunehmende Ströme den chemischen Anteil am Widerstand ggf. ändert (insbesondere, wenn es Richtung der Grenzen der Leitfähigkeit oder Abgabefähigkeit geht). Der Ladezustand wird vermutlich einen Einfluss haben, das erwartet man weil die Aufnahme- oder Abgabefähigkeit für Ionen an den Grenzen des Füllzustands sicherlich nicht mehr so gut ist.
Jörg
B. Ursachen und Vorüberlegungen
Bevor man mit dem Messen beginnt, macht es Sinn sich Gedanken zu machen, was einen erwartet.
B.1. Wie ist eine LiPo-Zelle aufgebaut was verursacht Widerstände?
Elektrisch betrachtet beginnt und endet alles mit den Ableitern aussen: Plus aus Alu, Minus aus vernickeltem Kupfer. Die Ableiter sind mit den inneren Abeiterfolien verschweißt. Auf diese dünne Folien aus Alu und Kupfer sind die aktiven Materialien aufgebracht. Graphit (oder Kohle) auf der negativen Seite, die positive Elektrode aus einem Lithium-Metalloxid (je gemixt mit "was-auch-immer"). Diese Trägerfolien werden abwechselnd geschichtet, dazwischen die Separatorfolie - ein ionendurchlässiger Isolator. Das ganze ist mit Elektrolyt getränkt. Der Elektrolyt besteht aus Lösungsmitteln und Leitsalz.
Interessante Videos dazu z.B.: https://www.youtube.com/watch?v=dmwxk5boIrw oder auch https://www.youtube.com/watch?v=IMOSletgaaY
Zum Aufbau siehe auch: http://www.basytec.de/Literatur/schnelltest/schnelltest.html - Kap. 2.3 Aufbau eines Akkumulators
B.2. Was verursacht Widerstände bzw. Spannungsabfälle?
Als Laie fallen einem dazu ein:
* ohmsche Widerstände der Ableiter und der Trägerfolien
* ohmsche Übergangswiderstände an den Schweißpunkten
* ohmsche Widerstände der aktiven Materialien
* Übergangswiderstände zwischen den aktiven Materialien, dem Elektrolyten und den Trägerfolien (und ggf. Grenzschichten dazwischen)
* Leitfähigkeit des Elektrolyten
* Durchlässigkeit des Separators
* Ionenabgabefähigkeit (und Aufnahmefähigkeit) der aktiven Materialien
Während die ohmschen Anteile einem Nicht-Chemiker noch recht verständlich sind, fehlen zumindest mir die chemischen Kenntnisse bzgl. den chemischen Effekten. Aber man kann sich schon vorstellen, dass die Leitfähigkeit des Elektrolyten oder die Durchlässigkeit des Separators ein Problem sein können, wenn sehr hohe Ströme gefordert sind. Sollte es hier Begrenzungen geben, dann gibts einen "Stau". Gleiches gilt für die Aufnahmefähigkeit von Ionen. Und wenn die Abgabefähigkeit nicht hoch genug sein sollte, dann kann auch kein höherer Strom fließen. Nach aussen wird sich dies alles dann jeweils als reduzierte Spannung darstellen, also unter Annahme des ohmschen Gesetz einen Widerstand darstellen.
Üblicherweise wird jedenfalls zwischen 2 Komponenten unterschieden, den ohmschen Anteilen (Ro) und den chemischen Anteilen (sog. Polarisationsüberspannungen - Rp): Ri = Ro + Rp.
P.S. In dem Zusammenhang "plagt" mich übrigens noch eine Fragestellung: Erzeugt die Spannungserniedrigung aufgrund der chemischen Effekte auch Wärme, also ebenso wie ohmsche Verluste?
B.3. Welchen Randbedingungen wird man testen?
* der ohmsche Anteil Ro wird sich relativ unbeeindruckt zeigen bzgl. äußeren Bedingungen, d.h. er wird unabhängig sein vom Strom, Druck, Ladezustand des Akkus etc. und sich max. leicht unter Temperatureinflüssen ändern. Für Kupfer und Alu steigt der Widerstand um ca. 4% bei 10°C Erwärmung, siehe Temperaturkoeffizient bei Wikipedia. Graphit wird demzufolge minimal besser leiten, wenn es warm wird. Für die aktiven Materialien wage ich keine Prognose.
* für die chemische Anteile Rp wird man die übliche bessere Reaktionsfähigkeit bei Wärme vermuten. Gasdruck wird man nicht untersuchen müssen, da die Tütenzellen (anders als Becherzellen) keinen Druck aushalten. Mechanischer Druck, durch Zusammenpressen der Zellen, könnte allerdings Effekte zeigen. Bzgl. des Stroms wird man erwarten, dass zunehmende Ströme den chemischen Anteil am Widerstand ggf. ändert (insbesondere, wenn es Richtung der Grenzen der Leitfähigkeit oder Abgabefähigkeit geht). Der Ladezustand wird vermutlich einen Einfluss haben, das erwartet man weil die Aufnahme- oder Abgabefähigkeit für Ionen an den Grenzen des Füllzustands sicherlich nicht mehr so gut ist.
Jörg
C. Messungen und deren Interpretation
C. Messungen und deren Interpretation
C.1 Wie sieht das Lastsignal einer "Stromquelle" mit Innenwiderstand aus?
Für eine Stromquelle mit konstantem Innenwiderstand würde man folgendes erwarten: Strom wird eingeschaltet => Spannung bricht um den Anteil dU = Ri * I ein.
(Quelle: korrigiertes Bild aus: http://www.basytec.de/Literatur/schnelltest/schnelltest.html unter 2.1 Elektronische und ionische Leitfähigkeit)
C.2 Wie sieht das Lastsignal eines LiPo-Akkus aus?
Belastet man einen (LiPo-)Akku mit Strom, dann sieht man kein Rechteck, sondern die bekannten gebogenen Kurven mit Sprung unmittelbar nach dem Einschalten.
Das folgende Bild zeigt dies symbolisch:
Anhang anzeigen Lastkurve_Akku.gif
(Quelle: korrigiertes Bild aus: http://www.basytec.de/Literatur/schnelltest/schnelltest.html unter 2.2 Grenzschichten)
Im Bereich 1 folgt ein abrupter, quasi senkrechter Einbruch.
Im Bereich 2 biegt sich die Kurve ähnlich zu einem sich entladenden Kondensator.
Im Bereich 3 geht die Kurve in einen quasi linearen Abfall über.
Wie solche Kurven in real aussehen:
Gerds Messkurven: http://www.elektromodellflug.de/ -> Akkus Test
Eigene Messungen: http://www.rc-network.de/forum/attachment.php?attachmentid=1279729&stc=1&d=1420325240
C.3 Zuordnung der Effekte zu den festgestellten Eigenschaften des Akkus
* der abrupte Sprung beim Einschalten der Last in Bereich 1 ist dem ohmschen Anteil des Widerstand geschuldet. Denselben Sprung (dann nach oben) sieht man übrigens auch wieder beim Ausschalten der Last.
* die gebogene Kurve in Bereich 2 geht auf die chemischen Effekte zurück. Wie genau da die Zusammenhänge sind, müsste am Besten ein Chemiker erklären. Wie man später sieht, sind es aber genau diese Effekte, die extrem variabel sind - und deshalb so schwierig zu fassen sind.
* der lineare Abfall im Bereich 3 wird durch die Entladung des Akkus verursacht. Bei LiPos bewegt sie die nutzbare Akkuspannung zwischen 4.2V (voll) und ca. 3.5V (leer). Abweichungen nach oben und unten sind je nach Chemie möglich.
C.4 Elektrisches Ersatzschaltbild
E-Techniker arbeiten gerne mit Ersatzschaltbildern um die beobachteten Eigenschaften eines Objekts mit elektrotechnischen Basisobjekten (Widerstand, Kondensator, Spule) abzubilden - damit kann man dann die Schaltung leichter simulieren. Oft findet man als einfaches Ersatzschaltbild 2 Widerstände, die in Reihe geschaltet, wovon aber einer mit einem Kondensator gebrückt ist.
(Quelle: http://www.fuelcon.com/cms/index.php?id=compare_eis_ci unter 1. Einführung)
Bei hohen Frequenzen (oder dem unmittelbaren Einschalten) brückt der Kondensator R2 (war oben mal mit Rp bezeichnet), d.h. der Widerstand R2 (Rp) verschwindet und es bleibt nur R1 (Ro). Erst bei niedrigen Frequenzen (oder eine Dauerlast) schaltet sich R2 hinzu, d.h. die Summe ist Ro und Rp. Ok, das ist ein "Ersatzschaltbild". Aber ich muss zugeben, dass ich arge Probleme habe, dies bildlich in Einklang mit dem Aufbau eines Akkus zu bringen. Um den Ergebnissen vorwegzugreifen: die frequenzabhängigen Effekte stellt dieses Ersatzschaltbild recht korrekt dar. Was es aber definitiv nicht korrekt darstellt, sind die Effekte durch sich ändernden Laststrom oder die Akku-Temperatur. Von daher wird man sicherlich nicht alles mit diesem Bild abdecken können.
