Neues Messverfahren für Elektroauto-Akkus entwickelt

Entwickelt hat es ein Team des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen. Es könnte bereits im kommenden Jahr in Elektroautos genutzt werden, so der Projektleiter gegenüber AUTO BILD.

Das Verfahren basiert auf der sogenannten Impedanzspektroskopie. Diese Analyse des elektrischen Innenwiderstands von Batteriezellen ist bisher nur im Ruhezustand möglich und dauert bis zu 20 Minuten. Nun können erstmals in Echtzeit permanent Daten aus dem Innern der Batterie gewonnen und ausgewertet werden.

Die Bandbreite der Messwerte erstreckt sich auf die Ladekapazität und die voraussichtliche Lebenserwartung jeder Zelle. Bestehende Anzeigen des Batterieladestands, die beispielsweise bei Elektroautos in die Fahrzeugelektronik integriert sind, würden zwar auch fortlaufend während der Nutzung messen, so das IFAM. Doch böten sie weniger Informationen, reagierten deutlich langsamer und seien 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 Hermann Pleteit. Damit spielt er auf die eingangs erwähnte Analyse der Zelltemperatur an.

Bei dem neu entwickelten Verfahren wird dem Entlade- oder dem Ladestrom ein Mehrfrequenz-Prüfsignal überlagert. Ähnlich einem Radarecho erfolgt die Resonanz in jeweils unterschiedlichen Frequenzen. Je nachdem wie diese beschaffen sind, können Rückschlüsse auf den Status bestimmter Komponenten oder auf Prozesse in der Batterie gezogen werden. Dieses "Antwortsignal" von Strom und Spannung wird bis zu einer Million Mal pro Sekunde gemessen.

Die gemessenen Daten werden maschinell ausgewertet. Daraus berechnet eine Software den Verlauf der Impedanzwerte und schließt auf den Zustand der jeweiligen Batteriezelle. Um diese Verarbeitung der gewaltigen Datenmengen zu beschleunigen, haben die IFAM-Wissenschaftler gleich noch die dazugehörigen Algorithmen zum Komprimieren des Informationsstroms entwickelt.

Für die E-Mobilität verspricht die dynamische Impedanzspektroskopie beachtlichen Fortschritt: So lassen sich 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 befinden sich bisher auf der Außenhülle der Batterie und registrieren thermische Probleme nur mit Verzögerung. Oftmals ist es dann zu spät und die Zelle bereits geschädigt, was teure Reparaturen oder gar einen Brand auslösen kann. Damit könnte die Brandgefahr, die bei Elektroautos nicht größer ist als bei Verbrennungsmotoren, entscheidend verringert werden.

Auch bei Ladestationen für E-Autos ergeben sich Vorteile. Die Ladeleistung kann viel gezielter und schneller angepasst werden, das würde Ladezeiten erheblich verkürzen. Während des Zwischenstopps an der Raststätte würde das Batteriemanagement dann zügiger aufladen, aber durch die permanente Echtzeitmessung auch dafür sorgen, dass keine gefährlichen Temperaturspitzen entstehen und die internen Komponenten nicht über Gebühr belastet werden.

Die Echtzeitkontrolle 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.

Auf AUTO BILD-Rückfrage sagt der Wissenschaftler, dass IFAM mit mehreren potenziellen Geschäftspartnern im Gespräch sei: "Es handelt sich um Unternehmen aus dem Bereichen Batteriemanagementsysteme, Luftfahrtbranche sowie Elektrolyse zur Wasserstoffgewinnnung, alle aus Deutschland." Details sind noch vertraulich. Pleteit geht davon aus, dass die Marktreife "in ein bis zwei Jahren" erreicht sein wird.