De sleutel tot efficiënte hoogspanningsaccu’s

Het belang van kleine weerstanden

In het productieproces van lithium-ioncellen of -batterijen wordt de batterijtester pas in een vrij laat stadium ingezet. Weerstandswaarden worden echter al veel eerder in het proces gecontroleerd, omdat het waarborgen van zo laag mogelijke en idealiter altijd gelijke weerstandswaarden bepalend is voor de kwaliteit van de batterij. Daar zijn vooral twee redenen voor.

Ten eerste is een lage totale weerstand van een batterijsysteem cruciaal om ervoor te zorgen dat je bijvoorbeeld bij het accelereren van een elektrische sportwagen in je stoel wordt gedrukt. De batterij moet daarvoor namelijk in staat zijn om de motor van hoge stromen te voorzien. Het verband met de weerstand wordt heel eenvoudig verklaard door de wet van Ohm.

Als men U=RI , omzet naar I=U/R , dan ziet men dat een lage weerstand R bij een gelijke spanning U een grote stroomsterkte I betekent.

Anderzijds zorgt elke weerstand in een batterijsysteem ervoor dat elektrische energie verloren gaat in de vorm van warmte-energie. Dit is geen specifiek verschijnsel bij batterijen, maar vloeit voort uit de algemeen geldende wet van Joule – ook bekend onder de naam „Eerste wet van Joule“.

Het elektrische vermogensverlies dat in de weerstand ontstaat, kan op klassieke wijze worden beschreven met P = UI . Vervangt men de spanning U door RI uit de hierboven genoemde wet van Ohm, dan krijgt men P = UI = (RI)I = RI² . Men ziet dus hoe het vermogensverlies P toeneemt naarmate de weerstand R stijgt.

AC of DC?

Bij het meten van weerstanden, met name in verband met batterijen, wordt onderscheid gemaakt tussen twee meetmethoden: de AC- en de DC-weerstandsmeting. Met de gelijkstroomweerstandsmeting wordt hier niet de bepaling van de interne gelijkstroomweerstand van een batterij bedoeld, waarbij de interne weerstand wordt bepaald aan de hand van de spanningsverandering tijdens het ontladen van de batterij met een belasting. Hier wordt veeleer de weerstandsmeting met een 4-draads meetmethode bedoeld.

De DC-meetmethode wordt bijvoorbeeld gebruikt bij het meten van contactweerstanden. Apparaten die met deze methode werken zijn multimeters, (DC-)weerstandsmeter of isolatietesters. De AC-meetmethode wordt daarentegen toegepast in batterijtesters of LCR-meetapparatuur.

Afbeelding 1: Vergelijking tussen weerstandsmetingen bij wisselstroom en gelijkstroom.

Elektrodetests

Als men het productieproces van een lithium-ionbatterij chronologisch doorloopt, vindt er al vrij vroeg na het coaten van de elektroden met de actieve massa een belangrijke elektrische DC-weerstandsmeting plaats. Daarbij wordt materiaal met een lithiumlegering onder druk en bij de juiste temperaturen op het elektrodemateriaal aangebracht.

Een daaropvolgende weerstandsmeting maakt het mogelijk om de specifieke elektrische weerstand van de aangebrachte actieve massa te bepalen en de overgangsweerstand tussen het actieve materiaal en de elektrode vast te stellen. Tot voor enkele jaren konden deze twee waarden echter niet eenvoudig afzonderlijk worden bepaald – met name het meten van de overgangsweerstand tussen de actieve massa en het elektrodemateriaal vormde hierbij een uitdaging. Dat veranderde met de marktintroductie van een nieuw systeem voor het meten van de elektrodeweerstand – de RM2610 van HIOKI.

De RM2610 van HIOKI is in principe een DC-weerstandsmeter. In plaats van een klassieke 4-draadsmeting werkt de RM2610 echter met een meetkop waarop in totaal 42 veerkrachtige contactpunten zijn aangebracht op een totale oppervlakte van 1 mm². Tijdens de meting wordt tussen de contactpunten een reeks gelijkstroomweerstandsmetingen uitgevoerd. Aan de hand van deze meetresultaten worden vervolgens, met behulp van een wiskundig model en bekende parameters, de soortelijke weerstand van de actieve massa en de overgangsweerstand tussen de actieve massa en de elektrode berekend.