Die im verlinkten Artikel beschriebene Impedanzspektroskopie (EIS) stellt daher sicherlich eine sehr interessante Untersuchungsmethode u.a. für Akkus dar. Und wenn ich das richtig gelesen habe, dann will man damit auch Alterungseffekte bei Akkus detektieren können, aber zum einen ist das für Hobbyanwender ein recht teures Gerät, zum anderen deckt es nicht die Effekte ab, die uns hauptsächlich interessieren - also die Abhängigkeiten zu Strom und Temperatur. Bzw. das was uns für Hobbyanwendungen an Frequenzabhängigkeit wirklich interressiert, das kann man mit nur einigen wenigen punktuellen Frequenzen auch herausfinden.
C.5 Was will man nun untersuchen und wie kann man das tun?
Bereich 1:
Zum einen wird man den unmittelbaren Spannungssprung nach Aufschaltung oder nach Abschaltung der Last untersuchen wollen, da dieser (vermutlich) die rein ohmschen Anteile abbilden wird. Man kann dies auf (mind.) 2 Arten tun:
a) entweder man belegt den Akku mit längen, definierten Lastpulsen, wobei man aber trotzdem sehr schnell (mind. 500-1000 Samples/s) misst und so die jeweiligen Spannungssprünge gut ausmessen kann.
b) alternativ belegt man den Akku mit einer Wechselspannung (definierter Frequenz und von definiertem Strom) und misst den Spannungshub. Dies ist dann eine Impedanzmessung. Man nennt es auch die Bestimmung des AC-Ri, des Wechselstromwiderstand. Als "industrieüblich" hat sich die Frequenz 1kHz eingebürgert, man findet diese Angabe oft in Datenblättern als Impedanz der Akkus.
=> für beide Verfahren wird man sehr ähnlich Ergebnisse erwarten (und den Ergebnissen vorweggreifend, wird man die auch erhalten).
Interessante Fragestellungen bleiben für die Untersuchungen trotzdem, z.B. wie sich diese 1kHz-Impedanz unter den variablen Randbedingungen verhält. Also wie hängt sie mit der Temperatur, dem Laststrom, mit dem Ladezustand und ggf. auch mit der Vorgeschichte des Akkus zusammen (Was hat der Akkus 1min, 1h, 1Tag vorher gemacht?).
Bereich 2:
Zum anderen wird man versuchen den chemischen Anteil (die Biegung im Bereich 2) zu untersuchen, also den "Kondensatoreffekt". Hier wirds es nun spannend. Als Methode der Wahl wird man den Akku für eine Zeit x belasten müssen. Die Frage ist allerdings: Wie lange? Man kann es sich hier einfach machen und sagt einfach 3s (steht irdendwo, sei Industriestandard) oder wie Gerd sagt: 5s - oder wie das ESR-Meter: 25ms.
Wenn man sich die obige prinzipielle Messkurven (unter C.2) angeschaut, dann kommt man zum Schluss, dass eine feste Zeit vllt. nicht der beste Idee ist. Warum? Weil man nicht weiß, wie lange der Kondensatoreffekt anhält, d.h. wie lange der Bereich 2 dauert und ab wann dann Bereich 3 folgt. D.h. Aufgabenstellung für die Messungen wird sein herauszufinden, wie lange die Rundung dauert und das in Abhängigkeit
* zur Temperatur,
* zum Laststrom,
* zum Ladezustand und
* zur verwendeten Zellenchemie.
Puh. Jetzt wird klarer, warum man sich für eine Standardzeit entscheidet. Es ist allerdings auch direkt klar, das so ein Standard vermutlich nicht alle Effekte sauber abdecken wird. Und, Vergleiche zwischen Messungen bzw. Messgeräten sind nur dann möglich, wenn man nach genau diesem einen Standard misst (d.h. Pulsdauer und Laststrom sind festlegt).
Die Summe aus ohmschen und chemischen Effekten, gemessen über eine Mindestdauer x, die deutlich länger als 1ms (1kHz) dauert, nennt man den DC-Ri - den Gleichstrom-Innenwiderstand.
Anders ausgedrückt, interessiert man sich für die rein chemichen Effekte, dann muss man AC- und DC-Ri messen; die Differenz sind dann die chemischen Effekte.
Bereich 3:
Der Vollständigkeit sei Bereich 3 auch erwähnt. Bereich 3 zeigt den Spannungsabfall aufgrund der Entladung des Akkus. Hier reicht es eine Entladekurve bei möglichst geringer Last aufzunehmen, um so die chemische, ladezustandsabhängige Grundspannung des Akkus zu ermitteln. Möglichst geringe Last deshalb, damit der Innenwiderstand nur einen möglichst geringen Spannungsabfall produziert.
WICHTIG: Insbesondere für die Messungen des chemischen Anteils, die ja eine Zeit x dauern, muss man beachten, dass sich der Akku während der Messung nicht entlädt, denn dies würde ja gleichzeitig auch die ladezustandsabhängige Grundspannung ändern. Wenn man den Referenzpunkt vor die Entladung legt, dann darf während der Entladung nur unwesentlich Kapazität entnommen werden. Die bessere Alternative ist den Referenzpunkt (d.h. die Ruhespannung) nach dem Entladung zu bestimmen - wobei auch hier die Frage aufkommt: Wie lange danach? Antwort: bis sich die Spannung wieder sehr nahe an sich nach Minuten/Stunden einstellende Endspannung erholt hat.
Eine Alternative wäre die entnommenen Kapazität mitzumessen und deren ladzustandsabhängige Spannungsminderung herauszurechnen - das hab ich aber noch nie gesehen, dass dies jemand tun würde - richig wärs aber.
C.6 Benötigte Messgeräte
* eine definierte Last (muss nicht unbedingt eine Konstantstromquelle sein)
* eine Strommessung
* eine Spannungsmessung (Achtung: 4-Leiter-Messung, also Spannungsmessung mit separaten Kabeln und nicht am Ende der stromführenden Kabel messen!).
* Strom und Spannung mit mind. 1000 Samples/s für die Sprungmessung
Jörg
C. Messungen und deren Interpretation
C.1 Wie sieht das Lastsignal einer "Stromquelle" mit Innenwiderstand aus?
Für eine Stromquelle mit konstantem Innenwiderstand würde man folgendes erwarten: Strom wird eingeschaltet => Spannung bricht um den Anteil dU = Ri * I ein.
(Quelle: korrigiertes Bild aus: http://www.basytec.de/Literatur/schnelltest/schnelltest.html unter 2.1 Elektronische und ionische Leitfähigkeit)
C.2 Wie sieht das Lastsignal eines LiPo-Akkus aus?
Belastet man einen (LiPo-)Akku mit Strom, dann sieht man kein Rechteck, sondern die bekannten gebogenen Kurven mit Sprung unmittelbar nach dem Einschalten.
Das folgende Bild zeigt dies symbolisch:
Anhang anzeigen Lastkurve_Akku.gif
(Quelle: korrigiertes Bild aus: http://www.basytec.de/Literatur/schnelltest/schnelltest.html unter 2.2 Grenzschichten)
Im Bereich 1 folgt ein abrupter, quasi senkrechter Einbruch.
Im Bereich 2 biegt sich die Kurve ähnlich zu einem sich entladenden Kondensator.
Im Bereich 3 geht die Kurve in einen quasi linearen Abfall über.
Wie solche Kurven in real aussehen:
Gerds Messkurven: http://www.elektromodellflug.de/ -> Akkus Test
Eigene Messungen: http://www.rc-network.de/forum/attachment.php?attachmentid=1279729&stc=1&d=1420325240
C.3 Zuordnung der Effekte zu den festgestellten Eigenschaften des Akkus
* der abrupte Sprung beim Einschalten der Last in Bereich 1 ist dem ohmschen Anteil des Widerstand geschuldet. Denselben Sprung (dann nach oben) sieht man übrigens auch wieder beim Ausschalten der Last.
* die gebogene Kurve in Bereich 2 geht auf die chemischen Effekte zurück. Wie genau da die Zusammenhänge sind, müsste am Besten ein Chemiker erklären. Wie man später sieht, sind es aber genau diese Effekte, die extrem variabel sind - und deshalb so schwierig zu fassen sind.
* der lineare Abfall im Bereich 3 wird durch die Entladung des Akkus verursacht. Bei LiPos bewegt sie die nutzbare Akkuspannung zwischen 4.2V (voll) und ca. 3.5V (leer). Abweichungen nach oben und unten sind je nach Chemie möglich.
