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Alterungszustand von Batterien schnell und detailliert bestimmen

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Wenn Lithium-Ionen Batterien altern, lässt ihre Leistungsfähigkeit nach. Wie schnell und in welchem Umfang das passiert, kann mit den aktuell eingesetzten Methoden nur recht aufwändig unter Laborbedingungen ermittelt werden. Eine schnelle und detaillierte Diagnose hingegen ermöglicht ein Verfahren, das die TU Chemnitz jetzt entwickelt hat. Damit lassen sich verlässliche Aussagen zum State of Health (SoH) und dem Remaining Useful Life (RUL) von Lithium-Ionen Batterien treffen. Der Forschungspartner RUTRONIK unterstützt hierbei die Universität von Seiten der Industrie.

Lithium-Ionen (Li-Ionen) Batterien haben sich in vielen Anwendungen als Energiespeicher der Wahl etabliert, z.B. in konventionellen Autos als Starterbatterie, aber vor allem auch in Elektrofahrzeugen, in Medizinanwendungen, professionellen Werkzeugen, mobilen Robotern und USV. Bei allen bestimmt der Zustand der Batterie maßgeblich die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems. Betrachtet man Elektroautos, hängen die Hauptverkaufsargumente – allen voran die Reichweite, aber auch die Beschleunigung – von der Batterie ab. Bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, wie Backup oder mobile medizinische Anwendungen (z.B. Defibrillatoren), ist es essenziell zu wissen, ob die Batterie bei Bedarf die benötigte Energie liefert.

 

Alterungszustand der Batterie bestimmen

Entscheidend hierfür ist neben dem aktuellen Ladezustand (State of Charge, SoC) in erster Linie das Alter der Batterie. Aufgrund komplexer chemischer Reaktionen im Inneren der Batterie nimmt die nutzbare Kapazität mit der Zeit ab, ihr Gesundheitszustand (State of Health, SoH) sinkt. Der SoH gibt das Verhältnis der aktuell maximal nutzbaren Kapazität zur Nennkapazität an, d.h. eine 100Ah Batterie mit einem SoH von 80% hat eine Restkapazität von 80Ah. Wie schnell eine Batterie bzw. die einzelnen Zellen eines Batteriepacks altern, kann nur sehr schwer bestimmt oder vorhergesagt werden. Zum einen lässt sich die Kapazität nicht unmittelbar messen, zum anderen wird der Alterungsprozess durch eine Vielzahl an Faktoren beeinflusst, z.B. durch die individuelle Beschaffenheit der Batterie, das Ladeverhalten und die Temperatur.

 

Die Bestimmung des SoH ist jedoch entscheidend, um das Lebensende der Batterie vorherzusagen. Dieses liegt je nach Anwendung bei einem SoH von 70% bis 80%. Häufig geht die Batterie dann vom „first life“ in ihr „second life“ über, d.h. sie kommt in einer Anwendung zum Einsatz, die eine geringere Kapazität erfordert. So dienen beispielsweise Batterien von Elektroautos in ihrem second life als stationäre Energiespeicher für Photovoltaikanlagen. Die verbleibende Nutzungszeit in der jeweiligen Anwendung wird als Remaining Useful Life (RUL) bezeichnet.

 

Aufwändige Verfahren liefern unzuverlässige Prognosen

Da eine einfache Messung der Restkapazität zur Bestimmung des SoH und RUL nicht möglich ist, kommen derzeit relativ aufwändige und teils ungenaue Verfahren zum Einsatz: Bevor die Batterie verbaut wird, werden im Labor umfangreiche Daten erhoben, um den jeweiligen Batterietyp charakterisieren. Mit Hilfe algorithmischer Berechnungen wird daraus eine Look-up-table oder ein Modell abgeleitet, das die Batterie in definierten Arbeitspunkten und Anwendungen beschreibt. Diese Daten werden im Batteriemanagementsystem hinterlegt und das Lebensende wird lediglich durch Vergleich mit den gespeicherten Daten prognostiziert. Der tatsächliche Zustand der Batterie im Betrieb wird gar nicht mehr gemessen. Damit bleibt die Datengrundlage für das Batteriemanagementsystem sehr unpräzise.

Häufig kommt ein Coulomb-Zähler zum Einsatz, der die eingespeiste Ladung misst und die entnommene Ladung davon abzieht, um auf die Kapazität zu schließen. Diese Daten werden mit dem Modell abgeglichen, um daraus Rückschlüsse auf den SoH und das RUL zu ziehen. Doch auch diese Methode liefert nur relativ ungenaue Werte, d.h. das festgelegt Lebensende kann hier ebenfalls deutlich vom tatsächlichen abweichen. 

Die Folge: Um die garantierte Lebensdauer sicher zu stellen, müssen Hersteller als Sicherheitspuffer mehr Batteriezellen in das Gerät bzw. Fahrzeug einbauen als nötig. Alternativ müssen sie die Werte, die vom Zustand der Batterie abhängen, niedriger angeben, z.B. bei einem Elektrofahrzeug die Reichweite und die Garantiezeit für die Batterie. In beiden Fällen bedeutet das: Die Kapazität der Batterie wird nicht vollständig genutzt.

