Ladezustand exakter und günstiger messen

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Wie weit reicht’s noch? Neues kostengünstiges System zur Messung der Batterieladung

Damit Batterienutzer den Ladezustands ihrer Batterie und damit zum Beispiel Reichweite und Nutzungsdauer einschätzen können, werden aufwändige Batteriemanagementsysteme (BMS) benötigt, die ihrerseits Energie verbrauchen. Das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg entwickelt einer Mitteilung auf seiner Webseite vom 22.11.2017 zufolge im Projekt SoCUS kostengünstige Sensorsysteme, die direkt in die Batterie integriert werden und den Ladezustand zuverlässiger messen können als marktübliche Systeme.

Drohne der Post – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify

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 – vor allem bei häufiger Teilladung und bestimmten Batteriezelltypen ist keine präzise Messung des Ladezustandes möglich.

Der vom Fraunhofer ISC entwickelte, neuartige Ansatz erlaube es nun, 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 biete mehrere Vorteile: Da ein direkter linearer Zusammenhang zwischen Ladezustand und Messsignal bestehe, sei die Auswertung einfacher und genauer als bekannte Technologien und könne sehr gut in bestehende Systeme integriert werden. Eine Auswerteeinheit könne mehrere Batteriezellen gleichzeitig überwachen und misst den Ladezustand nur beim Laden und Entladen, eine permanente Kontrolle entfällt. Das spare zusätzlich Energie und damit Kosten. Da das Ultraschallsignal direkt mit den mechanischen Eigenschaften der Zelle korreliere, würden außerdem Alterungsprozesse besser berücksichtigt. So könnten 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,“ so die Presseinformation

Auch in der vergleichsweise neuen Drohnentechnologie, die zur Inspektion von Industrieanlagen, Windparks oder zur Bestellung von Agrarflächen eingesetzt werde, sei 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 würden. Ein Sensor, der nur bei Bedarf arbeitet und den Ladezustand mehrerer Zellen zeitgleich erfasse, könne sowohl Energie als auch Kosten reduzieren. In dieser Anwendung würden häufig schwer brennbare Batterietypen eingesetzt, bei denen der Ladezustand mit bisherigen Methoden nur unzureichend zu ermitteln ist, per Ultraschall jedoch präzise bestimmt werden könne.

„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,“ so die Würzburger.

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