C.4 Elektrisches Ersatzschaltbild
E-Techniker arbeiten gerne mit Ersatzschaltbildern um die beobachteten Eigenschaften eines Objekts mit elektrotechnischen Basisobjekten (Widerstand, Kondensator, Spule) abzubilden - damit kann man dann die Schaltung leichter simulieren. Oft findet man als einfaches Ersatzschaltbild 2 Widerstände, die in Reihe geschaltet, wovon aber einer mit einem Kondensator gebrückt ist.
(Quelle: http://www.fuelcon.com/cms/index.php?id=compare_eis_ci unter 1. Einführung)
Bei hohen Frequenzen (oder dem unmittelbaren Einschalten) brückt der Kondensator R2 (war oben mal mit Rp bezeichnet), d.h. der Widerstand R2 (Rp) verschwindet und es bleibt nur R1 (Ro). Erst bei niedrigen Frequenzen (oder eine Dauerlast) schaltet sich R2 hinzu, d.h. die Summe ist Ro und Rp. Ok, das ist ein "Ersatzschaltbild". Aber ich muss zugeben, dass ich arge Probleme habe, dies bildlich in Einklang mit dem Aufbau eines Akkus zu bringen. Um den Ergebnissen vorwegzugreifen: die frequenzabhängigen Effekte stellt dieses Ersatzschaltbild recht korrekt dar. Was es aber definitiv nicht korrekt darstellt, sind die Effekte durch sich ändernden Laststrom oder die Akku-Temperatur. Von daher wird man sicherlich nicht alles mit diesem Bild abdecken können.
Die im verlinkten Artikel beschriebene Impedanzspektroskopie (EIS) stellt daher sicherlich eine sehr interessante Untersuchungsmethode u.a. für Akkus dar. Und wenn ich das richtig gelesen habe, dann will man damit auch Alterungseffekte bei Akkus detektieren können, aber zum einen ist das für Hobbyanwender ein recht teures Gerät, zum anderen deckt es nicht die Effekte ab, die uns hauptsächlich interessieren - also die Abhängigkeiten zu Strom und Temperatur. Bzw. das was uns für Hobbyanwendungen an Frequenzabhängigkeit wirklich interressiert, das kann man mit nur einigen wenigen punktuellen Frequenzen auch herausfinden.
C.5 Was will man nun untersuchen und wie kann man das tun?
Bereich 1:
Zum einen wird man den unmittelbaren Spannungssprung nach Aufschaltung oder nach Abschaltung der Last untersuchen wollen, da dieser (vermutlich) die rein ohmschen Anteile abbilden wird. Man kann dies auf (mind.) 2 Arten tun:
a) entweder man belegt den Akku mit längen, definierten Lastpulsen, wobei man aber trotzdem sehr schnell (mind. 500-1000 Samples/s) misst und so die jeweiligen Spannungssprünge gut ausmessen kann.
b) alternativ belegt man den Akku mit einer Wechselspannung (definierter Frequenz und von definiertem Strom) und misst den Spannungshub. Dies ist dann eine Impedanzmessung. Man nennt es auch die Bestimmung des AC-Ri, des Wechselstromwiderstand. Als "industrieüblich" hat sich die Frequenz 1kHz eingebürgert, man findet diese Angabe oft in Datenblättern als Impedanz der Akkus.
=> für beide Verfahren wird man sehr ähnlich Ergebnisse erwarten (und den Ergebnissen vorweggreifend, wird man die auch erhalten).
Interessante Fragestellungen bleiben für die Untersuchungen trotzdem, z.B. wie sich diese 1kHz-Impedanz unter den variablen Randbedingungen verhält. Also wie hängt sie mit der Temperatur, dem Laststrom, mit dem Ladezustand und ggf. auch mit der Vorgeschichte des Akkus zusammen (Was hat der Akkus 1min, 1h, 1Tag vorher gemacht?).
Bereich 2:
Zum anderen wird man versuchen den chemischen Anteil (die Biegung im Bereich 2) zu untersuchen, also den "Kondensatoreffekt". Hier wirds es nun spannend. Als Methode der Wahl wird man den Akku für eine Zeit x belasten müssen. Die Frage ist allerdings: Wie lange? Man kann es sich hier einfach machen und sagt einfach 3s (steht irdendwo, sei Industriestandard) oder wie Gerd sagt: 5s - oder wie das ESR-Meter: 25ms.
Wenn man sich die obige prinzipielle Messkurven (unter C.2) angeschaut, dann kommt man zum Schluss, dass eine feste Zeit vllt. nicht der beste Idee ist. Warum? Weil man nicht weiß, wie lange der Kondensatoreffekt anhält, d.h. wie lange der Bereich 2 dauert und ab wann dann Bereich 3 folgt. D.h. Aufgabenstellung für die Messungen wird sein herauszufinden, wie lange die Rundung dauert und das in Abhängigkeit
* zur Temperatur,
* zum Laststrom,
* zum Ladezustand und
* zur verwendeten Zellenchemie.
Puh. Jetzt wird klarer, warum man sich für eine Standardzeit entscheidet. Es ist allerdings auch direkt klar, das so ein Standard vermutlich nicht alle Effekte sauber abdecken wird. Und, Vergleiche zwischen Messungen bzw. Messgeräten sind nur dann möglich, wenn man nach genau diesem einen Standard misst (d.h. Pulsdauer und Laststrom sind festlegt).
Die Summe aus ohmschen und chemischen Effekten, gemessen über eine Mindestdauer x, die deutlich länger als 1ms (1kHz) dauert, nennt man den DC-Ri - den Gleichstrom-Innenwiderstand.
Anders ausgedrückt, interessiert man sich für die rein chemichen Effekte, dann muss man AC- und DC-Ri messen; die Differenz sind dann die chemischen Effekte.
Bereich 3:
Der Vollständigkeit sei Bereich 3 auch erwähnt. Bereich 3 zeigt den Spannungsabfall aufgrund der Entladung des Akkus. Hier reicht es eine Entladekurve bei möglichst geringer Last aufzunehmen, um so die chemische, ladezustandsabhängige Grundspannung des Akkus zu ermitteln. Möglichst geringe Last deshalb, damit der Innenwiderstand nur einen möglichst geringen Spannungsabfall produziert.
WICHTIG: Insbesondere für die Messungen des chemischen Anteils, die ja eine Zeit x dauern, muss man beachten, dass sich der Akku während der Messung nicht entlädt, denn dies würde ja gleichzeitig auch die ladezustandsabhängige Grundspannung ändern. Wenn man den Referenzpunkt vor die Entladung legt, dann darf während der Entladung nur unwesentlich Kapazität entnommen werden. Die bessere Alternative ist den Referenzpunkt (d.h. die Ruhespannung) nach dem Entladung zu bestimmen - wobei auch hier die Frage aufkommt: Wie lange danach? Antwort: bis sich die Spannung wieder sehr nahe an sich nach Minuten/Stunden einstellende Endspannung erholt hat.
Eine Alternative wäre die entnommenen Kapazität mitzumessen und deren ladzustandsabhängige Spannungsminderung herauszurechnen - das hab ich aber noch nie gesehen, dass dies jemand tun würde - richig wärs aber.
C.6 Benötigte Messgeräte
* eine definierte Last (muss nicht unbedingt eine Konstantstromquelle sein)
* eine Strommessung
* eine Spannungsmessung (Achtung: 4-Leiter-Messung, also Spannungsmessung mit separaten Kabeln und nicht am Ende der stromführenden Kabel messen!).
* Strom und Spannung mit mind. 1000 Samples/s für die Sprungmessung
Jörg
D. Lastmessungen und deren Auswertung
D. Lastmessungen und deren Auswertung
D.1 Messequipment
Als Last habe ich einen "dicken" Widerstandsblock zur Verfügung, der unterschiedlich zusammengesteckt werden kann. Ich habe mich mal für eine Referenzbestückung entschieden, die bei vollen Packs ca. 170A erzeugt. Gemessen wird der Strom mit einem 0.2mOhm Shunt von Isabellenhütte, dem ein Messverstärker TI INA214 (100V/V) nachgeschaltet ist. Die Spannung wird über einen Spannungsteiler in den Messbereich des AD-Wandlers gebracht. Als AD-Wandler verwende ich einen 8-fach ADC LTC1290, das gabs mal vor vielen Jahren als Bausatz bei Conrad. Zur Verbesserung der Rauscheigenschaften wird die Platine aus einen separaten Akku versorgt. Strom und Spannung werden differenziell gemessen. Software wurde im guten alten TurboPascal selbst geschrieben und läuft auf einem uralten Notebook. Gesampelt wird mit ca. 3kHz, er werden immer Strom und Spannung abwechselnd gemessen und über 35 Werte gemittelt (dauert ca. 50ms). Gemessen wird alle 0.1s, die Daten werden zur späteren Betrachtung und Auswertung gespeichert. Als Hochlastschalter verwende ich einen alten schnell schaltenden ca. 150A (200A mit WK) brushed-Regler, der über den Parallelport und eine Optokoppler angeschlossen ist (Parallelport sumuliert Empfängerausgangssignale). Nicht neuester Stand der Technik, aber für meine Zwecke ausreichend und mit "Restbeständen" günstig realisierbar.
