State of Health: Batterie-Check in Sekunden

E-Mobility basiert bei reinen Elektrofahrzeugen immer auf leistungsfähigen Batterien. Diese machen häufig den größten Unterschied zwischen den Fahrzeugen aus und sind meist das limitierende Element für die Reichweite und Leistung. Nicht nur aus diesem Grund stehen diese Bauteile im Fokus der Entwicklung. Da jede Batterie sich aus einer Vielzahl elektrochemischer Zellen zusammensetzt und diese immer verschiedenen Alterungsprozessen unterworfen sind, gibt es immer mehrere Messmöglichkeiten, um den Zustand einer Batterie zu beurteilen. Dabei ist das Betrachten der einzelnen Zellen extrem wichtig, wie die folgende Beispielrechnung zeigt. Ein Batteriepack der 1. Generation des Nissan Leafs besteht aus 48 Batteriemodulen, welche wiederum aus je 4 Zellen bestehen. Insgesamt sind in dem Batteriepack also 192 Batteriezellen untergebracht. Die 48 Batteriemodule sind in Reihe geschaltet, wobei in den Modulen jeweils 2 Zellen in Reihe geschaltet und 2 Zellen parallelgeschaltet sind.

Im ID.3 verbaut VW in einem Konfigurationsbeispiel 12 Batteriemodule, welche jeweils aus 24 Zellen bestehen. Dies entspricht sogar 288 Batteriezellen. Laut einer Presseinformation will VW am Standort Braunschweig bis zu 500.000 Batteriesysteme bauen. Multipliziert man dies mit der Anzahl der verbauten Zellen je Fahrzeug, wird schnell klar, wie wichtig eine schnelle und genaue Aussage über den Ladezustand (State of Charge; SoC) und vor allem über den aktuellen Gesundheitszustand (State of Health; SoH) aller Zellen ist.

Batteriezellen in elektrischen Fahrzeugen sind einem hohen Stresspotenzial ausgesetzt. Hohe und tiefe Temperaturen treten sowohl im Ruhezustand als auch im Betrieb auf, zusätzlich kommen dazu je nach Leistungsbeanspruchung des Fahrzeugs noch verschiedene Belastungsszenarien. Durch diese Belastungen altern die Batterie-Zellen und sind für einen Einsatz ab einem gewissen Zeitpunkt im Fahrzeug nicht mehr geeignet. Dieser Zeitpunkt tritt ab einem definierten Punkt in der Alterung ein, wenn keine ausreichenden Leistungsreserven mehr verfügbar sind. Ein „zweites Leben“ der Zellen (Second Life) in stationären Anwendungen ist dann eine gute und ressourcenschonende Lösung im Sinne hoher Nachhaltigkeit und Kosten.

Second Life und Re-Use zur Zellen-Verwertung

State of Charge (SoC, Ladezustand) beschreibt den aktuellen Ladezustand einer Batterie-Zelle. Dieser SoC-Wert kennzeichnet die noch verfügbare elektrische Ladung einer Batterie im Verhältnis zum Nominalwert der Kapazität und wird in Prozent vom vollgeladenen Zustand angegeben. 30 % bedeuten somit, dass der Akku noch eine Restladung von 30 % bezogen auf die Vollladung von 100 % hat. Wichtig ist hierbei, dass der SoC-Wert sich nach der Definition auf den Nominalwert der Kapazität bezieht, also den Wert der neuwertigen Batterie.

State of Health (SoH, Gesundheitszustand) gibt die vorhandene Rest-Kapazität einer Batterie-Zelle bezogen auf Ihre ursprüngliche Nominalkapazität wieder. 100 % bedeutet, dass eine Batterie bis zu ihrer Nominalkapazität aufladbar ist und diese Energie in voller Höhe auch wieder abgeben kann.

SoH-Abnahme über der Anzahl der Lade-Entlade-Zyklen einer Batteriezelle. Ametek

Es gibt verschiedene Herangehensweisen, um den SoH einer Batterie zu bestimmen. Das Spektrum der Methoden hierfür ist breit. Meist ziehen Entwicklerteams die gemessene Kapazität über einen vollen Lade- und Entladezyklus heran. Oftmals ziehen sie jedoch auch einfache Annäherungen über die Erfassung der Anzahl der Lade-Entlade-Zyklen, die Gesamtstromaufnahme, das zeitliche Alter oder auch die Temperaturänderung bei einer definierten Entladung zur Ermittlung heran. Aufgrund der großen Menge an Batteriezellen, die in der Elektromobilität anfällt, bietet es sich an, diese nach der Nutzung im Fahrzeug in anderen, weniger anspruchsvollen Anwendungen zu verwenden. So lässt sich die noch verbleibende Kapazität sinnvoll nutzen.

