Wie weit reicht’s noch?

Für Elektro­fahrzeuge und andere mobile Geräte, die elektrische Energie benötigen, sind Batterien unverzichtbar. Damit der Nutzer anhand des Lade­zustands der Batterie zum Beispiel Reich­weite und Nutzungs­dauer einschätzen kann, werden derzeit aufwändige Batterie­management­systeme (BMS) benötigt, die selbst einen Teil der Energie verbrauchen. Das Fraunhofer-Institut für Silicat­forschung ISC entwickelt im Projekt SoCUS kosten­günstige Sensor­systeme, die direkt in die Batterie integriert werden und den Lade­zustand zuver­lässiger messen können als markt­übliche Systeme.

Aufbau für Ladezustandsmessung mit angeschlossener Batteriezelle und Sensoren. (Quelle: K. Selsam, Fh.-ISC)

Stationäre Energiespeicher, Elektro­autos oder andere Geräte werden permanent durch Batterie­management­systeme überwacht. Diese ermitteln anhand der Kenn­größen Strom (Coulomb-Counting) und Spannung den Lade­zustand für jede Zelle. Da die Berech­nungen des BMS auf Standard­werten beruhen, sind sie fehler­anfällig. Insbe­sondere bei häufiger Teilladung und bestimmten Batterie­zell­typen ist keine präzise Messung des Lade­zustandes möglich.

Der vom ISC entwickelte, neuartige Ansatz erlaubt es, den Lade­zustand mit Hilfe von Ultra­schall­pulsen zu messen. Hierbei wird die Dichte der negativen Anode – die sich mit dem Lade­zustand der Zelle ändert – direkt gemessen und ausge­wertet.

Diese Methode bietet mehrere Vorteile: Da ein direkter linearer Zusammenhang zwischen Lade­zustand und Mess­signal besteht, ist die Auswertung einfacher und genauer als bekannte Techno­logien und kann sehr gut in beste­hende Systeme inte­griert werden. Eine Auswerte­einheit kann mehrere Batterie­zellen gleich­zeitig überwachen und misst den Lade­zustand nur beim Laden und Entladen, eine permanente Kontrolle entfällt. Dies spart zusätzlich Energie und damit Kosten. Da das Ultraschall­signal direkt mit den mecha­nischen Eigen­schaften der Zelle korreliert, werden außerdem Alterungs­prozesse besser berück­sichtigt. So können genauere Aussagen über die vorhandene Rest­kapazität und damit die Leistungs­fähigkeit getroffen werden.

Das neue Messverfahren eignet sich für nahezu alle Batterietypen, ist bislang jedoch vor allem für Lithium-Ionen-Batterien getestet worden. Da nach wie vor die Reich­weite von Elektro­fahr­zeugen der Schlüssel­faktor für den weiteren Ausbau der Elektromobilität ist, wäre hier eine zuver­lässige Erfassung des Batterie­lade­zustands ein entschei­dender Pluspunkt.

Auch in der vergleichsweise neuen Drohnen­techno­logie, die zur Inspektion von Industrie­anlagen, Wind­parks oder zur Bestel­lung von Agrar­flächen einge­setzt wird, ist eine verlässliche Über­wachung des Lade­zustands wichtig, um die Laufzeit der Batterie für Hin- und Rück­flug bei großen Entfer­nungen genau einschätzen zu können.

Besonders profitabel könnte das alternative Verfahren des ISC für stationäre Speicher sein, da hier sehr viele Batterie­zellen in einem System zusammen­geschlossen werden. Ein Sensor, der nur bei Bedarf arbeitet und den Lade­zustand mehrerer Zellen zeit­gleich erfasst, kann sowohl Energie als auch Kosten reduzieren. In dieser Anwendung werden häufig schwer brennbare Batterie­typen eingesetzt, bei denen der Lade­zustand mit bisherigen Methoden nur unzureichend zu ermitteln ist, per Ultra­schall jedoch präzise bestimmt werden kann.

Das neue Verfahren bietet somit eine zuver­lässige, energie­sparende und kosten­günstige Erweiterung bestehender Mess­methoden der Batterie­management­systeme und eröffnet speziell für die weit verbrei­teten Lithium-Ionen-Batterien im Sektor der Elektro­mobilität viele Vorteile. (Quelle: Fh.-ISC)

Referenz: L. Gold et al.: Probing lithium-ion batteries‘ state-of-charge using ultrasonic transmission, J. Power Sources 343, online 1 March 2017; DOI: 10.1016/j.jpowsour.2017.01.090

Link: Fraunhofer FuE-Zentrum Elektromobilität Bayern

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