Tektronix: Essentielle Lösungen für Hochleistungs- und Batterietests
Die Welt befindet sich in einem rasanten Wandel hin zu einer vollständig elektrifizierten Zukunft. Dieser globale Wandel betrifft nicht nur die Automobilbranche. Er durchdringt alle Sektoren, von erneuerbaren Energienetzen bis hin zur Unterhaltungselektronik. Batterien sind die buchstäbliche Energiequelle dieser massiven Transformation. Sie sind jedoch auch komplexe elektrochemische Systeme. Ihre Sicherheit, Lebensdauer und Effizienz hängen von strengen und umfassenden Tests ab.
Die Elektrifizierungsrevolution und ihre Testanforderungen
Die Nachfrage nach zuverlässigen Energiespeichern wächst exponentiell. Allein der Markt für Elektrofahrzeuge (EV) wird voraussichtlich ein dramatisches Wachstum verzeichnen. Bis 2030 könnten Elektrofahrzeuge über 30 % aller Neuwagenverkäufe weltweit ausmachen. Dieses beispiellose Wachstum führt zu einem dringenden Bedarf an hochentwickelter Testausrüstung. Ingenieure müssen die Leistungsfähigkeit in allen Phasen zuverlässig überprüfen können. Dies umfasst die Zellforschung, die Fertigung und die finale Systemintegration.
Das ganzheitliche Portfolio von Tektronix für Leistungsanwendungen
Tektronix bietet zusammen mit seinen spezialisierten Marken wie Keithley und EA Elektro-Automatik ein umfassendes Testökosystem. Das Portfolio deckt das gesamte Leistungsspektrum ab – von der Zellcharakterisierung im Millivoltbereich bis hin zu Zyklentests von Megawatt-Akkus. Die Werkzeuge liefern die für moderne Anwendungen erforderliche Präzision und Leistung. Dieser integrierte Ansatz gewährleistet konsistente und nachvollziehbare Daten und beschleunigt so die Designvalidierung und den Produktionsdurchsatz.
Die sich wandelnde Landschaft der Batteriechemie
Die moderne Batterietechnologie entwickelt sich ständig weiter. Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) dominieren derzeit den Markt. Dennoch entstehen fortlaufend neue Batterietechnologien. Festkörperbatterien, Natrium-Ionen-Batterien und fortschrittliche Lithium-Schwefel-Batterien stehen kurz vor der Markteinführung. Jede neue Technologie stellt spezifische Herausforderungen an die Tests. Zur Charakterisierung ihrer Kapazität und ihres thermischen Verhaltens sind spezielle Lösungen erforderlich. Die modularen Systeme von Tektronix, wie die EA-BTS-Serie, sind auf Anpassungsfähigkeit ausgelegt. Sie gewährleisten, dass Ingenieure auch bei sich ändernden Leistungsanforderungen zukunftssicher aufgestellt sind.
Grundlagenprüfung auf Zell- und Modulebene: Präzision und Durchsatz
Die Prüfung von Zellen und kleinen Modulen ist grundlegend für die Batteriequalität. Diese Phase erfordert höchste Messgenauigkeit. Geringste Abweichungen in der Materialwissenschaft oder der Fertigungsqualität können die Langzeitleistung drastisch beeinträchtigen. Tektronix und Keithley liefern hierfür unverzichtbare Werkzeuge. Sie gewährleisten, dass Forscher verwertbare und verlässliche Daten gewinnen.
Hochpräzise Messungen mit digitalen Multimetern (DMMs) und Source Measure Units (SMUs)
Eine präzise Charakterisierung beginnt mit stabilen, rauscharmen Messungen. Die hochauflösenden Digitalmultimeter (DMMs) von Keithley sind dafür unerlässlich. Sie messen Spannungen und Ströme mit außergewöhnlicher Genauigkeit. Beispielsweise bietet das DMM7510 folgende Möglichkeiten: -stellige Auflösung. Diese Präzision ist notwendig, um kleinste Veränderungen der Zellspannung zu erfassen. Solche geringfügigen Veränderungen signalisieren wichtige interne Prozesse.
