Innenwiderstand und DCIR: was die Zahl vorhersagt

Der Innenwiderstand einer Zelle ist keine einzelne Zahl. Er ist die Summe mehrerer Mechanismen, die auf unterschiedlichen Zeitskalen reagieren: der elektronische Widerstand von Stromableitern und Fahnen, der ionische Widerstand von Elektrolyt und Separator und die Polarisation, die sich an den Elektroden aufbaut, sobald Strom fließt. Eine Messung in Millisekunden sieht die ersten beiden; eine Messung, die zehn Sekunden Strom hält, sieht alle drei.

ACIR und DCIR sind nicht austauschbar

Beide Messungen sind legitim. Der Fehler ist, mit dem ACIR-Wert das DC-Verhalten vorherzusagen; das unterschätzt den Einbruch, den ein Pack tatsächlich sieht.

DCIR ergibt sich aus dem Spannungssprung: bekannten Strom anlegen, Spannungsänderung nach einer definierten Zeit messen, teilen. Die Zeit zählt – ein 10-Sekunden-Wert ist mit einem 1-Sekunden-Wert nicht vergleichbar, und ein Datenblatt ohne Pulsdauer nennt eine Zahl, die Sie nicht reproduzieren können.

Was die Zahl in einem realen Pack kostet

Die Rechnung passt auf einen Bierdeckel und lohnt sich vor dem ersten Prototyp:

• Eine Zelle mit 25 mΩ DCIR verliert bei 8 A 200 mV.
• Zehn in Serie verlieren 2.0 V – bei einem 36 V-Pack ist das der Unterschied zwischen 3.6 V und 3.4 V pro Zelle unter Last.
• Derselbe Strom über eine Zelle mit 50 mΩ verliert 400 mV pro Zelle, doppelt so viel, bei gleicher Kapazität.
• Wärme ist I²R: 8 A über 25 mΩ setzen 1.6 W pro Zelle um. Über 50 mΩ sind es 3.2 W – ein thermisches Problem, nicht nur ein Effizienzproblem.

Deshalb können sich zwei Zellen gleicher Kapazität im selben Pack völlig unterschiedlich verhalten. Die mit der höheren Impedanz erreicht die Unterspannungsabschaltung zuerst, das BMS schaltet ab, und der Nutzer hält das Pack für leer, obwohl ein erheblicher Teil der Kapazität noch vorhanden ist.

Was den Wert im Betrieb verschiebt

• Temperatur. Kalter Elektrolyt erhöht den Widerstand stark; ein Pack, das bei 25 °C gut läuft, kann bei −10 °C einen großen Teil seiner nutzbaren Leistung verlieren. Das ist die größte Einzelvariable.
• Ladezustand (SoC). Der Widerstand ist in der Mitte des Ladefensters am niedrigsten und steigt an beiden Enden – deshalb liefern die letzten Prozent Ladung deutlich weniger Leistung.
• Alter. Die Impedanz steigt mit Zyklen und mit Kalenderzeit; ein Pack am Lebensende kann das Anderthalbfache des Neuwiderstands haben.
• Qualität von Schweißung und Verbinder. Eine schlechte Schweißung addiert Widerstand außerhalb der Zelle, und im Datenblatt der Zelle ist er unsichtbar.

Wie viel Streuung ein Pack verträgt

Zellen in einem Serienstrang führen denselben Strom, also setzt eine Zelle mit höherem Widerstand mehr Wärme um und erreicht ihre Abschaltung früher. Beide Effekte beschleunigen sich: Die heißere Zelle altert schneller, ihr Widerstand steigt weiter, und die Unsymmetrie wächst.

In der Packfertigung gilt: Zellen vor dem Aufbau nach gemessener Kapazität und Impedanz gruppieren und die Streuung in einem engen Band halten – üblich sind wenige Prozent, enger bei Hochstrompacks. Der genaue Schwellwert ist eine Konstruktionsentscheidung, keine Norm; die Richtung ist nicht verhandelbar: je enger die Gruppe, desto länger bleibt das Pack im Gleichgewicht.

Messen, ohne sich selbst zu täuschen

1. Vierleitermessung verwenden. Der Übergangswiderstand an den Sonden kann den Zellwiderstand übersteigen, wenn Sie Zweileiterklemmen nutzen.
2. Ladezustand und Temperatur vor der Messung festlegen und beides protokollieren. Ein Widerstandswert ohne diese Angaben ist nicht reproduzierbar.
3. Pulslänge und Stromhöhe festlegen. DCIR hängt von beidem ab.
4. Dieselbe Zelle zweimal messen, um die eigene Wiederholbarkeit zu kennen, bevor Sie Zellen vergleichen.
5. Gleiches mit Gleichem vergleichen: ein ACIR aus einem Labor und ein DCIR aus einem anderen sind kein Vergleich.

Von der Messung zum Pack: der Sortierschritt

Eine Impedanzmessung rechnet sich nur, wenn sie bestimmt, was in ein Pack geht. In der Praxis heißt das ein Sortierschritt zwischen Wareneingang und Montage mit drei Ausgängen: Zellen im Band, die gruppiert werden; Zellen außerhalb des Bands, die für stromschwächere Verwendung ins Lager zurückgehen; und Zellen, die eine Plausibilitätsprüfung nicht bestehen und gesperrt werden.

1. Jede Zelle bei festem Ladezustand und protokollierter Temperatur messen.
2. In Bänder sortieren, die enger sind als die Anforderung des Packs, nicht gleich groß – das Band muss die Wiederholbarkeit der Messung ebenso aufnehmen wie die Zellenstreuung.
3. Stränge aus einem einzigen Band und nach Möglichkeit aus einer Charge aufbauen.
4. Das Band auf dem Serienetikett des Packs oder im Fertigungsprotokoll vermerken, damit ein späterer Fehler auf eine Kohorte zurückführbar ist.
5. Eine Stichprobe fertiger Packs nachmessen, um zu bestätigen, dass der montierte Widerstand dem aus den Zelldaten entspricht.

Der letzte Schritt findet Montageprobleme. Misst das fertige Pack deutlich höher als die Summe seiner Zellen, liegt der Unterschied in den Schweißungen, der Stromschiene oder der Messleitungsführung – und dort ist er deutlich billiger zu finden als in einem zurückgesandten Produkt.

Was die Impedanz nicht sagt

Eine Zelle mit niedriger Impedanz ist nicht automatisch sicher, eine mit hoher Impedanz nicht automatisch defekt. Die Impedanz sagt nichts über die Integrität des Separators, über Verunreinigungen oder über das Verhalten bei internem Kurzschluss. Sie sagt auch die Zyklenlebensdauer nicht allein vorher – eine Zelle kann ihre Impedanz halten und trotzdem Kapazität verlieren.

Behandeln Sie sie als eine Achse: Sie sagt, wie viel Spannung die Zelle unter Last abgibt und wie viel Wärme dabei entsteht. Beides zählt für die Konstruktion, keines ist eine Sicherheitsbewertung.

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