D.2 Kurven und Auswertungsmethoden AC-Ri und DC-Ri
Messkurven hatte ich ja schon mal weiter oben verlinkt. Ich messe 10s Last (hier ca. 175A), 30 Pause und das 3x. Aus dem Bild nachfolgend ein Ausschnitt, der die beiden Berechnungen AC-Ri und DC-Ri darstellt, beispielhaft für die grüne Kurve (das war eine Bolt 60C 5000, die bis 4.30V geladen war).
AC-Ri: Gemessen wird die Sprungantwort nach Wegschaltung der Last, also die letzte Spannung unter Last (U1) in Relation zur ersten Spannung ohne Last (U2) - hier also 0.1s später. Aus dem letzten Laststrom I ergibt sich der AC-Ri = (U2-U1)/I.
DC-Ri: Gemessen wird die letzte Spannung unter Last (U1) in Relation zur Erholspannung (U3) - hier also nach 30s. Aus dem letzten Laststrom I ergibt sich der DC-Ri = (U3-U1)/I.
D.3 Ausgewählte Ergebnisse der letzten Jahre
Gemessen wurde mit einer Last von ca. 170-175A, pro Lastzyklus von 10s werden ca. 460-500mAh entnommen. Die Akkus waren alle an ihre maximale Grenze von ca. 55°C vorgeheizt, wobei manche den 3. Zyklus auch nicht schadfrei überlebt haben... Dargestellt sind die Minimalwerte meiner jeweils besten Testzellen. Für manche Zellen habe ich verschiedene Serien/Chargen aus unterschiedlichen Jahren gemessen - durchaus mit signifikanten Unterschieden.
Auffallend in der Tabelle ist, dass nicht für alle Zellen das Verhältnis zwischen DC- und AC-Ri gleich ist. Extrem fällt die Dinogy 65C 5000 auf. Hier nicht dargestellt sind die einzelnen Kurven bzw. die mittlere Lastspannung der Zellen, aber dort stellte sich heraus, dass z.B. die Dinogy 65C 5000 in der 10s-175A-Lastspannung durchaus noch auf dem Niveau der (schlechteren) 2011er Hyperion 45C 5000 liegt - und das obwohl DC- und auch AC-Ri schlechter sind. Der Unterschied bestand darin, dass die Erholspannung höher liegt, also die chemische, ladungsabhängige Grundspannung für diesen Ladezustand höher war. Daraus schließe ich, dass dort eine etwas andere Chemie verwendet wird als in den sonst üblichen Zellen.
Jörg
D. Lastmessungen und deren Auswertung
D.1 Messequipment
Als Last habe ich einen "dicken" Widerstandsblock zur Verfügung, der unterschiedlich zusammengesteckt werden kann. Ich habe mich mal für eine Referenzbestückung entschieden, die bei vollen Packs ca. 170A erzeugt. Gemessen wird der Strom mit einem 0.2mOhm Shunt von Isabellenhütte, dem ein Messverstärker TI INA214 (100V/V) nachgeschaltet ist. Die Spannung wird über einen Spannungsteiler in den Messbereich des AD-Wandlers gebracht. Als AD-Wandler verwende ich einen 8-fach ADC LTC1290, das gabs mal vor vielen Jahren als Bausatz bei Conrad. Zur Verbesserung der Rauscheigenschaften wird die Platine aus einen separaten Akku versorgt. Strom und Spannung werden differenziell gemessen. Software wurde im guten alten TurboPascal selbst geschrieben und läuft auf einem uralten Notebook. Gesampelt wird mit ca. 3kHz, er werden immer Strom und Spannung abwechselnd gemessen und über 35 Werte gemittelt (dauert ca. 50ms). Gemessen wird alle 0.1s, die Daten werden zur späteren Betrachtung und Auswertung gespeichert. Als Hochlastschalter verwende ich einen alten schnell schaltenden ca. 150A (200A mit WK) brushed-Regler, der über den Parallelport und eine Optokoppler angeschlossen ist (Parallelport sumuliert Empfängerausgangssignale). Nicht neuester Stand der Technik, aber für meine Zwecke ausreichend und mit "Restbeständen" günstig realisierbar.
D.2 Kurven und Auswertungsmethoden AC-Ri und DC-Ri
Messkurven hatte ich ja schon mal weiter oben verlinkt. Ich messe 10s Last (hier ca. 175A), 30 Pause und das 3x. Aus dem Bild nachfolgend ein Ausschnitt, der die beiden Berechnungen AC-Ri und DC-Ri darstellt, beispielhaft für die grüne Kurve (das war eine Bolt 60C 5000, die bis 4.30V geladen war).
AC-Ri: Gemessen wird die Sprungantwort nach Wegschaltung der Last, also die letzte Spannung unter Last (U1) in Relation zur ersten Spannung ohne Last (U2) - hier also 0.1s später. Aus dem letzten Laststrom I ergibt sich der AC-Ri = (U2-U1)/I.
DC-Ri: Gemessen wird die letzte Spannung unter Last (U1) in Relation zur Erholspannung (U3) - hier also nach 30s. Aus dem letzten Laststrom I ergibt sich der DC-Ri = (U3-U1)/I.
D.3 Ausgewählte Ergebnisse der letzten Jahre
Gemessen wurde mit einer Last von ca. 170-175A, pro Lastzyklus von 10s werden ca. 460-500mAh entnommen. Die Akkus waren alle an ihre maximale Grenze von ca. 55°C vorgeheizt, wobei manche den 3. Zyklus auch nicht schadfrei überlebt haben... Dargestellt sind die Minimalwerte meiner jeweils besten Testzellen. Für manche Zellen habe ich verschiedene Serien/Chargen aus unterschiedlichen Jahren gemessen - durchaus mit signifikanten Unterschieden.
Auffallend in der Tabelle ist, dass nicht für alle Zellen das Verhältnis zwischen DC- und AC-Ri gleich ist. Extrem fällt die Dinogy 65C 5000 auf. Hier nicht dargestellt sind die einzelnen Kurven bzw. die mittlere Lastspannung der Zellen, aber dort stellte sich heraus, dass z.B. die Dinogy 65C 5000 in der 10s-175A-Lastspannung durchaus noch auf dem Niveau der (schlechteren) 2011er Hyperion 45C 5000 liegt - und das obwohl DC- und auch AC-Ri schlechter sind. Der Unterschied bestand darin, dass die Erholspannung höher liegt, also die chemische, ladungsabhängige Grundspannung für diesen Ladezustand höher war. Daraus schließe ich, dass dort eine etwas andere Chemie verwendet wird als in den sonst üblichen Zellen.
Jörg
Ergänzend dazu möchte ich zwei Links (auch ein Dank an BZFrank) als Zusatzinformationen bereitstellen.
Nachteil, alles in englisch - super erklärt:
Wie Akkus testen (und Folgelinks): http://batteryuniversity.com/learn/article/testing_lithium_based_batteries
Wie den Innenwiderstand messen (und Folgelinks): http://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_measure_internal_resistance
Anm.:
Die Masse der Ladegeräte arbeiten einfach, in dem sie nur den Ladestrom abschalten (periodische Ladestromunterbrechungen) und den
Spannungssprung messen. Wird dieser Vorgang beim Entladen vollzogen, erscheinen wieder andere Werte! Eher frustrierend/verwirrend als hilfreich.
Bessere Ladegeräte erzeugen immer einen definierten Entladeimpuls um einen DC-Ri zu erhalten. Dessen Werte sind schon
gut vergleichbar untereinander! ... mir sind bekannt: Alle Junsi-DUO und nach besser, da der Entladestrom regulierbar ist, der Pulsar 3.
Ich arbeite in erster Anlehnung mit der Zweistufigen-DC-Last-Methode die "nur" die ohmschen- und keine kapazitiven- Anteile kennt.
Diese Messung benutze ich seit Anbeginn und stellt eine gute/allgemeine Vergleichbarkeit dar.
Jörgs Methode (sehr aufwendig) erfasst auch die "kapazitiven Anteile" (wie ich das beurteile). Diese können laut Battery University einen Anteil
bei z.B. eines 100Ah Akkus von bis zu 1,5Farad (= 1.500.000µF) erreichen!
Wissen muss man, dass die kapazitiven- Anteile mit den ohmschen Widerstandsanteilen korrelieren und die wegen ihrer "Blindleistung" keine Wärmeanteile erzeugen.
