Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der chinesischen Tongji-Universität und des Fraunhofer Heinrich-Hertz-Instituts hat ein neues Frühwarnsystem für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt. Die Studie kombiniert faseroptische Temperatursensoren mit einem mehrstufigen Diagnoseverfahren. Ziel ist es, kritische Temperaturentwicklungen innerhalb von Batteriesystemen für Elektrofahrzeuge früher zu erkennen als mit herkömmlichen Batteriemanagementsystemen.
Die Besonderheit liegt laut den Wissenschaftlern in der deutlich höheren räumlichen Auflösung der Temperaturüberwachung. Während das in der Studie betrachtete konventionelle Messsystem 32 Temperaturmesspunkte verwendete, ermöglichten die integrierten Glasfasersensoren Messungen an 540 Positionen. Dadurch lassen sich lokale Temperaturunterschiede innerhalb des Batteriepakets genauer erfassen. Die optischen Fasern benötigen dabei nicht für jeden Messpunkt eine separate elektrische Sensorleitung.
Das Frühwarnsystem analysiert neben der absoluten Temperatur auch deren Änderungsgeschwindigkeit sowie die sogenannte Shannon-Entropie der Temperaturverteilung. Diese mathematische Größe beschreibt die statistische Verteilung der Temperaturmesswerte und wird zur Erkennung ungewöhnlicher thermischer Muster herangezogen. Zusammen mit dynamischen Warnschwellen sollen die verschiedenen Messgrößen thermische Auffälligkeiten erkennen, bevor konventionelle Grenzwerte erreicht werden.
In Laborversuchen erreichte das System gegenüber den in der Studie verwendeten Referenzkriterien konventioneller Batteriemanagementsysteme einen maximalen zeitlichen Vorsprung von 706 Sekunden, entsprechend 11 Minuten und 46 Sekunden. Bei Tests unter realen Fahrzeugbetriebsbedingungen betrug der maximale Vorsprung 554 Sekunden beziehungsweise 9 Minuten und 14 Sekunden.
Die Entwicklung soll Auffälligkeiten frühzeitig erkennen, die auf ein erhöhtes Risiko für ein sogenanntes thermisches Durchgehen hinweisen können. Dabei können sich Batteriezellen durch unkontrollierte chemische Reaktionen stark erhitzen. Eine frühzeitigere Erkennung könnte dem Batteriemanagement zusätzliche Zeit geben, geeignete Schutzmaßnahmen einzuleiten. Ob sich damit Batteriebrände tatsächlich verhindern lassen, wurde durch die Untersuchung jedoch nicht nachgewiesen.
An der Forschungsarbeit waren Wissenschaftler der Tongji-Universität in Shanghai und des Fraunhofer Heinrich-Hertz-Instituts in Goslar beteiligt. Das Verfahren befindet sich im Forschungsstadium. Für einen Serieneinsatz wären unter anderem die Langzeitbeständigkeit der Sensoren, ihre Integration in unterschiedliche Batteriekonstruktionen sowie zusätzliche Kosten zu untersuchen. Konkrete Pläne für einen Einsatz in Serienfahrzeugen wurden nicht genannt.
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