In der internationalen Automobilindustrie gibt es bereits Ansätze und Kooperationsprojekte, um diese gebrauchten Batterien zu zerlegen und die Batteriezellen in neuer Konfiguration als stationäre Batterien für die Speicherung von ökologisch erzeugtem Strom zu nutzen. Allerdings ist es zeitlich sehr aufwendig, den SoH der Zellen für die Zweitanwendung zu bestimmen. Wenn Batterien mit Strömen von 1 – 2 C geladen und wieder entladen werden, um die noch verbliebene Kapazität zu messen, dauert dies schon aufgrund der Definition mehr als 2 – 3 Stunden. Hochgerechnet auf die Anzahl der anfallenden Zellen, zeigt sich, dass hier ein hoher Bedarf an Zeit- und Mess-Hardware und somit extrem hohe Kosten entstehen. Eine bei der englischen Warwick Manufacturing Group (WMG; University of Warwick) erstellte Studie zeigt ein enormes Zeit- und Kosteneinsparpotenzial bei der SoH-Bestimmung durch die Anwendung der Elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS).

Die Bedeutung der SoH-Bestimmung für Batterien

Die präzise Bestimmung des Gesundheitszustands (State of Health, SoH) von Batterien ist essenziell für deren effiziente Nutzung in Elektrofahrzeugen und für eine nachhaltige Weiternutzung in Second-Life-Anwendungen. Während traditionelle Methoden zur SoH-Bestimmung oft zeitintensiv und ungenau sind, bietet die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) eine vielversprechende Alternative. Der Solartron Battery Analyzer von Ametek ist eine speziell entwickelte Lösung, die diesen Prozess erheblich beschleunigt. Doch wie schneidet diese Methode im Vergleich zu anderen SoH-Messverfahren ab? Welche konkreten Second-Life-Anwendungen profitieren von einer genauen SoH-Bestimmung? Und welche Herausforderungen sind bei der Implementierung von EIS in industriellen Prozessen zu beachten?

Vergleich verschiedener SoH-Messmethoden

• Spannungsmessung und Kapazitätsbestimmung

Traditionelle Methoden zur SoH-Bewertung basieren häufig auf der Spannungsmessung und der Kapazitätsbestimmung. Dabei wird der Lade- und Entladeprozess einer Batterie analysiert, um Rückschlüsse auf ihre verbleibende Kapazität zu ziehen. Diese Verfahren sind einfach zu implementieren und kostengünstig, benötigen jedoch oft viele Stunden oder sogar Tage, um verlässliche Ergebnisse zu liefern. Zudem sind sie wenig präzise, da sie Umweltfaktoren oder die Nutzungshistorie der Batterie nicht berücksichtigen.

• Innenwiderstandsmessung (DC-IR und AC-IR)

Eine weitere häufig genutzte Methode ist die Messung des Innenwiderstands der Batterie, entweder mit Gleichstrom (DC-IR) oder Wechselstrom (AC-IR). Diese Verfahren sind schneller als die Kapazitätsbestimmung und liefern Hinweise auf den Alterungsprozess der Zelle. Allerdings haben sie den Nachteil, dass sie nur begrenzte Aussagen über chemische Veränderungen in der Batterie ermöglichen und stark von der Batterietemperatur sowie dem Ladezustand beeinflusst werden.

• Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) – die neue Benchmark?

Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) bietet im Vergleich eine wesentlich höhere Genauigkeit. Hierbei wird eine Wechselspannung mit variierenden Frequenzen an die Batterie angelegt, um Rückschlüsse auf elektrochemische Prozesse und Alterungsmechanismen zu ziehen. Dadurch lassen sich nicht nur die Kapazität und der Innenwiderstand, sondern auch tiefere Veränderungen in der Zellchemie erfassen. Diese Methode gilt als besonders vielversprechend für die präzise SoH-Bestimmung, erfordert jedoch eine aufwendigere Implementierung und spezialisierte Messgeräte wie den Solartron Battery Analyzer.

Second-Life-Anwendungen: Wie Batterien nach der Erstnutzung weiter genutzt werden

Da Batterien in Elektrofahrzeugen nach einer gewissen Zeit an Kapazität verlieren, gelten sie oft bereits bei 70 bis 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität als nicht mehr effizient genug für den Fahrzeugeinsatz. Statt sie jedoch zu entsorgen, können sie in sogenannten Second-Life-Anwendungen weiterverwendet werden.

• Stationäre Energiespeicher für erneuerbare Energien

Eine der wichtigsten Anwendungen ist die Nutzung als stationäre Energiespeicher für erneuerbare Energien. Hier können gebrauchte Batterien beispielsweise als Pufferspeicher für Solar- oder Windkraftanlagen eingesetzt werden. Auch in industriellen Anwendungen, etwa zur Stabilisierung von Stromnetzen oder als Notstromspeicher, kommen sie zunehmend zum Einsatz.

• Ladeinfrastrukturen für Elektrofahrzeuge

Ein weiteres wachsendes Einsatzgebiet ist die Nutzung in Ladeinfrastrukturen für Elektrofahrzeuge. Second-Life-Batterien können als Zwischenspeicher für Schnellladestationen dienen, um Lastspitzen im Stromnetz auszugleichen und eine kontinuierliche Energieversorgung sicherzustellen.

