Impedanzspektroskopie an Batterien unter besonderer Berücksichtigung von Batteriesensoren für den Feldeinsatz

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Ansätze zur Erfassung von Impedanzspektren vorgestellt. Nach einer kurzen Beschreibung der Motivation in Kapitel 2 geht Kapitel 4 zunächst auf die Grundlagen der Impedanzspektroskopie ein. Nach einem Blick auf die vielfältigen Anwendungsbereiche werden das Messprinzip, der prinzipielle Aufbau von Geräten zur Impedanzspektroskopie, sowie die Anforderungen an derartige Geräte bei der Vermessung von Batterien beschrieben. Zum Abschluss des Kapitels werden verschiedene Signalformen vorgestellt, die für die Vermessung von Impedanzspektren als Anregungssignal einsetzbar sind.

Kapitel 5 beschäftigt sich als erweitertes Grundlagenkapitel mit den Besonderheiten hinsichtlich der Impedanzmessung, die sich aus dem nichtlinearen Verhalten von Batterien ergeben. Als Hauptkriterium wird die Stromabhängigkeit der Batterieimpedanz vorgestellt und im Folgenden auf die resultierenden Konsequenzen für die Impedanzmessung eingegangen. Lösungsmöglichkeiten zur Einhaltung einer Quasilinearität werden vorgestellt und auf das nichtstationäre Verhalten von Batterien unter Belastung eingegangen. Den Abschluss des Kapitels bildet ein Unterkapitel, welches eine gängige Methode zur Plausibilisierung von Impedanzspektren an Nicht-LTI-Systemen vorstellt.

Ein wesentlicher Nachteil bei der Impedanzspektroskopie an Batterien ist die schlechte Reproduzierbarkeit von Messdaten, was auf das nicht-stationäre Verhalten von Batterien zurückzuführen ist. Für den Vergleich verschiedener Messmethoden zur Messung von Impedanzspektren an Batterien ist also ein stabiler Prüfling notwendig, dessen Impedanzspektrum idealerweise eine ähnliche Stromabhängigkeit aufweist. In Kapitel 6 wird ein solcher Prüfling bestehend aus konzentrierten Bauelementen vorgestellt.

Schließlich wird in Kapitel 7 auf die Verwendung von aktiver Impedanzspektroskopie für Batteriesensoren im Feldeinsatz eingegangen. Nach einer kurzen Analyse der im Jahr 2011 zur Verfügung stehenden Rechenleistung und Speicherkapazität für Massenmarkt-fähige Sensoren werden zwei verschiedene Anregungsformen vorgestellt, die sich auf einer kostengünstigen Leistungsendstufe für aktive Anregung realisieren lassen. Neben der Verwendung von Maximalfolgen wird der Einsatz von periodischen Rechtecksignalen näher beleuchtet. Die Randbedingungen, unter welchen beide Signalformen zur Impedanzspektroskopie an Batterien verwendet werden können, werden vorgestellt und analysiert. Den Abschluss des Kapitels bildet der Vergleich von Messergebnissen einfacher Impedanzspektroskope für den Einsatz an Batterien und denen kommerziell erhältlicher Geräte für den Laboreinsatz.