Für Elektrofahrzeuge und andere mobile Geräte, die elektrische Energie benötigen, sind Batterien unverzichtbar. Damit der Nutzer anhand des Ladezustands der Batterie zum Beispiel Reichweite und Nutzungsdauer einschätzen kann, werden derzeit aufwendige Batteriemanagementsysteme (BMS) benötigt, die selbst einen Teil der Energie verbrauchen. Das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC entwickelt im Projekt SoCUS kostengünstige Sensorsysteme, die direkt in die Batterie integriert werden und den Ladezustand zuverlässiger messen können als marktübliche Systeme.

Stationäre Energiespeicher, Elektroautos oder andere Geräte werden permanent durch Batteriemanagementsysteme überwacht. Diese ermitteln anhand der Kenngrößen Strom (Coulomb-Counting) und Spannung den Ladezustand für jede Zelle. Da die Berechnungen des BMS auf Standardwerten beruhen, sind sie fehleranfällig. Insbesondere bei häufiger Teilladung und bestimmten Batteriezelltypen ist keine präzise Messung des Ladezustandes möglich.

Der vom Fraunhofer ISC entwickelte, neuartige Ansatz erlaubt es, den Ladezustand mit Hilfe von Ultraschallpulsen zu messen. Hierbei wird die Dichte der negativen Anode – die sich mit dem Ladezustand der Zelle ändert – direkt gemessen und ausgewertet.

Diese Methode bietet mehrere Vorteile: Da ein direkter linearer Zusammenhang zwischen Ladezustand und Messsignal besteht, ist die Auswertung einfacher und genauer als bekannte Technologien und kann sehr gut in bestehende Systeme integriert werden. Eine Auswerteeinheit kann mehrere Batteriezellen gleichzeitig überwachen und misst den Ladezustand nur beim Laden und Entladen, eine permanente Kontrolle entfällt. Dies spart zusätzlich Energie und damit Kosten. Da das Ultraschallsignal direkt mit den mechanischen Eigenschaften der Zelle korreliert, werden außerdem Alterungsprozesse besser berücksichtigt. So können genauere Aussagen über die vorhandene Restkapazität und damit die Leistungsfähigkeit getroffen werden.

Das neue Messverfahren eignet sich für nahezu alle Batterietypen, ist bislang jedoch vor allem für Lithium-Ionen-Batterien getestet worden. 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.

Auch in der vergleichsweise neuen Drohnentechnologie, 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.

Besonders profitabel könnte das alternative Verfahren des Fraunhofer ISC für stationäre Speicher sein, da hier sehr viele Batteriezellen in einem System zusammengeschlossen werden. Ein Sensor, der nur bei Bedarf arbeitet und den Ladezustand mehrerer Zellen zeitgleich erfasst, kann sowohl Energie als auch Kosten reduzieren. In dieser Anwendung werden häufig schwer brennbare Batterietypen eingesetzt, bei denen der Ladezustand mit bisherigen Methoden nur unzureichend zu ermitteln ist, per Ultraschall jedoch präzise bestimmt werden kann.

Das neue Verfahren bietet somit eine zuverlässige, energiesparende und kostengünstige Erweiterung bestehender Messmethoden der Batteriemanagementsysteme und eröffnet speziell für die weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien im Sektor der Elektromobilität viele Vorteile.

Mehr Informationen

• Webseite Fraunhofer F&E-Zentrum Elektromobilität Bayern: www.fzeb.fraunhofer.de
• Wissenschaftliche Veröffentlichung im Journal of Power Sources, Volume 343, 1 March 2017: Probing lithium-ion batteries' state-of-charge using ultrasonic Transmission