Die Source Measure Unit (SMU) ist wohl das unverzichtbarste Werkzeug. Eine SMU vereint vier Instrumente in einem Gerät: Sie dient als Präzisionsnetzteil, Stromquelle, Digitalmultimeter (DMM) und elektronische Last. Diese Integration eliminiert Anschlussfehler und Synchronisationsprobleme. Die SourceMeter-SMUs der Keithley 2400-Serie sind weit verbreitet. Sie eignen sich ideal für die Prüfung von Batterieleckströmen und die Erstellung von Kennlinien. Sie können präzise Strom liefern und gleichzeitig die Spannung messen (und umgekehrt). Diese Fähigkeit ist grundlegend für die Erstellung einer genauen Strom-Spannungs-Kennlinie für neue Zellchemien.
Prüfung der Leerlaufspannung (OCV) und des Innenwiderstands (IR) zur Klassifizierung
Zwei Schlüsselkennzahlen bestimmen die Qualität und den Ladezustand (SOC) einer Zelle. Dies sind die Leerlaufspannung (OCV) und der Innenwiderstand (IR) .
- OCV-Prüfung: Diese Prüfung misst die Spannung an den Zellanschlüssen im Leerlauf. Genaue OCV-Messwerte, die oft mit hochohmigen Digitalmultimetern (DMM) ermittelt werden müssen, ermöglichen eine präzise Klassifizierung der Zellen. Die Zellen werden anhand ihrer OCV-Werte in Gruppen sortiert. Dadurch wird sichergestellt, dass nur zusammenpassende Zellen zu einem Akkupack zusammengestellt werden. Nicht zusammenpassende Zellen reduzieren die Lebensdauer und Leistung des gesamten Akkupacks drastisch.
- IR-Prüfung: Der Innenwiderstand bestimmt, wie viel Leistung eine Batterie abgeben oder aufnehmen kann. Ein hoher Innenwiderstand führt zu höherer Wärmeentwicklung und geringerer Effizienz. Industriestandard ist häufig die Wechselstromwiderstandsmethode (ACR) . Bei dieser Methode wird ein kleiner Wechselstrom (z. B. …) angelegt. Die Zelle wird mit angeregt. Die resultierende Wechselspannungsänderung wird anschließend gemessen. Spezielle Lösungen von Keithley ermöglichen diese Messungen schnell und zuverlässig. Diese Hochgeschwindigkeitsprüfung ist für Fertigungslinien mit hohem Durchsatz unerlässlich.
Zyklische Prüfung und Charakterisierung der Zelllebensdauer
Ingenieure müssen verstehen, wie sich die Kapazität einer Zelle über Hunderte oder Tausende von Lade-Entlade-Zyklen hinweg verschlechtert. Dieser Prozess wird als zyklische Prüfung bezeichnet. Mithilfe präziser SMUs (Solid Measurement Units) oder spezieller Batterietester wird die Zelle wiederholt mit Strom versorgt und entladen. Kritische Parameter wie Kapazitätsverlust und Coulomb-Effizienz werden über die Zeit erfasst. Die Coulomb-Effizienz ist das Verhältnis der aus der Zelle entnommenen zur in die Zelle aufgenommenen Ladung. Idealerweise liegt dieses Verhältnis nahe bei 10⁻⁵. . Jede Abweichung deutet auf interne parasitäre Reaktionen hin. Diese Reaktionen verbrauchen das aktive Material der Zelle. Hochpräzise Messungen gewährleisten, dass selbst geringfügige Effizienzverluste sofort erkannt werden. Dies liefert wichtige Daten zur Validierung von Zellmodellen und zur Vorhersage der Lebensdauer.
Hochleistungs-Akkupack- und Systemtests: Simulation der Realität
Abgesehen von einzelnen Zellen stellen sich die Herausforderungen beim Testen kompletter Akkupacks deutlich anders. Akkupacks arbeiten mit hohen Spannungen (z. B. oder ) und hohen Strömen. Diese Tests müssen die extremen und unvorhersehbaren Bedingungen des realen Einsatzes simulieren. Für diese Art von Tests ist leistungsstarke Spezialausrüstung erforderlich. Sie muss außerdem über fortschrittliche Sicherheits- und Rekuperationsfunktionen verfügen.