De bekende parameters zijn daarbij eenvoudig te bepalen grootheden, zoals de dikte van het elektrodemateriaal, de laagdikte van de actieve massa en de elektrische geleidbaarheid van het elektrodemateriaal. Het elektrodemateriaal van de anode is doorgaans koper, terwijl voor de kathode meestal aluminium wordt gekozen. Koper kan niet als kathodemateriaal worden gebruikt, omdat het aan de kathode zou corroderen. Omgekeerd is aluminium ongeschikt als anodemateriaal, omdat het reageert met lithium.

Hoewel de RM2610 inmiddels op grote schaal wordt ingezet als testapparaat bij de productie van lithium-ioncellen, is hij eigenlijk ontworpen voor gebruik in ontwikkelingsafdelingen. Het doel was om het ontwikkelingsproces van cellen met nieuwe materialen te verkorten door de mogelijkheid te creëren om, direct na voltooiing van de gecoate elektroden, al een uitspraak te kunnen doen over de te verwachten kwaliteit van de voltooide cel. Deze mogelijkheid was zo uniek en procesverbeterend dat het elektrodeweerstandsmeetsysteem van HIOKI al in de prototypefase bij enkele tientallen klanten in Azië werd ingezet.

Afbeelding 2: Meting van overgangsweerstanden bij elektroden – RM2610.

Weerstanden van lascontacten

DC-weerstandsmetingen bij het bepalen van contactweerstanden na het tot stand brengen van lasverbindingen verlopen daarentegen op de klassieke manier met een 4-draadsmeting. Of het nu gaat om het aanbrengen van vermogensaansluitingen bij een pouch-cel of om het verbinden van een cel met een stroomrail – na afloop moet in ieder geval de contactweerstand worden gecontroleerd om juist op deze plek het ontstaan van een weerstandsafhankelijke warmtebron te voorkomen.

4-draads DC-weerstandsmetingen kunnen met vrijwel elke digitale multimeter voor laboratorium- of industriële toepassingen worden uitgevoerd. Voor het meten van contactweerstanden in de productie zijn er echter enkele belangrijke redenen om de meting uit te voeren met een speciaal daarvoor ontworpen weerstandsmeter.

De eerste belangrijke reden is het meetbereik voor de weerstand. Bij een veelgebruikte en ongetwijfeld eersteklas 7½-cijferige digitale multimeter van een van de bekende fabrikanten is het kleinste weerstandsmeetbereik 1 Ω. Dat klinkt op het eerste gezicht indrukwekkend, maar de contactweerstanden van lascontacten bij lithium-ionbatterijen zouden idealiter onder de 0,1 mΩ moeten liggen. De weerstandsmeter RM3545 van HIOKI voldoet moeiteloos aan deze eis met zijn kleinste meetbereik van slechts 10 mΩ bij een resolutie van 0,01 µΩ.

Afbeelding 3: Meting van lascontactweerstanden – RM3545.

Hoge meetsnelheid voor de productie

Naast een zeer klein meetbereik beschikt de RM3545 van HIOKI ook over een andere functie die in een productieomgeving zeer nuttig is: het controleren van het contact tussen het meetapparaat en het testobject tijdens de meting: Hierbij wordt gebruikgemaakt van het principe van de 4-draadsmeting om te garanderen dat alle vier de meetcontacten goed contact maken met het testobject. Deze functie voorkomt dat metingen als „slecht“ worden beoordeeld vanwege verkeerd aangebrachte meetcontacten, waardoor producten die in orde zijn ten onrechte worden afgekeurd.

Een andere, zeer belangrijke reden om een speciale weerstandsmeter te gebruiken, is de meetsnelheid: bij de RM3545 duurt het in de snelste instelling slechts 2,2 ms vanaf het begin van de meting tot de weergave van het meetresultaat. Gezien het grote aantal te meten lascontacten in een batterijproductielijn kunnen op deze manier veel contactcontroles worden uitgevoerd met slechts een klein aantal meetapparaten.

Afbeelding 4: De RM3545 van HIOKI.

Op dit punt zullen lezers met productie-ervaring volkomen terecht aanvoeren dat het mechanisch verplaatsen van een testobject aanzienlijk langer duurt dan enkele milliseconden, wat het voordeel van een zeer hoge meetsnelheid in de totale context duidelijk relativeert. Om dus effectief voordeel te halen uit de hoge meetsnelheid voor de productie, biedt HIOKI met de RM3545-02 een apparaatvariant aan met sleuven voor multiplexerkaarten.

Afbeelding 5: Multiplex-inlegplaten voor gebruik in de productie.

