Fraunhofer-Forscher wollen Alter von Batteriezellen einfacher bestimmen

Um den Zustand von Batteriezellen präziser und ohne Laboraufwand bestimmen zu können, wurde am Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen die Bestimmung des Wechselstromwiderstands innerhalb der Batterie mittels dynamischer Impedanzspektroskopie weiterentwickelt. So seien Messungen während des Betriebs möglich, durch die Aussagen zur Leistungsfähigkeit in Echtzeit getroffen werden können.

Die Alterung von Batteriezellen lässt sich unter realen Bedingungen nicht leicht bestimmen. Eine genaue Aussage über den Alterungszustand der Zellen im Betrieb bildet aber die Grundlage für ein besseres Verständnis der Alterungsmechanismen einer Batterie und für eine Verlängerung ihrer Lebensdauer. Genau das soll mit der neuen Messmethode möglich werden.

Genaue Messungen auf Batteriezell- oder Batteriepack-Ebene waren bisher vorrangig im Labor möglich. Doch dort sind die Batterien meist anderen Bedingungen ausgesetzt als im Fahrzeug selbst. Für die Alterung der Batteriezellen ist eine Vielzahl an Faktoren verantwortlich, etwa die Lagerungstemperaturen, der Ladezustand bei längeren Stehzeiten und vor allem die Historie der Lade- und Entladevorgänge.

„Es sind also viele variierende Einflussfaktoren über große Zeiträume, weshalb die präzise Bestimmung des Alterungszustands komplex und bisher mit erheblichem Aufwand verbunden ist“, erklärt das Fraunhofer IFAM. „Dabei basieren bestehende Ansätze entweder auf Simulationen, die eine vereinfachte Beschreibung des Batteriesystems und des Zersetzungsprozesses darstellen, oder auf experimenteller Extrapolation der Zyklenlebensdauer der Batteriezellen.“

Für die simulative Modellierung benötigt man die Kenntnis über alle notwendigen Detailprozesse für jeden Zelltyp, auch wenn diese noch gar nicht bekannt oder unverstanden sind. Außerdem muss zur Übertragung auf eine neue Zellchemie der gesamte Beschreibungsprozess erneut durchgeführt werden, was wiederum erheblichen Aufwand mit sich bringt. Dies ist auch bei der Extrapolation aus Messungen der Fall, da hier für jeden zu beschreibenden Zelltyp und alle existierenden Umgebungsbedingungen (Temperatur, Lastprofil etc.) der komplette Messaufwand durchgeführt werden muss. Und selbst dann werden Faktoren wie die Temperaturverteilung innerhalb einer Zelle noch nicht einmal berücksichtigt.

„Gedächtnis“ für Batteriesystem

Der am Fraunhofer IFAM entwickelte neue Ansatz besteht darin, die Lebensdauer von Batteriezellen anhand eines Modells zu beschreiben, das auf einem begrenzten Kenntnisstand zur Zellchemie beruht. Hierfür werden laut einer Mitteilung mathematische Modelle für nichtlineares Verhalten mit „Memory“-Effekten (sog. Volterra-Reihen) zur Beschreibung der Zelleigenschaften verwendet. Dieser Ansatz bietet demnach den Vorteil, dass die Ausgabe des Systems von der Eingabe in das System zu allen Zeiten abhängt, das System also ein Gedächtnis über alle vorherigen Vorgänge erhält, was zur Beschreibung des Alterungsprozesses unerlässlich ist.

Der entscheidende Schritt sei dann die Messung der dynamischen Impedanz der Batteriezellen während des Einsatzes, das heißt während des Ladens bzw. Entladens der Zelle. Es ist dabei möglich, die mathematischen Parameter zur Beschreibung des Verhaltens der Zellen direkt zu messen. „Mithilfe dieser mathematischen Darstellung können dann auch nicht gemessene Zustände berücksichtigt werden, wodurch die Übertragbarkeit auf andere Umgebungsbedingungen und Zellchemien, also die Berücksichtigung komplett neuer Batterietypen, ermöglicht wird“, so das Fraunhofer IFAM.

Die neue Methode bietet laut den Forschern nicht nur die Möglichkeit, die Ergebnisse mit geringem Aufwand auf ganz verschiedene Zelltypen (z. B. Festkörperbatterien) zu übertragen, sondern vor allem den Vorteil, dass die Messungen direkt während der Nutzung einer Batterie, zum Beispiel im Elektroauto, durchgeführt werden können. Zusätzlicher Laboraufwand oder eine Einschränkung der Nutzung zur Altersbestimmung seien nicht notwendig.

„Durch Implementierung in das Batteriemanagementsystem lassen sich daher zu jeder Zeit während der Nutzung des Systems alle notwendigen Daten zur Lebensdauerprognose gewinnen. Darüber hinaus können aufgrund dieser Daten optimierte Ladestrategien entwickelt werden, um damit die Gesamtlebensdauer des Batteriesystems zu erhöhen. Damit werden Lebensdauerkosten gesenkt und die Nachhaltigkeit beim Einsatz eines Batteriesystems in der Anwendung gesteigert.“