(Daraus folgt in der Summe dann die Scheinleistung, diese entspricht dann in der geometrischen Summe von Wirkleistung->ohmsch und Blindleistung-> kapazitiv)
Auch ein Grund, dass die von Jörg gemessenen Werte "scheinbar" immer kleiner (besser) sind als andere (z.b. meine)... sie sind eben noch genauer!
Nachteil, alles in englisch - super erklärt:
Wie Akkus testen (und Folgelinks): http://batteryuniversity.com/learn/article/testing_lithium_based_batteries
Wie den Innenwiderstand messen (und Folgelinks): http://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_measure_internal_resistance
Anm.:
Die Masse der Ladegeräte arbeiten einfach, in dem sie nur den Ladestrom abschalten (periodische Ladestromunterbrechungen) und den
Spannungssprung messen. Wird dieser Vorgang beim Entladen vollzogen, erscheinen wieder andere Werte! Eher frustrierend/verwirrend als hilfreich.
Bessere Ladegeräte erzeugen immer einen definierten Entladeimpuls um einen DC-Ri zu erhalten. Dessen Werte sind schon
gut vergleichbar untereinander! ... mir sind bekannt: Alle Junsi-DUO und nach besser, da der Entladestrom regulierbar ist, der Pulsar 3.
Ich arbeite in erster Anlehnung mit der Zweistufigen-DC-Last-Methode die "nur" die ohmschen- und keine kapazitiven- Anteile kennt.
Diese Messung benutze ich seit Anbeginn und stellt eine gute/allgemeine Vergleichbarkeit dar.
Jörgs Methode (sehr aufwendig) erfasst auch die "kapazitiven Anteile" (wie ich das beurteile). Diese können laut Battery University einen Anteil
bei z.B. eines 100Ah Akkus von bis zu 1,5Farad (= 1.500.000µF) erreichen!
Wissen muss man, dass die kapazitiven- Anteile mit den ohmschen Widerstandsanteilen korrelieren und die wegen ihrer "Blindleistung" keine Wärmeanteile erzeugen.
(Daraus folgt in der Summe dann die Scheinleistung, diese entspricht dann in der geometrischen Summe von Wirkleistung->ohmsch und Blindleistung-> kapazitiv)
Auch ein Grund, dass die von Jörg gemessenen Werte "scheinbar" immer kleiner (besser) sind als andere (z.b. meine)... sie sind eben noch genauer!
Zuletzt bearbeitet:
Ja, definitv lesenswert. Wie vieles der Fa. Cadex. Allerdings stellen die Betrachtungen naturgemäß einen Zusammenhang zu deren Gerätschaften her, d.h. erklären wofür diese gut sind und was man damit messen kann.
Ich habe oben versucht einen anderen Ansatz zu wählen: erst überlegen, was man vor sich hat und dann geeignete Methode ausdenken um dann das zu messen, was interessant ist. Ich denke das gibt ein tieferes Verständnis dessen was man dort vor sich hat.
Die alternative Methode, man hat ein Blackbox-Gerät, dass Messwerte ausspuckt, führt doch allzuoft auf Irrwege und damit zu falschen Schlüssen. Zumindest dann, wenn man nicht hinterfragt, was sich hinter den Zahlen verbirgt und einfach nur danach geht, was die "besseren Zahlen" sein sollen.
Grundsätzlich ist nicht gewährleistet, dass sich eine chemische Zelle beim Laden und Entladen gleich verhält. Sind allerdings die Messpulse kurz genug, dass die ermittelten Werte eher einen AC-Ri (sprich den ohmschen Anteil) darstellen, dann sollten sich die Ergebnisse sehr ähnlich sein.
Da bei beiden Geräten die Entladepulse vergleichsweise kurz ist - aber länger als 1ms (1kHz) - liefern beide Geräte Werte, die irgendwo zwischen einem 1kHz AC-Ri und einem "echten" DC-Ri liegen. Es gibt halt auch keinen Standard, so dass jeder Hersteller seinen eigenen Ri messen kann. Im Zweifelsfall zeigt ein Hersteller auch lieber bessere Werte an, denn für die meisten Leute bedeutet: bessere Werte = besseres Ladegerät...
Das ist so nicht richtig. Durch die Laständerung von 10C auf 25C und einer Messdauer von 5s hast du auch die "kapazitiven" Effekte mit in deiner Messung. Und wg. 5s Messdauer sogar auch ladezustandsabhängige Spannungsverluste.
Wie ich oben schonmal angedeutet habe, gibts DEN "Kondensator" aus meiner Sicht nur im Ersatzschaltbild - nicht im Akku. Das was wirklich im Akku passiert, lässt sich in seiner Gesamtkomplexität nicht mit einfachen Ersatzschaltbildern erfassen.Jörgs Methode (sehr aufwendig) erfasst auch die "kapazitiven Anteile" (wie ich das beurteile). Diese können laut Battery University einen Anteil
bei z.B. eines 100Ah Akkus von bis zu 1,5Farad (= 1.500.000µF) erreichen!
Richtig ist, dass diese Messungen jeweils immer vergleichsweise aufwendig sind. Sie bilden aber meine Referenz, um dann die Ergebnisse anderer, viel einfacher zu handhabender Methoden (z.B. ESR-Meter oder 1kHz-Impedanzmessung) beurteilen zu können. Bzw. in Relation zu setzen. Natürlich bilden diese Messungen auch nur einen kleinen Teil der Gesamtwahrheit ab: voller Akku bei 55°C unter 175A Belastung. Ziel der Messungen ist es natürlich Vorhersagen machen zu können: wie verhält sich der Akku unter anderen Bedingungen. Für mich interessant sind bei diesen Akkus noch höhere Ströme. Wie gesagt, es geht darum
a) ein Rechenmodell für die Extrapolatoin zu entwerfen und
b) gültige Beurteilung bzw. Vorhersagen möglichst auch schon mit einfachen Vorabmessungen (ESR-Meter) treffen zu können.
Mehr dazu dann in Teil E. ff.
1. wir haben es hier mit einem Gleichstrom und Gleichspannung zu tun, "Blindleistungen" in dem Sinn wie bei Kondensatoren und Spulen unter Wechselstrom gibt hier nicht.
2. es ist die große Frage ob ohmsche und "kapazitive Effekte" (Cadex nennt es "Electrochemical dynamic response") korrelieren. Ich behaupte nein, denn man kann durchaus eine hochreaktive und agile Chemie mit einem schlechten mechanischen Aufbau kombinieren.
=> Aktueller Zwischenstand meiner "Suche nach dem heiligen Akku-Gral" ist, dass die Akkuspannung von einer sich im Akku aufbauen Potenzialdifferenz abhängt, die basiert auf den elektrochemischen Eigenschaften der beteiligten Stoffe, siehe Elektrochemische Spannungsreihe. Die Spannung baut sich also aufgrund der chemischen Eigenschaften der kombinierten Materialien auf und drängt dann positive und negative Ladungen auf die eine bzw. auf die andere Seite der Zelle. Die unterschiedlichen Spannungen zwischen voll und leer beruhen darauf, dass sich die Kräfteverhältnisse (elektrischen Abstoßungskräfte) zwischen voll und leer unterschiedlich. "Saugt" man nun mit einer exernen Last die Elektronen ab, dann reduziert dies auch die Potenzialdifferenz, also die Akkusspannung. Wieviel hängt davon ab, wie schnell die Elektronen im Akku wieder nach aussen an die beiden Elektroden gedrückt werden. Anfangs sind die Elektroden noch gut "gefüllt", dann nimmt der Füllgrad ab und der "Füllstand" pendelt sich dann auf Niveau ein - genau dies ergibt dann den kondensatorähnlichen Spannungsabfall (Bereich 2 aus C.5.).
Daraus ergibt sich dann, dass dieser Effekt zwar die Ausgangsspannung reduziert, aber eben nicht aufgrund von ohmschen Verlusten über dem Innenwiderstand - also quasi einen virtuellen Widerstand im Vergleich zur Erholspannung darstellt. Für die Vorhersage der Akkuspannung ist dieser Effekt also zu berücksichtigen - nicht aber für die Wärmebilanz, die sich dann nur aus den ohmschen Verlusten bildet (= Ro * I²).
Es gibt 2 Gründe, warum "meine" Werte niedriger sind.
a. Der Hauptgrund ist, dass ich die Zellen mit 50-55° bis an ihre maximale Grenze vorheize - mich interessiert ja, was ich maximal aus den Zellen herausholen kann. Gegenüber Raumtemperatur macht dies ca. einen Faktor 2 aus, bei manchen Zellen auch den Faktor 4 und mehr, wenn diese eine Chemie haben, die bei Raumtemperatur noch sehr "träge" ist.
b. Wie schon im anderen Thread versucht zu erklären liegen deine beiden Referenzpunkt ca. 3.5% bzgl. Ladezustand auseinander (5s Puls mit 25C). Damit haben beide Messpunkte unterschiedliche ladezustandsabhängige Leerlaufspannungen. Wie dort schon ausgerechnet macht dies z.B. 0.2mOhm für eine 5Ah-Zelle oder 0.5mOhm für einen 2Ah-Zelle aus.
