6. April 2023
Um den Zustand von Batteriezellen präziser und ohne Laboraufwand bestimmen zu können, wurde am Fraunhofer IFAM in Bremen die Bestimmung des Wechselstromwiderstands innerhalb der Batterie mittels dynamischer Impedanzspektroskopie weiterentwickelt. So sind Messungen während des Betriebs möglich, durch die Aussagen zur Leistungsfähigkeit in Echtzeit getroffen werden können.
Für die Alterung von Batteriezellen sind viele Faktoren entscheidend. Neben der kalendarischen Alterung, die hauptsächlich durch Lagerungstemperaturen und den Ladezustand während der Lagerung bestimmt wird, ist vor allem die Historie aller Lade- und Entladevorgänge mit den dabei jeweils aufgetretenen Strombelastungen und Temperaturen massgeblich. Es sind also viele variierende Einflussfaktoren über grosse Zeiträume, weshalb die präzise Bestimmung des Alterungszustands komplex und bisher mit erheblichem Aufwand verbunden ist. Dabei basieren bestehende Ansätze entweder auf Simulationen, die eine vereinfachte Beschreibung des Batteriesystems und des Zersetzungsprozesses darstellen, oder auf experimenteller Extrapolation der Zyklenlebensdauer der Batteriezellen. Hierbei wird der empirische Zusammenhang zwischen der gemessenen Impedanz einer Zelle und der Kapazität der Batterie ermittelt.
Für die simulative Modellierung muss man die Detailprozesse für jeden Zelltyp kennen. Ausserdem muss zur Übertragung auf eine neue Zellchemie der gesamte Beschreibungsprozess erneut durchgeführt werden, was aufwendig ist. Dies ist auch bei der Extrapolation aus Messungen der Fall, da hier für jeden zu beschreibenden Zelltyp und alle existierenden Umgebungsbedingungen (Temperatur, Lastprofil etc.) der komplette Messaufwand durchgeführt werden muss.
Mit dem neuen Entwicklungsansatz zur Lebensdauerbestimmung erhält das Batteriesystem ein Gedächtnis über alle Vorgänge. Beim neuen Ansatz wird die Lebensdauer von Batteriezellen anhand eines Modells beschrieben, das auf einem begrenzten Kenntnisstand zur Zellchemie beruht. Hierfür werden mathematische Modelle für nichtlineares Verhalten mit «Memory-Effekten» (sog. Volterra-Reihen) zur Beschreibung der Zelleigenschaften verwendet. Dieser Ansatz bietet den Vorteil, dass die Ausgabe des Systems von der Eingabe in das System zu allen Zeiten abhängt, das System also ein Gedächtnis über alle vorherigen Vorgänge erhält, was zur Beschreibung des Alterungsprozesses unerlässlich ist.
Der entscheidende Schritt ist dann die Messung der dynamischen Impedanz der Batteriezellen während des Einsatzes, d. h. während des Ladens bzw. Entladens der Zelle. Es ist dabei möglich, die mathematischen Parameter zur Beschreibung des Verhaltens der Zellen direkt zu messen. Mithilfe dieser mathematischen Darstellung können dann auch nicht gemessene Zustände berücksichtigt werden, wodurch die Übertragbarkeit auf andere Umgebungsbedingungen und Zellchemien, also die Berücksichtigung neuer Batterietypen, ermöglicht wird.
Die neue Methode bietet nicht nur die Möglichkeit, die Ergebnisse mit geringem Aufwand auf ganz verschiedene Zelltypen (z. B. Festkörperbatterien) zu übertragen, sondern vor allem den Vorteil, dass die Messungen direkt während der Nutzung einer Batterie z. B. im Elektroauto durchgeführt werden können. Zusätzlicher Laboraufwand oder eine Einschränkung der Nutzung zur Altersbestimmung ist nicht nötig.
Durch Implementierung in das Batteriemanagementsystem lassen sich daher während der Nutzung des Systems alle notwendigen Daten zur Lebensdauerprognose gewinnen. Zudem können aufgrund dieser Daten optimierte Ladestrategien entwickelt werden, um damit die Gesamtlebensdauer des Batteriesystems zu erhöhen. Damit werden Lebensdauerkosten gesenkt und die Nachhaltigkeit beim Einsatz eines Batteriesystems in der Anwendung gesteigert.
Mehr Informationen unter:
https://www.ifam.fraunhofer.de/de/Presse/nachhaltigkeit-mit-neuen-messmethoden-zur-hoeheren-lebensdauer-von-batteriezellen.html