Akkutechnologien Analyse des Batteriezustands ermöglicht Energieschub für Unterwasser-Roboter

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Mit modernen zerstörungsfreien Prüfverfahren analysieren Forschende des Fraunhofer IKTS und der Forschungsgruppe Smart Ocean Technologies (SOT) den Batteriezustand von Unterwasser-Robotern, so genannten Unmanned Underwater Vehicles (UUV).

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Blick auf eine Batteriezelle mit piezoelektrischen Sensoren zur Überwachung des Ladezustands.
Blick auf eine Batteriezelle mit piezoelektrischen Sensoren zur Überwachung des Ladezustands.
(Bild: Fraunhofer IKTS / SOT)

Unbemannte Unterwasser-Roboter sind immer häufiger und länger im Einsatz: Sie inspizieren Bohrinseln, warten Unterwasser-Gasleitungen, suchen nach Rissen an Offshore-Windkraftanlagen, sammeln Meeresdaten oder kartografieren die Fauna und Flora am Meeresgrund. Ein besseres Batteriemanagement soll nun die Einsatzkosten senken und dafür sorgen, dass diese Unterwasser-Roboter länger tauchen können.

Erkenntnisse über Entladevorgänge und über Alterungsprozesse

„Wenn es uns gelingt, die Einsatzkosten um zehn Prozent zu senken und die Tauchgänge, um ein paar Stunden zu verlängern, wäre das ein großer Fortschritt“, betont Dr. Lars Schubert, Abteilungsleiter für Zustandsüberwachung und Prüfdienstleistungen am Fraunhofer IKTS.

Durch das Projekt erlangen die Forschenden neue Erkenntnisse über die Entladevorgänge in der Batterie auf Zellebene und über die inneren Alterungsprozesse. Denn die Energiespeicher der Unterwasser-Roboter, wozu Remotely Operated Vehicles (ROV) und Autonomous Underwater Vehicles (AUV) gehören, müssen unter weitaus schwierigeren Bedingungen funktionieren als beispielsweise Batterien für Elektroautos: Einige UUVs können bis zu einem Kilometer tief tauchen, wo das Temperaturgefälle die Technik stark beansprucht und den Entladevorgang beeinflusst.

Einsatzkosten für Unterwasser-Roboter senken

Ausgesetzt und ferngesteuert werden die Tauchroboter meist von Schiffen spezialisierter Dienstleister. Der damit verbundene Aufwand hat allerdings seinen Preis: Einsatzkosten um die 100.000 US-Dollar pro Tag und Schiff sind hier durchaus üblich. Solche Roboter-Wartungen sind jedoch unabdingbar, damit Pipelines, Offshore-Plattformen, Unterwasser-Datenkabel und andere kritische Infrastrukturen im Meer zuverlässig funktionieren.

Damit diese teuren Wartungsmissionen nicht wegen leerer Batterien vorzeitig abgebrochen werden müssen, wird heute meist eine Sicherheitsreserve von 20 Prozent der Batteriekapazität eingerechnet. Zwar ist der Ladezustand von Batterien auch heute schon messbar – aber nur summarisch und vergleichsweise ungenau über die Spannung, Stromstärke und Temperatur der gesamten Batterie.

Ein Ziel des Projektes ist es daher, die Entladung der einzelnen Energiezellen so präzise zu ermitteln, dass zukünftig nur noch zehn Prozent Batteriereserve für Tauchgänge vorgehalten werden müssen.

ROV für Tests im Unterwasserlabor des Fraunhofer SOT.
ROV für Tests im Unterwasserlabor des Fraunhofer SOT.
(Bild: Fraunhofer IKTS / SOT)

Per Ultraschall den Ladezustand ermitteln

Dafür kleben Lars Schubert und sein SOT-Team in Rostock auf jede Batteriezelle kleine piezokeramische Sensoren. Sie schwingen, wenn man eine Spannung von außen anlegt. Umgekehrt wandeln sie mechanische Bewegungen in messbare elektrische Signale. Um nun den Zustand und die Entladevorgänge der einzelnen Zellen zu messen, legen die Forschenden eine kleine Spannung von 5 V an. Dann lesen sie aus, wie gut der piezoelektrische Sensor auf der Zelloberfläche schwingt. Denn wenn sich die Zelle entlädt, verändert sich ihre Härte – und das lässt sich messen. Wenn die Untersuchung noch genauer ausfallen soll, kleben die Forscher zwei Sensoren auf jede Zelle auf. Dann können sie Ultraschall-Impulse in der Batterie hin und her wandern lassen und so klarer ermitteln, wie elastisch – sprich: wie gut aufgeladen – jede Zelle noch ist.

Nach Trockentests im Labor folgen Erprobungen unter Wasser

Nach Trockentests im Labor ist im nächsten Schritt geplant, die neue Sensortechnik auch unter Wasser zu erproben: in einem mobilen „Minilab“, das voraussichtlich zum Jahresende 2021 einsatzbereit für das Rostocker Hafenbecken ist. Sind dann im Unterwasserlabor die Zusammenhänge zwischen tatsächlicher Entladung auf Zellebene und der summarisch gemessenen Entladung der ganzen Batterie genauer analysiert, fließen diese Erkenntnisse in ein exakteres Batteriemanagement ein.

Durch spätere Kostensenkungen könnte es sich in Zukunft womöglich sogar lohnen, piezoelektrische Sensoren serienmäßig in UUV-Batterien einzubauen. „Wir freuen uns schon auf Rückmeldungen von Nutzern, um neue Anwendungsszenarien für diese Technologie zu finden“, betont Lars Schubert.

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