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Sensorsysteme Ladezustand der Batterie kostengünstig und energiesparend messen

| Redakteur: Rebecca Vogt

Am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC) entwickeln Forscher Sensorsysteme, mit denen man den Ladezustand von Batterien kostengünstiger und zuverlässiger messen können soll als mit bisherigen Methoden und zudem Energie spart. Der Ladezustand wird mit Hilfe von Ultraschallpulsen festgestellt. Mögliche Einsatzbereiche sind Elektromobilität und Drohnentechnik.

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

Batterien sind in unserem Alltag unverzichtbar. Sie kommen zum Beispiel in Elektrofahrzeugen oder anderen mobilen Geräten, die elektrische Energie benötigen, zum Einsatz. Will der Nutzer anhand des Ladezustands der Batterie zum Beispiel Reichweite und Nutzungsdauer einschätzen, benötigt man aktuell aufwendige Batteriemanagementsysteme (BMS). Diese verbrauchen aber selbst einen Teil der zur Verfügung stehenden Energie.

Stationäre Energiespeicher, Elektroautos und andere Geräte werden permanent durch Batteriemanagementsysteme überwacht. Anhand der Kenngrößen Strom (Coulomb-Counting) und Spannung ermitteln diese den Ladezustand für jede Zelle. Die Berechnungen des BMS beruhen auf Standardwerten und sind somit fehleranfällig. Insbesondere bei häufiger Teilladung und bestimmten Batteriezelltypen ist keine präzise Messung des Ladezustands möglich.

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In bestehende Systeme integrierbar

Am ISC arbeiten Wissenschaftler an einer alternativen Messmethode. Im Projekt So-CUS werden kostengünstige Sensorsysteme entwickelt, die – so das Institut – direkt in die Batterie integriert werden und den Ladezustand zuverlässiger messen können als marktübliche Systeme. Der neuartige Ansatz erlaubt es, den Ladezustand mit Hilfe von Ultraschallpulsen zu messen. Die Dichte der negativen Anode – die sich mit dem Ladezustand der Zelle ändert – wird hierbei direkt gemessen und ausgewertet.

Daraus ergeben sich laut ISC mehrere Vorteile: Da ein direkter linearer Zusammenhang zwischen Ladezustand und Messsignal bestehe, sei die Auswertung einfacher und genauer als bekannte Techniken und könne sehr gut in bestehende Systeme integriert werden. Eine Auswerteeinheit sei in der Lage, mehrere Batteriezellen gleichzeitig zu überwachen, und messe den Ladezustand nur beim Laden und Entladen, wodurch eine permanente Kontrolle entfalle. So würden zusätzlich Energie und damit Kosten gespart.

Da das Ultraschallsignal direkt mit den mechanischen Eigenschaften der Zelle korreliere, könnten außerdem Alterungsprozesse besser berücksichtigt werden. So seien genauere Aussagen über die vorhandene Restkapazität und damit über die Leistungsfähigkeit möglich.

Einsatz in Elektrofahrzeugen und Drohnen

Das neue Messverfahren eignet sich Fraunhofer zufolge für nahezu alle Batterietypen. Bislang wurde es jedoch vor allem für Lithium-Ionen-Batterien getestet. Da nach wie vor die Reichweite von Elektrofahrzeugen der Schlüsselfaktor für den weiteren Ausbau der Elektromobilität ist, wäre hier eine zuverlässige Erfassung des Batterieladezustands ein entscheidender Pluspunkt, heißt es.

Auch in der vergleichsweise neuen Drohnentechnik, die zur Inspektion von Industrieanlagen, Windparks oder zur Bestellung von Agrarflächen eingesetzt wird, ist eine verlässliche Überwachung des Ladezustands wichtig, um die Laufzeit der Batterie für Hin- und Rückflug bei großen Entfernungen genau einschätzen zu können.

Profitabel auch bei stationären Speichern

Besonders profitabel könnte das alternative Verfahren dem ISC nach für stationäre Speicher sein, da hier sehr viele Batteriezellen in einem System zusammengeschlossen werden. Ein Sensor, der nur bei Bedarf arbeite und den Ladezustand mehrerer Zellen zeitgleich erfasse, könne sowohl Energieverbrauch als auch Kosten reduzieren. In einer solchen Anwendung werden häufig schwer brennbare Batterietypen eingesetzt, bei denen sich der Ladezustand mit bisherigen Methoden nur unzureichend bestimmen lässt. Per Ultraschall könne dieser jedoch präzise bestimmt werden.

Das neue Verfahren biete insgesamt eine zuverlässige, energiesparende und kostengünstige Erweiterung bestehender Messmethoden der Batteriemanagementsysteme. Speziell für die weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien im Sektor der Elektromobilität eröffnet es nach Ansicht des Fraunhofer-Instituts viele Vorteile.

Dieser Beitrag erschien zuerst auf unserem Partnerportal Maschinenmarkt.de.

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