Door twee van de optioneel verkrijgbare multiplexerkaarten toe te voegen, kan één enkel weerstandsmeetapparaat in zeer korte tijd tot wel 20 verschillende 4-draadsmetingen achter elkaar uitvoeren, mits de testobjecten mechanisch „in blokvorm“ in de meetopstelling worden aangevoerd. Mocht dit aantal meetkanalen niet voldoende zijn, bijvoorbeeld omdat alle lascontacten van een volledige batterijmodule in één stap moeten worden gemeten, dan is het nog steeds niet nodig om meerdere RM3545-apparaten naast elkaar te gebruiken, aangezien de parallelle aansturing daarvan de integratie aanzienlijk zou bemoeilijken.

Afbeelding 6: 132 meetkanalen met één meetapparaat.

In dit geval is het raadzaam om een apart multiplexersysteem te gebruiken. HIOKI biedt een dergelijk systeem in verschillende uitvoeringen aan en maakt het in een configuratie die is ontworpen voor 4-draadsmetingen mogelijk om tot 132 kanalen aan te sturen met één enkel meetapparaat, zoals de RM3545 (configuratie: SW1002 + 12x SW9001). De multiplexereenheid is daarbij niet beperkt tot gebruik met een weerstandsmeter, maar kan eveneens worden gebruikt met HIOKI’s batterijtesters, impedantiemeters of voltmeters – mits de meetspanningen lager zijn dan 60 V.

Als men zich een meetopstelling voorstelt met de zojuist beschreven 132 kanalen, die bijvoorbeeld worden gebruikt om bij een batterijmodule de lascontacten voor de verbindingen met stroomrails te meten, dan hebben we het vanwege de 4-draads meetmethode niet alleen over meer dan 500 benodigde meetkabels, maar ook over meer dan 250 mechanische testcontacten. Technisch gezien is dit mogelijk. Echter, met name bij cilindrische cellen in een module ligt een andere oplossing voor de hand.

Het alternatief in dit geval is een flying-probe-tester met de ietwat cryptische naam FA1240-W800. Deze apparaten worden doorgaans gebruikt voor het testen van bestukte printplaten en zijn in staat om onder andere 4-draads weerstandsmetingen uit te voeren in maximaal 25 ms per test. Uiteindelijk maakt het echter niet uit of het testobject een bestukte printplaat is of een batterijmodule waarbij lascontacten worden gemeten.

Afbeelding 7: Lascontacten meten met een flying-probe-tester.

Het gebruik van een Flying-Probe-tester biedt, aan de hand van het voorbeeld „het meten van lascontacten bij batterijmodules“, nog een voordeel ten opzichte van de opstelling met vaste testcontacten – of het nu gaat om de eerder beschreven variant of, als alternatief, een „Bed of Nails“; want terwijl bij bestukte printplaten de testposities inderdaad altijd hetzelfde zijn, wijken deze bij een batterijmodule met honderden cellen in de praktijk vanwege productietoleranties altijd enigszins van elkaar af. Het lascontact moet echter nauwkeurig worden gemeten.

Met de Flying-Probe-tester FA1240 kan voor elke batterijmodule vooraf een positiebestand worden ingelezen. Dit kan met de juiste camera en geschikte analysesoftware individueel voor elke batterijmodule worden aangemaakt. Meetfouten als gevolg van mechanische productietoleranties worden op deze manier uitgesloten.

Batterijtester voor lascontacten?

Een vraag die regelmatig aan HIOKI wordt gesteld, is of een bestaande batterijtester ook kan worden gebruikt voor het meten van contactweerstanden. Er is een technische reden die hiervoor pleit, maar er zijn zwaardere redenen die hiertegen spreken.

Een argument voor het gebruik van de bij de batterijtester toegepaste AC-meetmethode voor het meten van contactweerstanden is dat de elektromotorische kracht – ook wel oorspronkelijke spanning genoemd – bij deze meetmethode geen rol speelt. Simpel gezegd is de elektromotorische kracht namelijk een DC-offset die ontstaat wanneer verschillende metalen met elkaar in contact worden gebracht. Een DC-offset kan bij een AC-meting echter worden genegeerd.

Afbeelding 8: De de facto-standaard in de batterijproductie – BT3562A.

