Echtzeit-Messverfahren verlängert Lebensdauer und erhöht Sicherheit von Batterien

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Ein neuartiges Messverfahren ermöglicht ein optimiertes Batteriemanagement
in E-Autos und hilft so, sie sicherer zu machen und ihre Lebensdauer zu
verlängern. Die Impedanzspektroskopie aus dem Fraunhofer-Institut für
Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM wertet
detaillierte Messdaten zum Batteriezustand während des Betriebs in
Echtzeit aus. Damit könnten Batterien auch für sicherheitskritische
Anwendungen genutzt werden.

Leistungsfähige und sichere Batterien sind ein zentraler Baustein für den
Erfolg der Elektromobilität. Entsprechend entscheidend ist die Messung von
Kapazität und Zustand einer Batterie. Am aussagekräftigsten ist hier die
Impedanzspektroskopie. Die Impedanz selbst lässt sich nicht direkt messen,
sie wird aus dem Verhältnis von Strom und Spannung errechnet. Sie gibt
Auskunft über den Ladestand (SOC, State of Charge) und erlaubt
Rückschlüsse auf den Zustand des Innenlebens mit Kathoden, Anoden oder
Elektrolyten (SoH, State of Health) oder den Sicherheitszustand.

Um alle erforderlichen Daten zu gewinnen, sind aufwendige Messungen und
Analyseverfahren erforderlich. Zudem ist die Impedanzmessung bisher nur im
Ruhezustand realisierbar. Es kann typischerweise bis zu zwanzig Minuten
dauern, ehe die Daten zur Charakterisierung der Batterie vorliegen.

Forschende des Fraunhofer IFAM haben das Verfahren unter Leitung von Prof.
Fabio La Mantia weiterentwickelt. Die dynamische Impedanzspektroskopie
macht es erstmals möglich, Messwerte zum Status der Batterie während des
laufenden Betriebs zu ermitteln und in Echtzeit verfügbar zu machen. Die
so gewonnenen Informationen umfassen weit mehr als nur Angaben zur
Ladekapazität oder der noch verbleibenden Betriebsdauer, sie zeichnen ein
präzises, tiefgehendes und differenziertes Bild des Innenlebens der
Batterie. Daraus lässt sich auch die mögliche Lebensdauer der
Batteriezelle individuell vorhersagen.

Bestehende Anzeigen der Batterieladestands, die beispielsweise bei E-Autos
in der Fahrzeugelektronik integriert sind, messen zwar auch fortlaufend
während der Nutzung, bieten aber weniger Informationen, reagieren deutlich
langsamer und sind nicht so genau.

»Die dynamische Impedanzspektroskopie eröffnet zunächst neue Möglichkeiten
bei der Optimierung des Batteriemanagements und verlängert damit die
Lebensdauer der Batterien. Zudem macht sie den Weg frei für den Einsatz
der Batterien in sicherheitskritischen Anwendungen«, erklärt Projektleiter
Dr. Hermann Pleteit.

Hochauflösendes Messverfahren und direkte Analyse

Bei dem innovativen Verfahren wird dem Entlade- oder dem Ladestrom ein
Mehrfrequenz-Prüfsignal überlagert. Die unterschiedlichen Frequenzen
erlauben Rückschlüsse auf den Status bestimmter Komponenten oder Prozesse
in der Batterie. Das Antwortsignal von Strom und Spannung wird bis zu
einer Million Mal pro Sekunde gemessen. Alle Daten aus dem hochauflösenden
Messverfahren fließen in eine simultan ablaufende Datenverarbeitung.
Daraus berechnet eine Software den Verlauf der Impedanzwerte und schließt
auf den Zustand der jeweiligen Batteriezelle.

Um trotz der enormen Datenmenge, die bei den hochauflösenden Messungen
anfallen, die Ergebnisse in Echtzeit zu erhalten, haben die Fraunhofer-
Forschenden einen weiteren Kniff angewandt. »Wir haben Algorithmen
entwickelt, die die Datenmengen vor der Analyse deutlich reduzieren, ohne
dabei die Informationen zu verfälschen«, sagt Pleteit. So bietet die
Echtzeitkontrolle aller Aspekte des Batteriezustands durch die
Impedanzspektroskopie wesentliche Vorteile.

Erhitzte Zellen schnell abschalten

Aus der Impedanz lassen sich auch Rückschlüsse auf die Temperatur
innerhalb der Zelle gewinnen. Deshalb können Batteriemanagementsysteme
mithilfe der Impedanzdaten beispielsweise während der Fahrt im E-Auto
sofort registrieren, wenn eine Zelle sich lokal stark erhitzt. Dann
schalten sie die Zelle ab oder drosseln die Leistung. Herkömmliche
Temperaturfühler sind damit überflüssig; sie sitzen ohnehin auf der
Außenhülle der Batterie und registrieren thermische Probleme nur mit
Verzögerung, oftmals ist es dann zu spät und die Zelle bereits geschädigt.

Auch bei Ladestationen für E-Autos ergeben sich Vorteile. So könnte man
zwischen besonders schnellem Laden und langsamerem, aber schonendem Laden
entscheiden. Während des Zwischenstopps an der Raststätte lädt das
Batteriemanagement zügig auf, sorgt aber auch dafür, dass keine
gefährlichen Temperaturspitzen entstehen und die internen Komponenten
nicht über Gebühr belastet werden. Steht das Auto für mehrere Stunden an
der Ladesäule, dann lädt das Managementsystem die Batterie langsam und
schonend auf, um deren Lebensdauer zu verlängern.

Anwendung für erneuerbare Energien und Luftfahrt

Anbieter von erneuerbaren Energien wie Windkraft oder Photovoltaik, die
Schwankungen in der Stromproduktion durch Energiespeicher ausgleichen
müssen, erhalten mit der Fraunhofer-Technik stabile und jederzeit
kontrollierbare Batteriesysteme.

Die Echtzeit-Kontrolle des Zustands macht zukünftig sogar den Einsatz in
sicherheitskritischen Szenarien denkbar. »Solche Systeme könnten etwa in
umweltfreundlichen Elektroflugzeugen eingesetzt werden. Dieser Markt
beginnt sich gerade zu entwickeln. Auch in der Schifffahrt zeigen die
Hersteller Interesse«, sagt Pleteit.

Die Impedanzspektroskopie ist dabei nicht nur für die derzeit üblichen
Lithium-Ionen-Akkus geeignet, das Verfahren eignet sich auch für
Batterietypen auf Feststoff-, Natrium-Ionen- oder Lithium-Schwefel-Basis
oder weitere zukünftige Technologien.