Wie sich der Alterungszustand von Akkus schnell bestimmen lässt

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Batterien komplett nutzen

Um die Ausnutzung der Batterie signifikant zu steigern, hat die Professur Mess- und Sensortechnik der TU Chemnitz ein Verfahren entwickelt, mit dem eine präzise Batteriediagnose während des Betriebs innerhalb weniger Minuten durchgeführt werden kann. Damit liefert es online verlässliche Aussagen zum SoH und RUL der Batterie. Rutronik unterstützt die Forschungsarbeiten im Rahmen von Partnerschaften mit Master- und Bachelor-Arbeiten und der Bereitstellung von elektronischen Bauteilen und Entwicklungswerkzeugen. Als offizieller Distributionspartner und Lieferant von Li-Ion-Batterien des Herstellers Samsung SDI ist Rutronik eng mit dem Batteriehersteller verbunden und somit ein idealer Forschungspartner im gegenseitigen Knowhow-Transfer rund um die Batteriezellen und Batteriemanagementsystemen.

Präzise Werte mit Impedanzspektroskopie

Die Professur für Mess- und Sensortechnik entwickelt Messsysteme basierend auf der Impedanzspektroskopie. Damit lassen sich die batterieinternen Prozesse, wie Ladungstransfer, Elektrodendegradation oder Diffusion messen und bewerten. Hierfür wird die Batterie mit variierendem Wechselstrom angeregt. Die dadurch resultierende Batteriespannung lässt sich mit dem anregenden Strom zur Impedanz verrechnen und daraus Rückschlüsse auf den Zustand der Batterie ziehen.

Da die Impedanz bei aktuellen Li-Ion-Zellen kleiner als 1 mΩ sein kann, muss sowohl das Messverfahren als auch die eingesetzte Hardware besondere Anforderungen erfüllen. Wegen der extrem niedrigen Impedanzwerte, aber auch aufgrund niedriger Frequenzen und einem weiteren Frequenzbereich, sind kostenintensive, präzise Messgeräte notwendig sowie leistungsfähige Geräte mit großem Speicher, um präzise, dynamische Signale erzeugen zu können. Deshalb kommt das Verfahren bislang ausschließlich im Labor zum Einsatz, wo der Prozess in der Regel von einem Ingenieur überwacht wird.

Vom Labor zum Embedded-Messsystem

Um die Impedanzspektroskopie auch für mobile Systeme nutzbar zu machen, haben die Wissenschaftler der TU Chemnitz die Methodik zur Erzeugung des notwendigen Signals so optimiert, dass ein Chip mit begrenztem Speicher und relativ geringer Rechenleistung das Verfahren ohne zusätzliche Signalgeneratoren abbilden kann. Als Stromquelle nutzen sie die Batterie selbst oder die Energie aus einem anderen Stack und reduzieren damit den notwendigen Hardware-Aufwand enorm. Um die Messzeit zu reduzieren, mussten wegen des großen Frequenzbereichs multispektrale Methoden eingesetzt werden.

Durch neuartige Algorithmen können sämtliche Berechnungen simultan zur Messung erfolgen. So konnte der Speicher des Controllers zur Zwischenspeicherung der Messdaten auf unter 500 KByte reduziert werden. Zudem konnte die Messdauer auf rund fünf Minuten reduziert werden. Dies ermöglicht die Wiederholung der Messungen während des Betriebs in definierten Zyklen, z.B. in bestimmten Betriebszuständen. Mit diesen Merkmalen trägt die Methodik auch den Anforderungen der Entwicklung für Steuergeräte im Automotive-Bereich Rechnung.

Mit der an der Professur für Mess- und Sensortechnik entwickelten Prototypenhardware können vier Batteriezellen gleichzeitig diagnostiziert werden, die Hardware lässt sich jedoch prinzipiell beliebig auf größere Systeme skalieren. Außerdem erfüllt die Lösung weitere Anforderungen der Zielanwendungen: Sie ist nicht nur klein, sondern auch robust und kostengünstig mit einem embedded Mikrocontroller umsetzbar. Mit den so erzielten Messergebnissen können Batterien bis zu ihrem tatsächlichen Lebensende vollständig genutzt werden. Damit ergibt sich für die Hersteller die Chance, die Reichweite ihres Elektroautos zu erhöhen, die Garantie für ihre Batterien zu verlängern oder auch die Batteriesysteme kleiner und damit preiswerter auszulegen – je nach Geschäftsmodell.

* Andreas Mangler ist Director Strategic Marketing & Communications, Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH,

* Prof. Dr. Olfa Kanoun ist Lehrstuhlinhaberin und Dipl.-Ing. Thomas Günther wissenschaftlicher Mitarbeiter, beide Professur Mess- und Sensortechnik an der Technischen Universität Chemnitz.

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