Deze basisspanning is een zeer kleine spanning die bij weerstandsmetingen in het ohm-bereik geen meetbare invloed heeft. Contactweerstanden liggen echter wel degelijk in het microohm-bereik, en hier heeft zelfs een zeer kleine DC-offset invloed op het meetresultaat. Het is daarom belangrijk om op dit punt op te merken dat de reeds genoemde DC-weerstandsmeter RM3545 beschikt over een „Offset Voltage Compensation“-functie, waarmee de invloed van de basisspanning tot een minimum wordt beperkt.

Een argument tegen het gebruik van batterijtesters voor het meten van contactweerstanden zijn wervelstromen, die bij een 4-draadsmeting in de meetkabels kunnen ontstaan, zelfs bij meetfrequenties van 1 kHz. Net als bij de referentiespanning zijn deze wervelstromen bij grotere weerstanden niet van belang – bij de zeer lage contactweerstanden hebben ze echter wel invloed op het meetresultaat. Het lastige hieraan is dat wervelstromen bij hetzelfde testobject al verschillende groottes kunnen hebben, afhankelijk van de geleiding van de meetkabel. Als de meetkabel bijvoorbeeld langs een (magnetische) staalplaat, zoals een behuizing, wordt geleid, kan dit een ander meetresultaat opleveren dan wanneer de meetkabels bij hetzelfde testobject iets anders worden geleid. Dit is een van de redenen waarom het bij het meten van contactweerstanden met een batterijtester moeilijk kan zijn om herhaalbare of exact vergelijkbare meetresultaten te verkrijgen.

Een andere reden komt naar voren bij het vergelijken van de nauwkeurigheden van de twee meetmethoden: een van de meest gebruikte batterijtesters in de productieomgeving is de BT3562A van HIOKI. Bij deze batterijtester bedraagt de basisnauwkeurigheid bij de weerstandsmeting 0,5 %. Dat is een zeer goede waarde voor een AC-weerstandsmeter. Een DC-weerstandsmeter zoals de RM3545 heeft daarentegen een basisnauwkeurigheid van 0,006 %.

Het afstemmen van cellen

Aan het begin van deze tekst werd beschreven dat niet alleen lage, maar ook gelijke weerstandswaarden bepalend zijn voor de kwaliteit van een batterij. Gelijke weerstandswaarden zijn daarbij met name relevant voor cellen die in modules en packs worden geschakeld.

Bij een serieschakeling van batterijcellen zou een enkele cel met een grotere weerstand als een knelpunt in het totale systeem fungeren. De grotere weerstand zou niet alleen zorgen voor een hogere temperatuur in de opstelling, wat een negatieve invloed op de levensduur zou hebben. Deze cel zou ook sneller ontladen raken dan de andere. In de praktijk zorgt een batterijbeheersysteem ervoor dat deze verschillen tussen de cellen worden gecompenseerd en voor de gewone gebruiker niet waarneembaar zijn.

Het ligt anders wanneer de accu niet alleen voor een gewone elektrische auto wordt gebruikt, maar bijvoorbeeld voor een raceauto uit de beroemde topklasse. Of wanneer een speciaal daarvoor ontworpen accu de volledige stroomvoorziening van een expeditievoertuig voor zijn rekening neemt. In beide gevallen is het van voordeel om variaties binnen de serie zo goed mogelijk uit te sluiten.

Afbeelding 9: Elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) met de BT4560.

Dit kan worden bereikt door middel van „Pair Matching“ van de afzonderlijke cellen. Daarbij wordt de impedantie van de afzonderlijke cellen bij verschillende frequenties bepaald met behulp van elektrochemische impedantiespectroscopie. Figuurlijk gesproken vormen de impedantiewaarden, bestaande uit ohmse weerstand en reactieve weerstand, voor elke cel samen een Nyquist-plot. Door deze locatiecurven over elkaar te leggen, kunnen de cellen die het dichtst bij elkaar liggen worden samengevoegd tot een module of pack.

De BT4560-batterijimpedantiemeter van HIOKI is ook daarom een geschikt apparaat voor deze metingen, omdat de vorming van de hierboven beschreven wervelstromen tijdens de meting tot een minimum wordt beperkt door het gebruik van een „4-terminal-pair“-meting.

Conclusie

Samenvattend kan worden gesteld dat met name voor de realisatie van hoogvermogenbatterijen de juiste meettechniek vereist is. Elke afzonderlijke productiestap speelt daarbij een doorslaggevende rol voor het eindresultaat van de batterij.

Voor HIOKI is de nauwe samenwerking met toonaangevende batterijfabrikanten, die al decennia lang bestaat, een garantie om de batterijmarkt te versterken, zowel met beproefde als met nieuw ontwikkelde meettechnologie.