Thomas Günther von der Professur Mess- und Sensortechnik testet das neue Messsystem.
Steve Conrad/ TU Chemnitz
Wissenschaftler der Professur Mess- und Sensortechnik der Technischen Universität Chemnitz ist es gelungen, die Impedanzspektroskopie für die Batteriediagnose in Elektrofahrzeugen nutzbar zu machen.
Mit Anlagen zur Impedanzspektroskopie kann unter anderem untersucht werden, wie lange Batterien leistungsfähig sind. Im Labor der Professur Mess- und Sensortechnik der Technischen Universität Chemnitz füllen diese Anlagen laut Angaben bislang halbe Schränke. Nun ist es den Elektrotechnikern gelungen, die Technik in ein handlicheres Format zu bringen: auf eine zehn mal fünf Zentimeter große Leiterplatte. Damit wir die Anwendung der Impedanzspektroskopie zur Batteriediagnose in Elektrofahrzeugen möglich, berichten die Chemnitzer Wissenschaftler. Das kleine und preiswerte System soll künftig eine wesentlich bessere Ausnutzung der Batterieleistung ermöglichen können und für alle Batterietypen anwendbar sein.
Diagnose statt Prognose
Bislang werden Batterien vor der Benutzung umfangreich im Labor charakterisiert. Es werden Daten erhoben, die für einen Batterietyp charakteristisch sind. Diese werden im Batteriemanagementsystem hinterlegt. Der aktuelle Zustand und die verbleibende Lebensdauer werden im Betrieb nicht neu gemessen, sondern auf Basis der vorab gespeicherten Daten prognostiziert, erläutern die Wissenschaftler das derzeitige Vorgehen. Einflüsse der Fahrweise und der Umweltbedingungen blieben ebenso außen vor wie das individuelle Verhalten jeder einzelnen Batterie. "Dieses Verfahren ist ungenau und wenig zuverlässig, deshalb werden vorsichtshalber mehr Batteriezellen ins Auto eingebaut, als man eigentlich brauchen würde. Die Ausnutzung der Batterien kann noch deutlich gesteigert werden", betont Thomas Günther von der Professur Mess- und Sensortechnik. Die Impedanzspektroskopie ermögliche nun eine Diagnose während des Betriebs. "Sie soll im Rahmen des Ladevorgangs ablaufen und dauert nur fünf Minuten", erklärt Günther.
Rückschlüsse auf das Innenleben der Batterie möglich
Bei der Impedanzspektroskopie, führen die Elektrotechniker aus, wird die zu untersuchende Batterie mit einem variierenden Strom angeregt. Die sich einstellende Batteriespannung werde mit dem anregenden Strom zur Impedanz verrechnet und erlaube Rückschlüsse auf das Innenleben der Batterie. "Bei einer Impedanzspektroskopie im Labor hat man leistungsfähige Geräte mit großem Speicher zur Verfügung und kann hochwertige Signale erzeugen. Außerdem kann ein Ingenieur die Messungen überwachen. Diese Technik ist sehr genau und für unterschiedliche Anwendungen weit verbreitet", erläutert Professor Dr. Olfa Kanoun, Inhaberin der Professur Mess- und Sensortechnik. "Unsere Herausforderung bestand nun darin, eine Lösung auf einen Chip mit begrenztem Speicher und Rechenleistung zu bringen, wobei wir keine Signalgeneratoren und nicht unendlich viel Zeit für die Diagnose haben. Die Autoindustrie wünscht sich Lösungen, die klein und preisgünstig, aber gleichzeitig robust sind und möglichst wenige Komponenten benötigen."
Den Chemnitzer Wissenschaftlern ist es gelungen, die Signalerzeugung so effizient zu gestalten, dass die Messung für viele Frequenzen gleichzeitig möglich wird und dabei die Batterie selbst die Stromquelle ist.
Lebensdauer der Batterie kann verlängert werden
Präzise Messgeräte für Laboranwendungen sind sehr kostenintensiv. Im Gegensatz dazu soll die neue Hardware rund 10 Euro kosten. "In der Automobilindustrie, in der in sehr hohen Stückzahlen kalkuliert wird, zählt bei solchen Bauteilen jeder Cent", weiß Kanoun. Zudem ermögliche die Impedanzspektroskopie eine Untersuchung jeder einzelnen Zelle einer Batterie. Durch die per Impedanzspektroskopie erlangten Messergebnisse sollen die Batterien besser ausgenutzt werden können. "Die Lebensdauer der Batterie kann verlängert werden oder die Reichweite des Elektroautos erhöht. Oder die Batteriesysteme werden kleiner und preiswerter. Wie die Ergebnisse des Messsystems genutzt werden, ist die Entscheidung des Systemdesigners - wir liefern ihm mit unserer Lösung mehr Gestaltungsspielraum", erklärt Günther.
Grundlagen für die Entwicklung lieferte die Chemnitzer Nachwuchsforschergruppe "Adaptive Antriebe für die Elektromobilität" (AdAntE), die vom Europäischen Sozialfonds und der Sächsischen Aufbaubank gefördert wird. Anwendungsbezogen vorangebracht wurde sie im Projekt "Smart-LIC", das Teil der European Green Cars Initiative ist. Neben der Professur Mess- und Sensortechnik der TU Chemnitz war auch das Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS in Chemnitz und Paderborn an diesem Projekt beteiligt. Darüber hinaus sind am EU-Projekt neben großen Automobilzulieferern (Continental, Kemet/Manz) auch Halbleiterhersteller (ST-Microelectronics) sowie die Berliner Nanotest beteiligt.