Bidirektionale Gleichstromversorgungen und elektronische Lasten für den Batteriebetrieb
Das Herzstück von Hochleistungsakku-Tests sind bidirektionale Gleichstromnetzteile . Herkömmliche Netzteile liefern lediglich Strom. Bidirektionale Netzteile hingegen können Strom sowohl effizient abgeben als auch aufnehmen.
- Stromversorgung (Laden): Das Gerät dient als präzise Stromquelle zum Laden des Akkus.
- Stromsenkung (Entladung/Beladung): Das Gerät fungiert als elektronische Hochleistungslast und bezieht Strom aus dem Akku.
Lösungen von Tektronix-Partnern, wie beispielsweise die Hochleistungssysteme von EA Elektro-Automatik oder Keithley, zeichnen sich hier aus. Diese Systeme bieten die erforderliche Leistungsdichte und ermöglichen schnelle, kontrollierte Lade- und Entladezyklen. Dies ist unerlässlich, um die Leistungsfähigkeit unter Schnellladeprotokollen zu überprüfen.
Regenerative Technologie: Effizienz und Kosteneinsparungen bei Hochleistungstests
Das Testen großer Akkus verbraucht immense Mengen an Energie. Zum Beispiel das Entladen eines Akkumulator muss seine Energie in Form von Wärme abgeben. Das ist ineffizient und erfordert eine große Kühlinfrastruktur. Regenerative Technologie bietet die Lösung für dieses Problem.
Hochwertige bidirektionale Netzteile verfügen über regenerative Funktionen. Wenn sich der Akku entlädt, wandelt die elektronische Last die Energie nicht in Wärme um. Stattdessen wandelt sie den Gleichstrom wieder in hochwertigen Wechselstrom um. Dieser Wechselstrom wird dann in das Hauptstromnetz der Anlage eingespeist. Die betrieblichen Vorteile sind erheblich.
- Reduzierte Energiekosten: Der Energieverbrauch kann um bis zu 90 % gesenkt werden. Dies führt zu massiven langfristigen Kosteneinsparungen.
- Minimierte Wärmebelastung: Der Bedarf an aufwendigen Kühlsystemen wird deutlich reduziert. Dies vereinfacht die Laborinfrastruktur und senkt die Wartungskosten.
Diese Technologie ermöglicht es Herstellern, mehr Tests schneller durchzuführen. Sie ist unerlässlich für die anspruchsvollen, umfangreichen Tests, die in der modernen Produktion erforderlich sind.
Fahrzyklussimulation und Validierung des Batteriemanagementsystems (BMS)
Die Tests müssen über einfache, konstante Lade-/Entladezyklen hinausgehen. Ingenieure müssen realistische Betriebsszenarien simulieren. Die Fahrzyklussimulation bildet den dynamischen, variablen Leistungsbedarf eines Fahrzeugs im Straßenverkehr nach. Dies umfasst die Simulation von Beschleunigung, konstanter Fahrt und regenerativer Bremsung. Die Testausrüstung muss in Echtzeit reagieren und komplexe Strom- und Spannungsverläufe präzise erfassen.
Entscheidend ist, dass diese Tests das Batteriemanagementsystem (BMS) verifizieren. Das BMS ist das Herzstück des Akkus. Es überwacht den Zustand der Zellen, steuert den Ladevorgang und gewährleistet die Sicherheit. Hochleistungstestlösungen müssen direkt mit dem BMS kommunizieren. Sie simulieren Fehler und Überstromzustände. Sie bestätigen, dass das BMS korrekt reagiert, um ein thermisches Durchgehen oder Schäden zu verhindern. Die Überprüfung der BMS-Funktionalität ist wohl der wichtigste Sicherheitsschritt. Das dynamische Verhalten des Netzteils ist der Schlüssel zu einer realistischen und verlässlichen BMS-Validierung.
