Neue Messmethoden verlängern Lebensdauer von Batteriezellen

Die Alterung von Batteriezellen lässt sich unter realen Bedingungen nicht leicht bestimmen. Neben der kalendarischen Alterung, im Wesentlichen bestimmt durch Lagerungstemperaturen und -ladezustand, ist vor allem die Historie aller Lade- und Entladevorgänge mit den dabei aufgetretenen Strombelastungen und Temperaturen maßgeblich. Eine genaue Aussage über den Alterungszustand der Zellen im Betrieb bildet aber die Grundlage für ein besseres Verständnis der Alterungsmechanismen einer Batterie und eine Verlängerung der Lebensdauer.

Deshalb hat das Fraunhofer IFAM in Bremen die Bestimmung des Wechselstromwiderstands innerhalb der Batterie mithilfe dynamischer Impedanzspektroskopie weiterentwickelt. So sind genaue Messungen während des Betriebs und ohne Laboraufwand möglich, die Aussagen zur Leistungsfähigkeit in Echtzeit ermöglichen.

Bisher ist die genaue Bestimmung des Alterungszustands mit erheblichem Aufwand verbunden. Dabei basieren bestehende Ansätze entweder auf Simulationen, die eine vereinfachte Beschreibung des Batteriesystems und des Zersetzungsprozesses darstellen, oder auf experimenteller Extrapolation der Zyklenlebensdauer der Batteriezellen. Letztere ermittelt den empirischen Zusammenhang zwischen der gemessenen Impedanz einer Zelle und der Kapazität der Batterie.

Für die simulative Modellierung müssen alle notwendigen Detailprozesse für jeden Zelltyp bekannt sein, auch wenn diese noch gar nicht bekannt oder unverstanden sind. Außerdem muss zur Übertragung auf eine neue Zellchemie der gesamte Beschreibungsprozess erneut durchgeführt werden. Dies ist auch bei der Extrapolation aus Messungen der Fall, da hier für jeden Zelltyp und alle Umgebungsbedingungen (Temperatur, Lastprofil etc.) der komplette Messaufwand durchzuführen ist. Dabei ist etwa eine ortsaufgelöste Beschreibung der Temperaturverteilung innerhalb einer Zelle noch nicht einmal berücksichtigt.

Batteriesystem erhält Gedächtnis über alle Vorgänge

Der am Fraunhofer IFAM entwickelte Ansatz besteht darin, die Lebensdauer von Batteriezellen anhand eines Modells zu beschreiben, das auf einem begrenzten Kenntnisstand zur Zellchemie beruht. Hierfür kamen mathematische Modelle für nichtlineares Verhalten mit Memory-Effekten (sog. Volterra-Reihen) zur Beschreibung der Zelleigenschaften zum Einsatz. Dieser Ansatz bietet den Vorteil, dass die Ausgabe des Systems von der Eingabe in das System zu allen Zeiten abhängt, das System also ein Gedächtnis über alle vorherigen Vorgänge erhält, was zur Beschreibung des Alterungsprozesses unerlässlich ist.

Der entscheidende Schritt ist dann die Messung der dynamischen Impedanz der Batteriezellen während des Einsatzes, d. h. während des Ladens beziehungsweise Entladens der Zelle. Es ist dabei möglich, die mathematischen Parameter zur Beschreibung des Verhaltens der Zellen direkt zu messen. Mithilfe dieser mathematischen Darstellung lassen sich dann auch nicht gemessene Zustände berücksichtigen, was die Übertragbarkeit auf andere Umgebungsbedingungen und Zellchemien ermöglicht, also die Berücksichtigung komplett neuer Batterietypen.

Anwendung in Batteriemanagementsystemen

Die neue Methode bietet nicht nur die Möglichkeit, die Ergebnisse mit wenig Aufwand auf verschiedene Zelltypen (z. B. Festkörperbatterien) zu übertragen, sondern auch die Messungen direkt während der Nutzung einer Batterie durchzuführen, etwa im Elektroauto.

Durch Implementierung in das Batteriemanagementsystem lassen sich daher zu jeder Zeit während der Nutzung des Systems alle notwendigen Daten zur Lebensdauerprognose gewinnen. Darüber hinaus lassen sich aufgrund dieser Daten optimierte Ladestrategien entwickeln, um die Gesamtlebensdauer des Batteriesystems zu verlängern. Das sorgt für weniger Lebensdauerkosten und mehr Nachhaltigkeit des Batteriesystems in der Anwendung.