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Fraunhofer IPA Intelligente Zelle für modulares Batteriemanagementsystem patentiert

| Redakteur: Sariana Kunze

Mit der am Fraunhofer IPA entwickelten und bereits patentierten "Intelligenten Zelle" könnte der Kostenfaktor Energiespeicher für Elektroautos in Zukunft weniger dramatisch ausfallen. Denn in jede einzelne Zelle ist eine Schaltung integriert, die auch den aktuellen Ladezustand erfasst. Bei Bedarf lassen sich alte oder defekte Elemente individuell und schnell auswechseln. Vorteile des Gesamtsystems: geringere Kosten, höhere Reichweite und längere Lebensdauer.

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Aufgebauter Demonstrator der Intelligenten Zelle.
Aufgebauter Demonstrator der Intelligenten Zelle.
(Fraunhofer IPA)

Typische Energiespeicher bestehen aus fest miteinander verbundenen Einzelzellen, die etwa 40 Prozent der Anschaffungskosten eines Elektroautos ausmachen. Fällt eine Zelle aus, muss meist das komplette Batteriesystem ausgetauscht werden. Ein solcher Wechsel ist teuer und zeitaufwendig. Um den Batteriewechsel im Wartungsfall bei Elektroautos zu vereinfachen, kosteneffizient zu gestalten und Werkstattaufenthalte zu verkürzen, haben Wissenschaftler am Fraunhofer IPA das Konzept einer intelligenten Zelle für ein modulares Batteriemanagementsystem (BMS) entwickelt und 2013 patentieren lassen. Das BMS aus standardisierten Hardwarekomponenten kommt ohne zentrales übergeordnetes System aus. "Die Intelligenten Zellen bestehen aus einem Energiespeicher und einer elektronischen Schaltung, die fest in das Zellengehäuse integriert ist. Sie bilden selbst ein verteiltes BMS, haben ein Gedächtnis, können eine Selbstdiagnose durchführen und z. B. ihre Ladehistorie kommunizieren", erläutert Kai Pfeiffer, Gruppenleiter am Fraunhofer IPA.

Dezentrales Batteriemanagementsystem macht vieles einfacher

Ein lese- und schreibfähiger Datenspeicher in jeder Batteriezelle informiert über den Ladezustand und sichert den Verlauf bisheriger Lade- und Entladezyklen. Damit sorgt das dezentral skalierbare BMS dafür, dass alte oder defekte Batteriezellen rechtzeitig aus dem Gesamtsystem entfernt werden können. "Entscheidender Vorteil der dezentralisierten, also zellenbasierten Datenspeicherung ist, dass sich die standardisierten Batteriezellen einzeln austauschen lassen. Somit bleiben wertbestimmende und herstellerabhängige Komponenten, wie etwa das crashsichere Gehäuse oder Elektronikkomponenten, erhalten", erläutert Jonathan Brix, Gruppenleiter am Fraunhofer IPA. "Durch die optimierte Auslastung jeder Batteriezelle lassen sich die Lebensdauer der Gesamtbatterie verlängern und die Kosten erheblich senken", so Brix.

Intelligenz erhält jede Batteriezelle in Form einer Halbleiterplatine, die über Sensoren, Mess- und Schaltelemente verfügt und dezentral mit den übergestellten Rechnermodulen des Fahrzeugs über Powerline (PLC) kommuniziert. "Die Schaltelemente sind mittels Leistungselektronik realisiert, sodass defekte Batteriezellen überbrückt und sicher aus dem Gesamtsystem entfernt werden können. Mit der PLC können wir vor allem den Verkabelungsaufwand und die Systemkomplexität minimieren", sagt Mihai Drăgan, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IPA. Anwendbar ist das dezentrale BMS nicht nur im Bereich Elektromobilität. "Das vom Fraunhofer IPA patentierte System ist problemlos auf beliebige Energiespeicher, wie etwa stationäre Energiespeicher oder Solaranlagen, übertragbar", resümiert Drăgan.

Die Entwicklungsplattform ist momentan diskret realisiert, für industrielle Anwendungen wird die intelligente Zelle in Form einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) umgesetzt und kann somit in hohen Stückzahlen kostengünstig produziert werden.

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