Handliche Impedanzspektroskopie für gestresste Batterien

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Die Impedanzspektroskopie ist ein probates Mittel, um die Leistungsfähigkeit einer Batterie zu bestimmen. Nun gelang, das dafür benötigte System auf Handgröße zu schrumpfen. Dies erlaubt endlich eine regelmäßige Diagnose statt einer ungenauer Prognose -  mit weitreichenden Folgen für Elektroautos.

Die Stimmung unter den Fahrern von Elektromobilen fällt mit jeder ungenauen Prognose der verfügbaren Batterieleistung. Zwar lässt sich die mit der Impedanzspektroskopie genau bestimmen. Bei diesem Verfahren wird die Impedanz (Realteil und Imaginärteil) der Batterie bei verschiedenen Frequenzen gemessen, erklären die Springer-Autor Kai Borgeest in seinem Buch „Elektronik in der Fahrzeugtechnik“. Man gewinnt so eine für den Batteriezustand charakteristische Ortskurve. Doch die dafür benötigen Systeme füllen halbe Schränke. Der Einsatz im Elektroauto ist damit obsolet. Das allerdings kann sich bald ändern.

Ingenieuren des Labors der Professur Mess- und Sensortechnik der Technischen Universität Chemnitz gelang es nun, die Impedanzspektroskopie zur Batteriediagnose in Elektrofahrzeugen auf ein handliches Maß zu schrumpfen. Sie haben die dafür benötigte Elektronik auf eine etwa zehn mal fünf Zentimeter große Leiterplatte integriert. Das kleine und preiswerte System kann künftig eine wesentlich bessere Ausnutzung der Batterieleistung ermöglichen. Es ist für alle Batterietypen anwendbar.

Batterie-Diagnose während des Betriebs

Bislang werden Batterien vor der Benutzung umfangreich im Labor charakterisiert. Es werden Daten erhoben, die für einen Batterietyp charakteristisch sind, und 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. Einflüsse der Fahrweise und der Umweltbedingungen bleiben 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“, sagt Thomas Günther von der Professur Mess- und Sensortechnik. Die Impedanzspektroskopie ermöglicht nun eine Diagnose während des Betriebs. „Sie soll im Rahmen des Ladevorgangs ablaufen und dauert nur fünf Minuten“, so Günther.

Impedanzspektroskopie erkennt schwächelnde Batterie

Bei der Impedanzspektroskopie wird die zu untersuchende Batterie mit einem variierenden Strom angeregt. Die sich einstellende Batteriespannung wird mit dem anregenden Strom zur Impedanz verrechnet und erlaubt 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“, sagt Prof. Dr. Olfa Kanoun, Inhaberin der Professur Mess- und Sensortechnik.

Sie verdeutlicht: „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 gleichzeig möglich wird und dabei die Batterie selbst die Stromquelle ist.

Genaue Batteriediagnose für mehr Reichweite

Präzise Messgeräte für Laboranwendugnen sind sehr kostenintensiv. Im Gegensatz dazu soll die neue Hardware rund 10 Euro kosten. Darüber hinaus ermöglicht die Impedanzspektroskopie eine Untersuchung jeder einzelnen Zelle einer Batterie. Durch die per Impedanzspektroskopie erlangten Messergebnisse können die Batterien besser ausgenutzt werden – dadurch entstehen gleich mehrere Chancen: 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 allerdings die Entscheidung des Systemdesigners.