 

Batterien komplett nutzen

Um die Ausnutzung der Batterie signifikant zu steigern, hat die Professur Mess- und Sensortechnik der TU Chemnitz ein Verfahren entwickelt, mit dem eine präzise Batteriediagnose während des Betriebs innerhalb weniger Minuten durchgeführt werden kann. Damit liefert es online verlässliche Aussagen zum SoH und RUL der Batterie. RUTRONIK unterstützt die Forschungsarbeiten im Rahmen von Partnerschaften mit Master- und Bachelor-Arbeiten und der Bereitstellung von elektronischen Bauteilen und Entwicklungswerkzeugen. Als offizieller Distributionspartner und Lieferant von Li-Ionen Batterien des Herstellers Samsung SDI ist RUTRONIK eng mit dem Batteriehersteller verknüpft und somit ein idealer Forschungspartner im gegenseitigen Know-How-Transfer rund um die Batteriezellen und Batteriemanagementsystemen.

 

Präzise Werte mit Impedanzspektroskopie

Die Professur für Mess- und Sensortechnik entwickelt Messsysteme basierend auf der Impedanzspektroskopie. Damit lassen sich die batterieinternen Prozesse, wie Ladungstransfer, Elektrodendegradation oder Diffusion messen und bewerten. Hierfür wird die Batterie mit variierendem Wechselstrom angeregt. Die dadurch resultierende Batteriespannung lässt sich mit dem anregenden Strom zur Impedanz verrechnen und daraus Rückschlüsse auf den Zustand der Batterie ziehen.

Da die Impedanz bei aktuellen Li-Ionen-zellen kleiner als 1mOhm sein kann, muss sowohl das Messverfahren als auch die eingesetzte Hardware besondere Anforderungen erfüllen. Wegen der extrem niedrigen Impedanzwerte, aber auch aufgrund niedriger Frequenzen und einem weiteren Frequenzbereich, sind kostenintensive, präzise Messgeräte notwendig, zudem leistungsfähige Geräte mit großem Speicher, um präzise, dynamische Signale erzeugen zu können. Deshalb kommt das Verfahren bislang ausschließlich im Labor zum Einsatz, wo der Prozess in der Regel von einem Ingenieur überwacht wird.

 

Vom Labor zum eingebetteten Messsystem

Um die Impedanzspektroskopie auch für mobile Systeme nutzbar zu machen, haben die Wissenschaftler der TU Chemnitz die Methodik zur Erzeugung des notwendigen Signals so optimiert, dass ein Chip mit begrenztem Speicher und relativ geringer Rechenleistung das Verfahren ohne zusätzliche Signalgeneratoren abbilden kann. Als Stromquelle nutzen sie die Batterie selbst oder die Energie aus einem anderen Stack und reduzieren damit den notwendigen Hardwareaufwand enorm. Um die Messzeit zu reduzieren, mussten wegen des großen Frequenzbereichs multispektrale Methoden eingesetzt werden. Durch neuartige Algorithmen können sämtliche Berechnungen simultan zur Messung erfolgen. So konnte der Speicher des Controllers zur Zwischenspeicherung der Messdaten auf unter 500kByte reduziert werden. Zudem konnte die Messdauer auf rund fünf Minuten reduziert werden. Dies ermöglicht die Wiederholung der Messungen während des Betriebs in definierten Zyklen, z.B. in bestimmten Betriebszuständen. Mit diesen Merkmalen trägt die Methodik auch den Anforderungen der Entwicklung für Steuergeräte im Automotive-Bereich Rechnung.

Mit der an der Professur für Mess- und Sensortechnik entwickelten Prototypenhardware können vier Batteriezellen gleichzeitig diagnostiziert werden, die Hardware lässt sich jedoch prinzipiell beliebig auf größere Systeme skalieren.

Außerdem erfüllt die Lösung weitere Anforderungen der Zielanwendungen: Sie ist nicht nur klein, sondern auch robust und kostengünstig mit  einem embedded Microcontroller umsetzbar.

Mit den so erzielten Messergebnissen können Batterien bis zu ihrem tatsächlichen Lebensende vollständig genutzt werden. Damit ergibt sich für die Hersteller die Chance, die Reichweite ihres Elektroautos zu erhöhen, die Garantie für ihre Batterien zu verlängern oder auch die Batteriesysteme kleiner und damit preiswerter auszulegen – je nach Geschäftsmodell.    

 

Warum altert eine Batterie?

Der Gesundheitszustand (SoH) einer Batterie nimmt während ihrer Lebensdauer kontinuierlich ab. Dieses geschieht durch:

  • Die kalendarische Alterung: Die Batterie altert ohne Nutzung, lediglich aufgrund der Zeit. Dieser Vorgang wird vor allem durch die Umgebungstemperatur beeinflusst.

  • Die zyklische Alterung: Sie ist abhängig von der Art der Nutzung, vor allem von den Betriebszyklen, dem (Ent-)Ladehub, der Ladeschlussspannung und der Stärke der Lade- und Entladeströme. Die mögliche Zyklenzahl wird von der Art und Qualität des Akkus sowie der Temperatur beeinflusst.

Autoren:

Dipl.-Ing.(FH) Andreas Mangler, Director Strategic Marketing & Communications, Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH

Prof. Dr.-Ing. Olfa Kanoun, Lehrstuhlinhaberin, Professur  Mess- und Sensortechnik, Technische Universität Chemnitz

Dipl.-Ing. Thomas Günther, wissenschaftlicher. Mitarbeiter,  Professur  Mess- und Sensortechnik, Technische Universität Chemnitz

Demonstrator
Abb.1: Demonstratoraufbau mit modularem System Stromanregung, analoge Signalaufbereitung und ATM32F4 Evaluation Board (Foto Embedded World 2017)