Batterie als Elektromobilitäts-Schlüssel Ohne Impedanzspektroskopie keine neuen Geschäftsmodelle

Neues Verfahren um die Batterielebensdauer zu  ermitteln.
Die Impedanzspektroskopie ist ein neues Verfahren, das den Gesundheitszustand der Batterie ermittelt.

Die Batterie ist ein Schlüsselelement der Elektromobilität. Exakte Informationen zum Gesundheitszustand der Batterie sind essenziell. Ein neues Verfahren, das die TU Chemnitz mit Rutronik entwickelt hat, legt den Grundstein hierfür. Es macht die Impedanzspektroskopie in Embedded-Systemen nutzbar.

Die Entscheidung der Automobilhersteller für das 48-V-Bordnetz zur schrittweisen Umsetzung der Elektromobilität ist gefallen. Damit setzen sie auf ein hybrides Bordnetz mit 12 und 48 V. Für die Integration in das 48-V-Teilbordnetz sind im ersten Schritt vor allem Großverbraucher prädestiniert, wie die Heck-, Frontscheiben- und Sitzheizungen und der PTC-Zuheizer. Auch dynamische Lasten werden vom 48-V-Netz übernommen. Neben verschiedenen Kompressoren ist es vor allem der E-Boost, der dem Hybridfahrzeug mit praktisch verlustfreiem Antrieb den typischen niedertourigen Drehmomentverlauf eines Diesel-Verbrennungsmotors und das entsprechende Fahrgefühl verleiht. Hinzu kommt der Start-Stopp-Generator, der als zentrale Komponente von Hybridfahrzeugen die Rekuperation der Bremsenergie und damit das emissionsfreie Segeln (Sailing/Coasting) ermöglicht. Mittelfristig werden weitere Lasten folgen, wie die elektrische Lenkung, Fahrwerksstabilisierung, Audio-Endstufen und LED-Beleuchtungen, die sich dann mit höheren Spannungen betreiben lassen. Im 12-V-Bordnetz verbleiben lediglich kleinere Verbraucher.

Batterien für das hybride Bordnetz

Aktuelle Mittel- und Oberklasse-Fahrzeuge mit Start-Stopp-Generator sind mit zwei 12-V-Batterien aufgebaut: Eine versorgt primär das Bordnetz und stellt sicher, dass alle notwendigen Verbraucher stets einsatzbereit sind. Die andere speist den Start-Stopp-Generator.

Eine 48-V-Batterie wird zukünftig eine der 12-V-Batterien ersetzen. Das wird zumindest anfangs eine Lithium-Ionen-Batterie oder -Batterie-Pack sein. Denn sie verfügt über eine sehr hohe Energiedichte und übersteht wiederholt hohe Spitzenströme. Doch auch wenn diese Stromspitzen die Batterie nicht unmittelbar schädigen, wirken sie sich auf die komplexen elektrochemischen Reaktionen im Inneren der Batterie aus und tragen dadurch erheblich zu ihrer Alterung bei.

In Hybrid- und Elektrofahrzeugen ist die Batterie hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt: Bei der Rekupera¬tion entstehen beim aktiven Bremsen des Elektromotors sehr hohe Stromspitzen, das schnelle Aufnehmen der rekuperierten Energie erfordert hohe Ladeströme. Auch das Ziel, ein Schnellladen der Batterie zu bieten, bringt hohe Ladeströme mit sich. Bei Nutzung des E-Boost hingegen wird sehr schnell viel Energie benötigt, das heißt die Batterie sehr schnell entladen. Diese Faktoren hängen weitestgehend vom Fahrverhalten ab und können nicht durch eine geeignete Betriebsstrategie vermieden werden.

Um eine lange Lebensdauer der Batterie sicherzustellen, setzen die Batterie-Pack-Hersteller auf verschiedene Maßnahmen – von einer hochwertigen und stabilen Struktur der im Batteriesystem verbauten Zellen und deren Kontaktierung, über ein ausgeklügeltes Batteriemanagementsystem bis zum Thermomanagement, das die Batterie in ihrer Komfortzone zwischen 0 und 45 °C hält.

Die im Batteriemanagementsystem hinterlegten Algorithmen sorgen dafür, die Batterie bestmöglich vor schädlichen Einflüssen zu schützen und den Degenerationsprozess gering zu halten. Hierfür müssen die Lade- und Entladeströme ebenso wie weitere Einflussfaktoren – vor allem die Temperatur – überwacht und gemanagt werden. Dann lässt sich beispielsweise die Start-Stopp-Automatik automatisch abschalten, wenn die Temperatur einen bestimmten oder definierten Wert unter- oder überschreitet oder die Last auf der Batterie bereits zu hoch ist. Ziel der ständigen Überwachung der Batterie ist die Dia¬gnose ihres Ladezustandes (State of Charge, SoC), sowie ihres tatsächlichen Gesundheitszustands (State of Health, SoH).

Gesundheitszustand von Batterien

Der SoH besagt, über welche Leistungsfähigkeit sowie verbleibende, für die Anwendung nutzbare Kapazität eine Batterie verfügt. Eine 100-Ah-Batterie mit einem SoH von 80 Prozent hat damit eine Kapazität von maximal 80 Ah. Wie schnell eine Batterie oder die einzelnen Zellen eines Batterie-Packs altern, kann nur sehr schwer bestimmt oder gar vorhergesagt werden. Denn zum einen wird der Prozess durch mehrere Faktoren beeinflusst: vor allem durch die individuelle Beschaffenheit der Batterie, sowie die tatsächlichen Lade- und Entladeströme, die in der Anwendung zum Einsatz kommen und schließlich die Betriebstemperatur. Zum anderen lässt sich die verbleibende Kapazität nicht unmittelbar messen.

Die Bestimmung des SoH ist jedoch entscheidend, um die Restlebensdauer (Remaining Useful Life, RUL) der Batterie vorherzusagen. In Elektrofahrzeugen markiert ein SoH zwischen 70 und 80 Prozent das Lebensende der Batterie. Die tatsächliche Grenze wird vom Automobilhersteller definiert. Danach geht sie vom „first life“ in ihr „second life“ über, d.h. sie kommt in einer Anwendung zum Einsatz, die keine so hohe Kapazität oder Leistungsfähigkeit erfordert, beispielsweise ein stationärer Energiespeicher für Photovoltaikanlagen oder Windkraftanlagen.

Obwohl sich das Lebensende der Batterie nur ungenau vorhersagen lässt und der Gesundheitszustand der Batterie im Fahrzeug nicht ermittelt werden kann, geben die Hersteller Garantien: BMW garantiert, dass die Batterie der BMW-i-Modelle nach acht Jahren oder 100.000 km noch über mindestens 70 Prozent ihrer Ladekapazität verfügt. Beim Nissan Leaf mit einer Batteriekapazität von 30 kWh beträgt die Garantie acht Jahre oder 160.000 km. Andere Hersteller versprechen eine Mindestreichweite. Zum Beispiel wirbt Opel für seinen Ampe¬ra-e mit einer Reichweite von 520 km mit einem Ladevorgang.