Jörg
Kann ich leider nichts zu sagen. Misst das Gerät überhaupt Einzelzellen aus? Soweit ich das anhand der Bilder der Bedienungsanleitung erahnen kann, scheint es nur den Gesamtwiderstand des Packs zu messen - also inkl. Kabel und Stecker. Das hift dann zwar zur Beurteilung ob ein Pack besser als ein anderer ist, aber absolut kann man die Werte kaum mit den hier vorgestellten Messungen oder denen von Gerd vergleichen.
Jörg
Nur um etwas Licht ins Dunkel zu bringen Jörg, ich behaupte auch nicht, ich argumentiere: Schon beim ersten Messimpuls - siehe "nur" deine Mess-Grafik
oben, hast eine wechselnde Stromänderung die sogar ziemlich "hochfrequent ist"! Du bräuchtest dir "blos" eine Fourier-Analyse anzuschauen und
erkenne woraus ein steilflankiger Impuls besteht!
Damit sind auch die Folgeschüsse "leicht" daneben! ... und rate was erst ein Brushlessmotor für ein Frequenzspektrum erzeugt! Jörg nur mal unter uns,
eine "Wechselspannung muss weder Sinusförmig sein noch durch eine Nullline verlaufen! Das Stichwort heißt: Pulsierende Gleichspannung!
Okay - mehr möchte ich gar nicht ergänzen ... das Feld gehört wieder dir.
Zuletzt bearbeitet:
Hier nochmals eine Kurven exemplarisch in Excel dargestellt (basierend auf echten Messdaten einer GensAce 60C 4800), grün= Strom, blau= Spannung.
Da ist keine Phasenverschiebung zwischen U und I wie bei induktiven oder kapatitiven Lasten unter Wechselstrom.
(Quelle: Wikipedia - Blindleistung)
Jörg
Da ist keine Phasenverschiebung zwischen U und I wie bei induktiven oder kapatitiven Lasten unter Wechselstrom.
(Quelle: Wikipedia - Blindleistung)
Jörg
BZFrank
User
Ich würde hierbei gerne mal kurz beschreiben warum sich die Zelle so verhält. Dazu ein Diagramm:
Man erkennt hier eine Pulsbelastung und die Spannungskurve, d.h. wie die Spannung sich nach dem Puls erholt. Punkt A im Diagramm ist der Moment wenn der Strom abgeschaltet wird. Punkt B wenn die Zelle sich schon einigermassen erholt hat.
Schaut man in die Zelle so besteht diese aus Kathode, Separator, Anode. In dem nächsten Diagramm ist das von Links (Kathode), Mitte (Separator), Rechts (Anode) räumlich eindimensional dargestellt, die Y-Achse beschreibt die Ionen-Dichte (von Li+ Ionen).
(Quelle, beide: "Analysis of Pulse Discharge of a Lithium-Ion Battery", Parthasarathy M. Gomadam, John W. Weidner and Ralph E. White, Department of Chemical Engineering, U of South Carolina)
Man erkennt nun warum sich die Spannungskurve so verhält, es liegt daran das die Li+-Ionen in der Zelle sich per Diffusion bewegen und (beim Entladen) aus der Anode heraus kommen und in die Kathode eindringen müssen. An den Grenzflächen der Elektroden kommt es zu einer Art 'Stau', die Konzentration der Ionen wächst lokal an. Dieser Konzentrationsgradient wird erst wieder abgebaut wenn die Zelle eine kleine Weile unbelastet ist. Was nach aussen ungefähr wie ein Kondensator aussieht ist in Wirklichkeit die Abbildung eines solchen Ionen-Transport-Prozesses.
Damit ist der Spannungseinbruch bei einer definierten Belastung (normalisiert auf die Kapazität und Temperatur) ein Maß wie gut die Zelle Ionen transportieren kann. Was z.b. vom QuickSort-Verfahren/Cadex ausgenutzt wird.
Gruß
Frank
Man erkennt hier eine Pulsbelastung und die Spannungskurve, d.h. wie die Spannung sich nach dem Puls erholt. Punkt A im Diagramm ist der Moment wenn der Strom abgeschaltet wird. Punkt B wenn die Zelle sich schon einigermassen erholt hat.
Schaut man in die Zelle so besteht diese aus Kathode, Separator, Anode. In dem nächsten Diagramm ist das von Links (Kathode), Mitte (Separator), Rechts (Anode) räumlich eindimensional dargestellt, die Y-Achse beschreibt die Ionen-Dichte (von Li+ Ionen).
(Quelle, beide: "Analysis of Pulse Discharge of a Lithium-Ion Battery", Parthasarathy M. Gomadam, John W. Weidner and Ralph E. White, Department of Chemical Engineering, U of South Carolina)
Man erkennt nun warum sich die Spannungskurve so verhält, es liegt daran das die Li+-Ionen in der Zelle sich per Diffusion bewegen und (beim Entladen) aus der Anode heraus kommen und in die Kathode eindringen müssen. An den Grenzflächen der Elektroden kommt es zu einer Art 'Stau', die Konzentration der Ionen wächst lokal an. Dieser Konzentrationsgradient wird erst wieder abgebaut wenn die Zelle eine kleine Weile unbelastet ist. Was nach aussen ungefähr wie ein Kondensator aussieht ist in Wirklichkeit die Abbildung eines solchen Ionen-Transport-Prozesses.
Damit ist der Spannungseinbruch bei einer definierten Belastung (normalisiert auf die Kapazität und Temperatur) ein Maß wie gut die Zelle Ionen transportieren kann. Was z.b. vom QuickSort-Verfahren/Cadex ausgenutzt wird.
Gruß
Frank
Exakt das ist der Punkt Frank, in einem Akku kann man keinen Kondensator messen... er verhält sich nur wie einer unter bestimmten Umständen.
("Bestimmte" Umstände sind gemeint: Wenn eben keine reine Gleichstromlast anliegt ... und .. es ist ein "Anschauungsobjekt/-modell aus der Fachpresse und nicht von mir erfunden)
... und das so heftig (Beispiel nannte ich aus der Fachpresse: ein 100Ah wirkt wie ein 1.500.000µF großer Kondensator), dass diese "Anteile"
nachweisbar und so einfach nicht wegzudenken sind (s.u.a. Sprungantwort - hier wird die chemische Reaktion ... siehe Franks Erklärung ... wie von
einem Kondensator hervorgerufen -> verglichen). Damit ist jetzt nicht gemeint, das der Strom und Spannung wie beim Kondensator 90° Phasenverschoben (Strom eilt vor) sind.
Die Last-"Umstände" sind aber frequenzabhängig, also auch von der Flankensteilheit der Stromänderung (delta I/delta t), die nur aus Sicht des Akkus anliegen,
wenn man einen Brushlessregler betrachtet und dessen Arbeitsweise - schlicht gesprochen: Er schaltet "nur" den Strom an/aus/an/aus... und das
ausschließlich frequenzabhängig (Felddrehzahl bzw. im Teillast zusätzlich die PWM) = > pulsierender Gleichstrom!
... und hier geht es los: Wie werde ich diesem Profil am Gerechtesten? Diese Frage stellt sich zumindest mir.
- Welcher Innenwiderstand ist nun wichtig(er) - einer der die Vorzüge einer Gleichstrombetrachtung nahe (Jörg -> nicht absolut und ich reduziere das mal auf "einfach"!) kommt, oder einer der die (hoch) Frequenzen mit betrachtet.
- ist eine DC-Last-Last Messung die richtige und praxisorientiertere? Was ist daran falsch(er) sofern immer unter annähernd gleichen Umständen gemessen wird (s. auch die Ladegeräte)?
- ist eine (ich nenne es mal) "Sprungantwort-Messung" richtiger? Eines ist aber bei dieser Messung sicher wie ich das sehe: Kann man die Sprungantwort richtig auswerten (Fläche der Erholungsphase), hätte man sofort eine Aussage wie "fitt" der Akku noch ist (siehe Cardex... und das "teure" Messgerät).
- sollte es sogar zwei Betrachtungsweisen geben? Eine reine DC- und dem gegenüber einen AC-Ri?
- Zudem was soll er "mir" aussagen, welchen Mehrwert habe ich durch einen "absoluten" Innenwiderstandswert der (bisher) nur zu einem bestimmten Betriebspunkt passt?
- Kennen wir das spezifische Wärmeverhalten eines LiPos, so dass über die Verlustleitung (errechnet über den Strom und Ri (Pverl = I^2 * Ri) die vorhersehbare Erwärmung bestimmt werden könnte?
