Diskret aufgebauter Demonstrator der "intelligenten Zelle".
Fraunhofer IPA
Das Fraunhofer IPA hat eine "intelligente Zelle" entwickelt. In jede Zelle ist eine Schaltung integriert, die den aktuellen Ladezustand erfasst. Bei Bedarf lassen sich alte oder defekte Elemente individuell auswechseln. Vorteile des Systems: geringere Kosten, höhere Reichweite und längere Lebensdauer.
Typische Energiespeicher bestehen aus fest miteinander verbundenen Einzelzellen, die etwa 40 Prozent der Anschaffungskosten eines Elektroautos ausmachen. Fällt eine Zelle aus, muss meist das komplette Batteriesystem ausgetauscht werden. Ein solcher Wechsel ist teuer und zeitaufwendig.
Um den Batteriewechsel im Wartungsfall bei Elektroautos zu vereinfachen, kosteneffizient zu gestalten und Werkstattaufenthalte zu verkürzen, haben Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) das Konzept einer intelligenten Zelle für ein modulares Batteriemanagementsystem (BMS) entwickelt und 2013 patentieren lassen. Das BMS aus standardisierten Hardwarekomponenten komme ohne zentrales übergeordnetes System aus. "Die Intelligenten Zellen bestehen aus einem Energiespeicher und einer elektronischen Schaltung, die fest in das Zellengehäuse integriert ist. Sie bilden selbst ein verteiltes BMS, haben ein Gedächtnis, können eine Selbstdiagnose durchführen und zum Beispiel ihre Ladehistorie kommunizieren", erläutert Kai Pfeiffer, Gruppenleiter am Fraunhofer IPA.
Dezentrales Batteriemanagementsystem
Ein lese- und schreibfähiger Datenspeicher in jeder Batteriezelle informiere über den Ladezustand und sichere den Verlauf bisheriger Lade- und Entladezyklen. Damit sorge das dezentral skalierbare BMS dafür, dass alte oder defekte Batteriezellen rechtzeitig aus dem Gesamtsystem entfernt werden können. "Entscheidender Vorteil der dezentralisierten, also zellenbasierten Datenspeicherung ist, dass sich die standardisierten Batteriezellen einzeln austauschen lassen. Somit bleiben wertbestimmende und herstellerabhängige Komponenten, wie etwa das crashsichere Gehäuse oder Elektronikkomponenten, erhalten", erläutert Jonathan Brix, Gruppenleiter am Fraunhofer IPA. "Durch die optimierte Auslastung jeder Batteriezelle lassen sich die Lebensdauer der Gesamtbatterie verlängern und die Kosten erheblich senken", sagt Brix.
Intelligenz erhält jede Batteriezelle in Form einer Halbleiterplatine, die über Sensoren, Mess- und Schaltelemente verfügt und dezentral mit den übergestellten Rechnermodulen des Fahrzeugs über Powerline (PLC) kommuniziert, erläutern die Forscher. "Die Schaltelemente sind mittels Leistungselektronik realisiert, sodass defekte Batteriezellen überbrückt und sicher aus dem Gesamtsystem entfernt werden können. Mit der PLC können wir vor allem den Verkabelungsaufwand und die Systemkomplexität minimieren", sagt Mihai Drăgan, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IPA. Anwendbar sei das dezentrale BMS nicht nur im Bereich Elektromobilität. "Das vom Fraunhofer IPA patentierte System ist problemlos auf beliebige Energiespeicher, wie etwa stationäre Energiespeicher oder Solaranlagen, übertragbar", resümiert Drăgan.
Die Entwicklungsplattform sei momentan diskret realisiert, für industrielle Anwendungen werde die "intelligente Zelle" in Form einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) umgesetzt. Sie könne somit in hohen Stückzahlen kostengünstig produziert werden.