Akkutechnik

Wie sich der Alterungszustand von Akkus schnell bestimmen lässt

| Autor / Redakteur: Andreas Mangler, Prof. Dr. Olfa Kanoun Thomas Günther * / Thomas Kuther

Bild 1: Demonstratoraufbau mit modularem System Stromanregung, analoge Signalaufbereitung und ATM32F4 Evaluation Board.
Bild 1: Demonstratoraufbau mit modularem System Stromanregung, analoge Signalaufbereitung und ATM32F4 Evaluation Board. (Bild: Rutronik)

Firmen zum Thema

Lithium-Ionen Akkus altern, aber der Grad der Alterung lässt sich nicht einfach bestimmen. Eine schnelle und detaillierte Diagnose hingegen ermöglicht ein Verfahren, das die TU Chemnitz jetzt entwickelt hat.

Wenn Lithium-Ionen Akkus altern, lässt ihre Leistungsfähigkeit nach. Wie schnell und in welchem Umfang das passiert, kann mit den aktuell eingesetzten Methoden nur recht aufwändig unter Laborbedingungen ermittelt werden. Eine schnelle und detaillierte Diagnose hingegen ermöglicht ein Verfahren, das die TU Chemnitz jetzt entwickelt hat. Damit lassen sich verlässliche Aussagen zum State of Health (SoH) und dem Remaining Useful Life (RUL) von Lithium-Ionen Batterien treffen. Der Forschungspartner Rutronik unterstützt hierbei die Universität von Seiten der Industrie.

Lithium-Ionen-Akkus haben sich in vielen Anwendungen als Energiespeicher der Wahl etabliert, z.B. in konventionellen Autos als Starterbatterie, aber vor allem auch in Elektrofahrzeugen, in Medizinanwendungen, professionellen Werkzeugen, mobilen Robotern und USV. Bei allen bestimmt der Zustand der Batterie maßgeblich die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems. Betrachtet man Elektroautos, hängen die Hauptverkaufsargumente – allen voran die Reichweite, aber auch die Beschleunigung – von der Batterie ab. Bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, wie Backup oder mobile medizinische Anwendungen (z.B. Defibrillatoren), ist es essenziell zu wissen, ob die Batterie bei Bedarf die benötigte Energie liefert.

Alterungszustand der Batterie bestimmen

Entscheidend hierfür ist neben dem aktuellen Ladezustand (State of Charge, SoC) in erster Linie das Alter der Batterie. Aufgrund komplexer chemischer Reaktionen im Inneren der Batterie nimmt die nutzbare Kapazität mit der Zeit ab, ihr Gesundheitszustand (State of Health, SoH) sinkt. Der SoH gibt das Verhältnis der aktuell maximal nutzbaren Kapazität zur Nennkapazität an, d.h. eine 100-Ah-Batterie mit einem SoH von 80% hat eine Restkapazität von 80 Ah. Wie schnell eine Batterie bzw. die einzelnen Zellen eines Batteriepacks altern, kann nur sehr schwer bestimmt oder vorhergesagt werden. Zum einen lässt sich die Kapazität nicht unmittelbar messen, zum anderen wird der Alterungsprozess durch eine Vielzahl an Faktoren beeinflusst, z.B. durch die individuelle Beschaffenheit der Batterie, das Ladeverhalten und die Temperatur.

Die Bestimmung des SoH ist jedoch entscheidend, um das Lebensende der Batterie vorherzusagen. Dieses liegt je nach Anwendung bei einem SoH von 70% bis 80%. Häufig geht die Batterie dann vom „first life“ in ihr „second life“ über, d.h. sie kommt in einer Anwendung zum Einsatz, die eine geringere Kapazität erfordert. So dienen beispielsweise Batterien von Elektroautos in ihrem second life als stationäre Energiespeicher für Photovoltaikanlagen. Die verbleibende Nutzungszeit in der jeweiligen Anwendung wird als Remaining Useful Life bezeichnet.

Aufwändige Verfahren liefern unzuverlässige Prognosen

Da eine einfache Messung der Restkapazität zur Bestimmung des SoH und RUL nicht möglich ist, kommen derzeit relativ aufwändige und teils ungenaue Verfahren zum Einsatz: Bevor die Batterie verbaut wird, werden im Labor umfangreiche Daten erhoben, um den jeweiligen Batterietyp zu charakterisieren. Mit Hilfe algorithmischer Berechnungen wird daraus eine Look-up-table oder ein Modell abgeleitet, das die Batterie in definierten Arbeitspunkten und Anwendungen beschreibt. Diese Daten werden im Batteriemanagementsystem hinterlegt und das Lebensende wird lediglich durch einen Vergleich mit den gespeicherten Daten prognostiziert. Der tatsächliche Zustand der Batterie im Betrieb wird gar nicht mehr gemessen. Damit bleibt die Datengrundlage für das Batteriemanagementsystem sehr unpräzise.

Häufig kommt ein Coulomb-Zähler zum Einsatz, der die eingespeiste Ladung misst und die entnommene Ladung davon abzieht, um auf die Kapazität zu schließen. Diese Daten werden mit dem Modell abgeglichen, um daraus Rückschlüsse auf den SoH und das RUL zu ziehen. Doch auch diese Methode liefert nur relativ ungenaue Werte, d.h., das festgelegte Lebensende kann hier ebenfalls deutlich vom tatsächlichen abweichen.

Die Folge: Um die garantierte Lebensdauer sicher zu stellen, müssen Hersteller als Sicherheitspuffer mehr Batteriezellen in das Gerät bzw. Fahrzeug einbauen als nötig. Alternativ müssen sie die Werte, die vom Zustand der Batterie abhängen, niedriger angeben, z.B. bei einem Elektrofahrzeug die Reichweite und die Garantiezeit für die Batterie. In beiden Fällen bedeutet das: Die Kapazität der Batterie wird nicht vollständig genutzt.

Ergänzendes zum Thema
 
Warum altert eine Batterie?

Inhalt des Artikels:

Kommentar zu diesem Artikel abgeben
Wir haben noch einmal bei Rutronik angefragt und folgende Antwort erhalten: Es handelt sich hier...  lesen
posted am 17.07.2017 um 15:16 von Sebastian Gerstl,Sebastian Gerstl

Können Sie bitte noch die Links ergänzen zu dem - Produkt von Rutronik, das diese Messung nun...  lesen
posted am 16.07.2017 um 12:59 von elpra


Mitdiskutieren
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 44744008 / Power Management)