- Oder wären wir in der Lage zu jedem Zeitpunkt den Spannungseinbruch vorherzusagen, wenn das Lastprofil bekannt wäre - genial wenn möglich.
... das sind die Dinge die sich mir aufdrängen ... klärt mich bitte auf, denn gerne lerne ich dazu und verfolge das hier gespannt auch wenn es ab&an knistert.
Aber das ist nichts außergewöhnliches wenn (so nenne ich es mal) Betonköpfe aneinander prallen.
Hauptsache ein freundlicher Blick zum Gegenüber ist/bleibt noch übrig!
er verhält sich nur wie einer unter bestimmten Umständen.("Bestimmte" Umstände sind gemeint: Wenn eben keine reine Gleichstromlast anliegt ... und .. es ist ein "Anschauungsobjekt/-modell aus der Fachpresse und nicht von mir erfunden)
... und das so heftig (Beispiel nannte ich aus der Fachpresse: ein 100Ah wirkt wie ein 1.500.000µF großer Kondensator), dass diese "Anteile"
nachweisbar und so einfach nicht wegzudenken sind (s.u.a. Sprungantwort - hier wird die chemische Reaktion ... siehe Franks Erklärung ... wie von
einem Kondensator hervorgerufen -> verglichen). Damit ist jetzt nicht gemeint, das der Strom und Spannung wie beim Kondensator 90° Phasenverschoben (Strom eilt vor) sind.
Die Last-"Umstände" sind aber frequenzabhängig, also auch von der Flankensteilheit der Stromänderung (delta I/delta t), die nur aus Sicht des Akkus anliegen,
wenn man einen Brushlessregler betrachtet und dessen Arbeitsweise - schlicht gesprochen: Er schaltet "nur" den Strom an/aus/an/aus... und das
ausschließlich frequenzabhängig (Felddrehzahl bzw. im Teillast zusätzlich die PWM) = > pulsierender Gleichstrom!
... und hier geht es los: Wie werde ich diesem Profil am Gerechtesten? Diese Frage stellt sich zumindest mir.
- Welcher Innenwiderstand ist nun wichtig(er) - einer der die Vorzüge einer Gleichstrombetrachtung nahe (Jörg -> nicht absolut und ich reduziere das mal auf "einfach"!) kommt, oder einer der die (hoch) Frequenzen mit betrachtet.
- ist eine DC-Last-Last Messung die richtige und praxisorientiertere? Was ist daran falsch(er) sofern immer unter annähernd gleichen Umständen gemessen wird (s. auch die Ladegeräte)?
- ist eine (ich nenne es mal) "Sprungantwort-Messung" richtiger? Eines ist aber bei dieser Messung sicher wie ich das sehe: Kann man die Sprungantwort richtig auswerten (Fläche der Erholungsphase), hätte man sofort eine Aussage wie "fitt" der Akku noch ist (siehe Cardex... und das "teure" Messgerät).
- sollte es sogar zwei Betrachtungsweisen geben? Eine reine DC- und dem gegenüber einen AC-Ri?
- Zudem was soll er "mir" aussagen, welchen Mehrwert habe ich durch einen "absoluten" Innenwiderstandswert der (bisher) nur zu einem bestimmten Betriebspunkt passt?
- Kennen wir das spezifische Wärmeverhalten eines LiPos, so dass über die Verlustleitung (errechnet über den Strom und Ri (Pverl = I^2 * Ri) die vorhersehbare Erwärmung bestimmt werden könnte?
- Oder wären wir in der Lage zu jedem Zeitpunkt den Spannungseinbruch vorherzusagen, wenn das Lastprofil bekannt wäre - genial wenn möglich.
... das sind die Dinge die sich mir aufdrängen ... klärt mich bitte auf, denn gerne lerne ich dazu und verfolge das hier gespannt auch wenn es ab&an knistert.
Aber das ist nichts außergewöhnliches wenn (so nenne ich es mal) Betonköpfe aneinander prallen.
Hauptsache ein freundlicher Blick zum Gegenüber ist/bleibt noch übrig!
Zuletzt bearbeitet:
Allein mit den gezeigten Diagrammen zeigen sich schon Unterschiede in der Bestimmung, ohne das man in die Tiefen gehen muß :
Bei Sika bricht der Laststrom während des Belastungsimpulses ein ( in Form einer e-Funktion), bei Gerd ist dafür die Anstiegszeit der Impulse länger (Flankensteilheit / Rise-Time) - allein daraus wären mit identischen statischen Soll-Werten beide Ergebnisse unterschiedlich.
Ich finde auch, das wir da an einem Punkt angelangt sind, wo man sich um Kaisers Bart "streitet". Denn das, was alles an Beschaltung an der Energiequelle im realen Betrieb noch dranhängt, bringt Punkte mit ein, die wir unter statischen ( Labor-)Bedingungen ohnehin nicht vollständig berücksichtigen können - somit ist das ganze nicht nur seit Urzeiten ein Spiel aus Theorie und Praxis, sondern insbesondere nur eingeschränkt praxisnah - ganz gleich wie sehr wie uns bemühen, durch Abstraktion das ganze darzustellen.
Bei der Betrachtung von Sika müßte man neben der Spannungänderung auch noch die e-Funktion auf das Delta-I mit reinrechnen, bei Gerds Messungen das Delta-U aufgrund der Anstiegszeit der ansteigenden Lastflanke. Unterm Strich werden die Unterschiede nicht über leben oder überleben entscheiden, sie werden abweichen, aber nicht das Universum aus den Angeln heben.
Betrachtet man das ganze in reinem technischen Zusammenhang zur Bestimmung von Faktoren des Ri ohne die Lastdiagramme zu berücksichtigen, kommt man in der Ersatzschaltung eines Akkus neben den ohmschen Komponenten immer auf eine kapazitive und eine induktive Komponente, die mehr oder weniger Einfluß haben wird. Und dieser wird nicht zuletzt von der PWM-Frequenz des ESC mit bestimmt, da dessen Frequenz sich eben im realen Betrieb als HF-Komponente bemerkbar machen wird. Und somit sind rein statische Betrachtungen dann wieder für die Füße und rein im praktischen Einsatz aufgezeichnete Logs genauso, da sie immer nur Momentaufnahmen im Bruchteil von Sekunden einfangen.
Wichtig dürfte für uns alle unterm Strich sein zu erkennen, wohin die Reise geht. Und solange uns die Hersteller der Zellen nicht einmal darüber informieren, wie sie die Peak-belastbarkeit der Zellen spezifizieren, so lange ist es eh nur ein Vergleichen von dem, was bisher da war, mit dem, was es neu gibt. Und dann muß man - wie wir ja bereits bei den HV-Lipo-Threads gesehen haben - auch die Information haben, welche Spezifikationen den Zellen zu Grunde legen, damit wir sie nicht mit den Experimenten bereits frühzeitig unwissentlich lynchen und die hälfte der Messreihe damit versauen.
Bei Sika bricht der Laststrom während des Belastungsimpulses ein ( in Form einer e-Funktion), bei Gerd ist dafür die Anstiegszeit der Impulse länger (Flankensteilheit / Rise-Time) - allein daraus wären mit identischen statischen Soll-Werten beide Ergebnisse unterschiedlich.
Ich finde auch, das wir da an einem Punkt angelangt sind, wo man sich um Kaisers Bart "streitet". Denn das, was alles an Beschaltung an der Energiequelle im realen Betrieb noch dranhängt, bringt Punkte mit ein, die wir unter statischen ( Labor-)Bedingungen ohnehin nicht vollständig berücksichtigen können - somit ist das ganze nicht nur seit Urzeiten ein Spiel aus Theorie und Praxis, sondern insbesondere nur eingeschränkt praxisnah - ganz gleich wie sehr wie uns bemühen, durch Abstraktion das ganze darzustellen.
Bei der Betrachtung von Sika müßte man neben der Spannungänderung auch noch die e-Funktion auf das Delta-I mit reinrechnen, bei Gerds Messungen das Delta-U aufgrund der Anstiegszeit der ansteigenden Lastflanke. Unterm Strich werden die Unterschiede nicht über leben oder überleben entscheiden, sie werden abweichen, aber nicht das Universum aus den Angeln heben.
Betrachtet man das ganze in reinem technischen Zusammenhang zur Bestimmung von Faktoren des Ri ohne die Lastdiagramme zu berücksichtigen, kommt man in der Ersatzschaltung eines Akkus neben den ohmschen Komponenten immer auf eine kapazitive und eine induktive Komponente, die mehr oder weniger Einfluß haben wird. Und dieser wird nicht zuletzt von der PWM-Frequenz des ESC mit bestimmt, da dessen Frequenz sich eben im realen Betrieb als HF-Komponente bemerkbar machen wird. Und somit sind rein statische Betrachtungen dann wieder für die Füße und rein im praktischen Einsatz aufgezeichnete Logs genauso, da sie immer nur Momentaufnahmen im Bruchteil von Sekunden einfangen.