Über die Elektrotechnik hinaus: Thermische und Sicherheitsanalyse mit integrierten Werkzeugen
Die Leistungsfähigkeit einer Batterie hängt nicht allein von elektrischen Eigenschaften ab. Thermisches Management und umfassende Sicherheitsvalidierung sind ebenso entscheidend. Lithium-Ionen-Akkus arbeiten in einem sehr engen Temperaturfenster. Eine Überschreitung dieser Grenzen kann zu irreversiblen Schäden oder, im schlimmsten Fall, zu einem thermischen Durchgehen führen. Der integrierte Ansatz von Tektronix kombiniert hochpräzise elektrische Messgeräte mit entscheidenden Analysemöglichkeiten im Bereich Thermik und Sicherheit.
Die Bedeutung der integrierten thermischen Überwachung
Die Temperatur beeinflusst direkt die Lebensdauer und die Leistung einer Batterie. Außerhalb des optimalen Temperaturbereichs (typischerweise bei 10 °C) beschleunigt sich der Zellabbau dramatisch. bis ). Hochleistungstests müssen simultane, genaue thermische Messungen beinhalten.
Ingenieure verwenden häufig Thermoelemente oder Widerstandsthermometer (RTDs). Diese Sensoren sind präzise im gesamten Akkupack integriert. Datenerfassungssysteme (DAS) überwachen hunderte von Temperaturpunkten in Echtzeit. Tektronix- Tools integrieren diese Datenströme oft. Dadurch wird die genaue elektrische Leistung mit spezifischen thermischen Bedingungen verknüpft. Diese integrierte Sicht ist unerlässlich, um die Effektivität des Kühlsystems des Akkupacks (z. B. Flüssigkeits- oder Luftkühlung) zu überprüfen. Jeder Temperaturanstieg muss umgehend mit der entsprechenden Stromlast korreliert werden.
Analyse von Schaltverlusten und Netzqualität mit Oszilloskopen
Das gesamte Stromumwandlungssystem, der Wechselrichter, ist fest mit der Batterie verbunden. Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom der Batterie in Wechselstrom für den Motor um. Diese Umwandlung erfolgt mithilfe von Hochgeschwindigkeitsschaltelementen wie Siliziumkarbid- (SiC) oder Galliumnitrid- (GaN) Leistungshalbleitern.
Oszilloskope sind für die Charakterisierung dieser Leistungselektronik unerlässlich. Hochauflösende Oszilloskope von Tektronix (z. B. die 5er-Serie MSO) werden zur Analyse von Schaltverlusten eingesetzt. Hochfrequentes Schalten erzeugt Wärme. Durch die Minimierung dieser Verluste wird die nutzbare Energie aus der Batterie maximiert. Tastköpfe mit hoher Gleichtaktunterdrückung (CMRR) sind erforderlich. Diese Tastköpfe gewährleisten präzise Spannungsmessungen an den High-Side-Schaltern. Eine genaue Analyse führt zu optimierten Gate-Ansteuerzeiten. Optimierte Ansteuerzeiten verbessern den Wirkungsgrad und reduzieren die thermische Belastung der Bauteile.
Diese Geräte messen außerdem die Stromqualität. Sie analysieren Oberschwingungen und Restwelligkeit im Zwischenkreis. Eine schlechte Stromqualität kann die Batterie und andere Bordelektronik belasten.
Erweiterte Sicherheitsstandards und Konformitätsprüfung
Die Einhaltung globaler Sicherheits- und Regulierungsstandards ist unabdingbar. Die Prüfungen müssen die Konformität mit Normen wie UN 38.3 (Transportwesen) und verschiedenen Automobilnormen (z. B. ISO 26262 für funktionale Sicherheit) nachweisen.
Hochleistungsprüfgeräte müssen über integrierte Sicherheitsfunktionen verfügen. Dazu gehören Not-Aus-Schaltungen sowie Überspannungs- und Überstromschutz. Das Prüfsystem selbst muss zuverlässig sein. Es muss Fehlermodi zuverlässig ausführen, ohne den teuren Akku oder die Anlage zu beschädigen.
