Batteriemanagement: Neuartige „Tankanzeige“ für Akkus

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„Saftlose“ Batterien sind leicht zu erkennen. Sehr viel aufwendiger kommt man dagegen an die Ladezustände zwischen voll und leer heran. Eine genaue und gleichzeitig einfache Methode verspricht da jetzt ein völlig neuer Ansatz mit Ultraschallpulsen.

Batterien sind der Pferdefuß vieler „mobilen“ Technologien. Ob Smartphone, Drohnen oder Elektroauto – meist lässt ihre Ausdauer zu wünschen übrig. Um so wichtiger ist es, jederzeit den genauen Ladezustand festzustellen. Und das ist komplizierter, als man denkt.

Derzeit erledigen die dazu nötigen Messungen aufwendige Batteriemanagementsysteme (BMS). Sie ermitteln anhand der Kenngrößen Strom und Spannung den Ladezustand für jede Zelle. Da die Berechnungen dann aber zum Teil auf Standardwerten beruhen, spiegeln sie den augenblicklichen Zustand nur näherungsweise wider. Insbesondere bei häufiger Teilladung lässt er sich meist nur unpräzise feststellen. Zusätzlich verbraucht das Batteriemanagement auch noch einen Teil der Energie, die man eigentlich in den nächsten Song oder Kilometer investieren wollte.

Batteriemanagement mit Ultraschall

Zuverlässiger, energiesparender und kostengünstiger soll das zukünftig mit Sensorsystemen funktionieren, die am Fraunhofer ISC im Projekt SoCUS entwickelt werden. Sie messen die Dichte der negativen Anode mit Hilfe von Ultraschallpulsen. Diese verändert sich nämlich mit dem Ladezustand der Zelle.

Die Methode hat mehrere Vorteile:

  • Zwischen Ladezustand und Messsignal besteht ein direkter linearer Zusammenhang. Das macht die Auswertung einfacher und genauer als bei derzeit eingesetzten Technologien.
  • Die neuen Batteriesensoren lassen sich sehr gut in bestehende Systeme integrieren.
  • Eine Auswerteeinheit kann mehrere Batteriezellen gleichzeitig überwachen und misst den Ladezustand nur beim Laden und Entladen. Der Wegfall einer permanenten Kontrolle spart dabei Energie und damit Kosten.
  • Da das Ultraschallsignal direkt mit den mechanischen Eigenschaften der Zelle korreliert, werden außerdem Alterungsprozesse besser berücksichtigt. So können genauere Aussagen über die vorhandene Restkapazität und damit die Leistungsfähigkeit getroffen werden.

Batteriemanagement für alle Typen

Das neue Messverfahren eignet sich für nahezu alle Batterietypen. Tests fanden allerdings bislang vor allem für Lithium-Ionen-Akkus statt. Besonders Elektrofahrzeugen dürften von einer zuverlässigen Erfassung des Batterieladezustands profitieren. Schließlich ist die Reichweite da der Schlüsselfaktor für den weiteren Ausbau. Aber auch für Drohnen, die Industrieanlagen und Windparks überwachen oder Agrarflächen bewirtschaften, ist eine verlässliche Überwachung des Ladezustands wichtig.

Besonders profitabel könnte das Ultraschall-Verfahren für stationäre Speicher mit sehr vielen zusammengeschlossenen Batteriezellen sein. Ein Sensor, der nur bei Bedarf arbeitet und den Ladezustand mehrerer Zellen zeitgleich erfasst, kann sowohl Energie als auch Kosten reduzieren. In dieser Anwendung werden häufig schwer brennbare Batterietypen eingesetzt, bei denen der Ladezustand mit bisherigen Methoden nur unzureichend zu ermitteln ist.

Das neue Verfahren könnte zukünftig bestehender Messmethoden der Batteriemanagementsysteme besonders auch in der Elektromobilität um eine zuverlässige, energiesparende und kostengünstige Variante erweitern.

Knowledge Base

Wissenschaftliche Veröffentlichung im Journal of Power Sources, Volume 343, 1 March 2017: Probing lithium-ion batteries‘ state-of-charge using ultrasonic Transmission

 

 

Batteriemanagement mit Ultraschall (Bild: Fraunhofer ISC).

Kleine und große Sensoren mit knapp 1 cm bzw. 2 cm Durchmesser zur Messung des Batterieladezustands. (Bild: Fraunhofer ISC).