Wichtig dürfte für uns alle unterm Strich sein zu erkennen, wohin die Reise geht. Und solange uns die Hersteller der Zellen nicht einmal darüber informieren, wie sie die Peak-belastbarkeit der Zellen spezifizieren, so lange ist es eh nur ein Vergleichen von dem, was bisher da war, mit dem, was es neu gibt. Und dann muß man - wie wir ja bereits bei den HV-Lipo-Threads gesehen haben - auch die Information haben, welche Spezifikationen den Zellen zu Grunde legen, damit wir sie nicht mit den Experimenten bereits frühzeitig unwissentlich lynchen und die hälfte der Messreihe damit versauen.
Ich möchte diesen kleinen "Vortrag" nun hier beenden.
Was Frank geschrieben hat, widerspricht in keiner Weise dem, was ich bisher geschrieben habe, es erklärt den chemischen Effekt aber auf eine etwas andere Weise. Das Interessant ist, dass beide Wege in einer Simulation zum gleichen Ergebnis kommen, wenn man gewisse Parameter entsprechend umrechnet. Fakt ist jedenfalls: will man Akkus etwas genauer beschreiben, dann ist die Trennung zwischen chemischen Effekten (kapazitiv und ohmsch) und den rein ohmschen Effekten ein sehr brauchbarer Weg - Entladekurven lassen sich damit schon sehr, sehr gut vorhersagen. Und das mit den von mit ermittelten Werten für AC- und DC-Ri. Ich war selbst überrascht, wie gut das hinhaut.
Zu Chris: es ist für die Bestimmung eines ohmschen und "chemischen" Widerstands hinreichend genau irrelevant, wenn der Strom während der Lastphase vorher nicht 100% exakt konstant ist. Als Referenzwert des Stroms wurde der letzte gemessene Strom genutzt - im Vergleich zu 0A danach. Diese Messwerte in eine Simulation eingesetzt, ergeben überraschend exakt die gemessen Lastkurven, so dass die angegebenen Daten bis auf weniger Prozent exakt für den Fall von 55°C warmen Akkus sind. Worauf eine Last als Konstantwiderstand aber Einfluss hat, dass ist die gemessene Spannungskurve - diese unterscheidet sich natütlich von einer Last mit konstantem Strom. Aber beides liefert valide Ergebnisse, will man daraus AC- und DC-Ri bestimmen.
In einem Punkt hast du aber Recht: Gerd schaltet den Strom mit einer Rampe von 0.5s ein und aus, siehe http://www.elektromodellflug.de/oldpage/akku-test/neue Diagramme.htm (zweites Bild von unten).
=> Damit kann er aus den 10C/25C Messkurven keinen exakten AC-Ri herausrechnen; dafür müsste man schneller umschalten (mind. Faktor 5-10). Bzgl. DC-Ri scheitert seine Messmethode, wie gesagt, an den Referenzpunkten bzw. an der dem 25C Puls folgenden 10C Last - sinnvoll kann man den aus solchen Kurven den DC-Ri erst nach einer (weitestgehend) abgeschlossenen Erholphase ausrechnen.
Wenn man AC- und DC-Ri kennt, dann liefert das Ersatzschaltbild recht gute Ergebnisse für hochfrequent gepulste Lasten - also den Teillastbetrieb eines Motors (wobei man hier die Taktfrequenz und Kondensatorbestückung des Reglers sinnvollerweise so wählt, dass die am Akku ankommenden Stromwelligkeit eher gering ist).
Abschließend noch das Ergebnis der mal zwischendrin gestellten Frage: "Geht der chemische Anteil des Innenwiderstands Rp mit in die thermische Bilanz ein?" - Antwort ja, auch der für die Umladung bzw. Nachladung des "Kondensators" im Akku fließende Strom erzeugt Wärme - wenn auch, an Pulsen zeitlich versetzt, d.h. während des chemisch verursachten, langsamen Spannungseinbruchs nach Lastaufschaltung steigert sich der Strom durch Rp und nach Lastabschaltung, wenn sich die Spannung im Akku wieder erholt, fließt der Strom (abnehmend) weiter, bis sich wieder eine konstante Spannung eingestellt hat.
Also, so long,
Jörg
Was Frank geschrieben hat, widerspricht in keiner Weise dem, was ich bisher geschrieben habe, es erklärt den chemischen Effekt aber auf eine etwas andere Weise. Das Interessant ist, dass beide Wege in einer Simulation zum gleichen Ergebnis kommen, wenn man gewisse Parameter entsprechend umrechnet. Fakt ist jedenfalls: will man Akkus etwas genauer beschreiben, dann ist die Trennung zwischen chemischen Effekten (kapazitiv und ohmsch) und den rein ohmschen Effekten ein sehr brauchbarer Weg - Entladekurven lassen sich damit schon sehr, sehr gut vorhersagen. Und das mit den von mit ermittelten Werten für AC- und DC-Ri. Ich war selbst überrascht, wie gut das hinhaut.
Zu Chris: es ist für die Bestimmung eines ohmschen und "chemischen" Widerstands hinreichend genau irrelevant, wenn der Strom während der Lastphase vorher nicht 100% exakt konstant ist. Als Referenzwert des Stroms wurde der letzte gemessene Strom genutzt - im Vergleich zu 0A danach. Diese Messwerte in eine Simulation eingesetzt, ergeben überraschend exakt die gemessen Lastkurven, so dass die angegebenen Daten bis auf weniger Prozent exakt für den Fall von 55°C warmen Akkus sind. Worauf eine Last als Konstantwiderstand aber Einfluss hat, dass ist die gemessene Spannungskurve - diese unterscheidet sich natütlich von einer Last mit konstantem Strom. Aber beides liefert valide Ergebnisse, will man daraus AC- und DC-Ri bestimmen.
In einem Punkt hast du aber Recht: Gerd schaltet den Strom mit einer Rampe von 0.5s ein und aus, siehe http://www.elektromodellflug.de/oldpage/akku-test/neue Diagramme.htm (zweites Bild von unten).
=> Damit kann er aus den 10C/25C Messkurven keinen exakten AC-Ri herausrechnen; dafür müsste man schneller umschalten (mind. Faktor 5-10). Bzgl. DC-Ri scheitert seine Messmethode, wie gesagt, an den Referenzpunkten bzw. an der dem 25C Puls folgenden 10C Last - sinnvoll kann man den aus solchen Kurven den DC-Ri erst nach einer (weitestgehend) abgeschlossenen Erholphase ausrechnen.
Wenn man AC- und DC-Ri kennt, dann liefert das Ersatzschaltbild recht gute Ergebnisse für hochfrequent gepulste Lasten - also den Teillastbetrieb eines Motors (wobei man hier die Taktfrequenz und Kondensatorbestückung des Reglers sinnvollerweise so wählt, dass die am Akku ankommenden Stromwelligkeit eher gering ist).
Abschließend noch das Ergebnis der mal zwischendrin gestellten Frage: "Geht der chemische Anteil des Innenwiderstands Rp mit in die thermische Bilanz ein?" - Antwort ja, auch der für die Umladung bzw. Nachladung des "Kondensators" im Akku fließende Strom erzeugt Wärme - wenn auch, an Pulsen zeitlich versetzt, d.h. während des chemisch verursachten, langsamen Spannungseinbruchs nach Lastaufschaltung steigert sich der Strom durch Rp und nach Lastabschaltung, wenn sich die Spannung im Akku wieder erholt, fließt der Strom (abnehmend) weiter, bis sich wieder eine konstante Spannung eingestellt hat.
Also, so long,
Jörg
Das war "historisch" gewachsen und das Bild entspricht dem damaligen Stand von 2008! Jörg, kurz nachfragen ist dir zu viel?
Fakt ist, es ergeben sich eben keinerlei neuen oder andere Werte nach meiner differenziellen-Messung. Es spielt keine Rolle ob die
anfängliche Stromrampe 0,5s lang war - bei deiner Betrachtung aber schon (<= Jörg - das hast jetzt gelesen und aufgenommen?!)
Deine daraus gefolgerte Schlussfolgerung zu meiner Messmethode ist also falsch! Welche Lehren Du für dich daraus ziehst, steht
auf einem ganz anderen Blatt da dein Anspruch ein anderer ist. Du schriebst selbst, ca 10% differieren die Werte (>Zu b<) - sorry, aber
damit kann ich vorerst noch so gerade (über)leben. Akzeptiere endlich, dass es auch "tolerantere Widerstandsangaben" geben kann!
An einer neuen und einheitlichen Messmethode werden "wir" (Crizz, Peter und ich) uns zusammensetzen. Wir werden aber nicht
den Anspruch (sinnbildlich) erheben um vom Kaisers Bart zu behaupten, er wäre 15,3cm oder 15,509176 cm lang!