• Mobile Energiespeicher für flexible Anwendungen

Darüber hinaus finden Second-Life-Batterien Verwendung in mobilen Energiespeichern, etwa für Baustellen, Events oder abgelegene Gebiete ohne stabile Stromversorgung.

Herausforderungen bei der Implementierung von EIS in der Praxis

Damit gebrauchte Batterien effizient in Second-Life-Anwendungen integriert werden können, müssen sie einer genauen Qualitätsprüfung unterzogen werden. Hierbei stellt sich jedoch die Herausforderung, dass SoH-Messverfahren oft zeitaufwendig oder zu ungenau für eine industrielle Anwendung sind. EIS bietet hier eine vielversprechende Lösung, erfordert jedoch eine angepasste Integration in bestehende Produktions- und Prüfprozesse. Unternehmen müssen dabei sicherstellen, dass die EIS-Messungen zuverlässig, reproduzierbar und wirtschaftlich vertretbar sind. Zudem bedarf es standardisierter Prüfverfahren, um Second-Life-Batterien nach einheitlichen Kriterien zu klassifizieren und weiterzuverwerten.

Ein weiteres Problem ist die Heterogenität gebrauchter Batterien, da diese aus unterschiedlichen Fahrzeuggenerationen, Zellchemien und Nutzungsprofilen stammen. Dies erschwert eine einheitliche Bewertung und Wiederverwendung. Fortschrittliche Testsysteme wie der Solartron Battery Analyzer können jedoch dazu beitragen, diese Hürden zu überwinden, indem sie schnelle und präzise SoH-Bewertungen ermöglichen.

SoH mit EIS überprüfen

Die EIS erstellt ein Impedanzprofil der Zelle über einen definierten Frequenzbereich. Dabei wird die Zelle mit einem Wechselstrom (AC) im Frequenzspektrum beaufschlagt und der ausgegebene Wechselspannungswert mit Betrag und Phasenwinkel gemessen. Aus diesen Daten ergibt sich die Impedanz an jedem Frequenzpunkt. Als weitere Daten erfasst das Messsystem die Leerlaufspannung und die Temperatur der Zelle. Unter Zuhilfenahme eines Modells lässt sich durch die gesammelten Datenpunkte dann der SoH der Zelle bestimmen.

Die Determinierung des SoH findet nach dieser Methode in folgenden Schritten statt:

• Messung der unbelasteten Zell-Spannung und der Zell-Temperatur.
• Aufnahme des Impedanzspektrums mit der EIS-Methode.
• Ermitteln der R- und C-Werte eines Ersatzschaltbildes der entsprechenden Zelle (Fitting Prozess).
• Bestimmung des SoH-Wertes unter Verwendung einer auf den entsprechenden Zelltyp vorab ermittelten Formel.

Mit diesem Prozess lässt sich in weniger als 3 Minuten eine genaue Aussage zum SoH der Batteriezelle treffen. Vergleicht man diese Zeit mit den zuvor erwähnten 2 – 3 Stunden, so zeigt sich eine um den Faktor 60 schnellere Ermittlung des SoH der untersuchten Zellen.

Solartron von Ametek hat für diesen Prozess ein präzises und abgestimmtes Testsystem entwickelt, welches alle nötigen Mess- und Berechnungsmethoden mitbringt. Bei der Entwicklung des Battery Analyzer SI-9300R standen aber noch weitere Faktoren im Mittelpunkt: Es ist modular aufgebaut. Ein Modul umfasst 5 Kanäle, welche sich sowohl zum Zyklisieren einer Batterie als auch zum Messen des Impedanzprofiles nutzen lassen. Alle Kanäle verfügen ausnahmslos über die Messtechnik, das Impedanzprofil unabhängig, jederzeit und voll parallel mit jedem Kanal zu ermitteln. Weiterhin ist eine shuntfreie Strommessung für eine hohe Genauigkeit sowie eine Zurückspeisung ins Stromnetz der Energie beim Entladen der Zellen vorgesehen. Jeder Kanal kann Ströme von bis zu 200 A konstant oder 300 A über 60 s speisen. Darüber hinaus lassen sich bis zu 5 Kanäle für einen Dauerstrom von bis zu 1000 A parallelschalten.

Das Konzept des Solartron Battery Analyzers soll sich in Zukunft auch zur besseren und schnelleren Formierung und Zyklisierung von Lithium-Ionen-Zellen einsetzen lassen, da sich zu jedem Moment nach der Messung eine Aussage treffen lässt, in welchem Zustand des Lifecycle sich die Batterie befindet. Auch hier besteht ein hohes Potenzial bei entsprechender Berücksichtigung, enorm Zeit einzusparen und eine Batterie bei gleichbleibender oder besserer Qualität schneller zu produzieren.