Impedanzspektoskopie Schneller Einblick in die Batterie

Auf einer gerade mal 10 x 5 cm großen Leiterplatte haben Forscher der TU Chemnitz ein System zur Impedanzspektroskopie untergebracht, mit dem sie während des laufenden Betriebs innerhalb weniger Minuten untersuchen können, wie lange Batterien in Elektrofahrzeugen ihre volle Leistung erbringen.

Bislang werden Batterien vor der Benutzung im Labor charakterisiert – das ist ziemlich aufwändig: Es werden Daten erhoben, die für einen Batterietyp charakteristisch sind, diese werden im Batteriemanagementsystem hinterlegt. Der aktuelle Zustand und die verbleibende Lebensdauer werden im Betrieb nicht neu gemessen, sondern auf Basis der vorab gespeicherten Daten prognostiziert. Einflüsse der Fahrweise und der Umweltbedingungen bleiben dabei ebenso außen vor wie das individuelle Verhalten jeder einzelnen Batterie.

»Dieses Verfahren ist ungenau und wenig zuverlässig, deshalb werden vorsichtshalber mehr Batteriezellen ins Auto eingebaut, als man eigentlich brauchen würde«, sagt Thomas Günther von der Professur Mess- und Sensortechnik der TU Chemnitz. »Aber die Ausnutzung der Batterien kann noch deutlich gesteigert werden: Die Impedanzspektroskopie ermöglicht nun eine Diagnose während des Betriebs. Sie soll im Rahmen des Ladevorgangs ablaufen und dauert nur fünf Minuten.«

Wie funktioniert das?

Bei der Impedanzspektroskopie wird die zu untersuchende Batterie mit einem variierenden Strom angeregt. Die sich einstellende Batteriespannung wird mit dem anregenden Strom zur Impedanz verrechnet und erlaubt Rückschlüsse auf das Innenleben der Batterie.

»Bei einer Impedanzspektroskopie im Labor hat man leistungsfähige Geräte mit großem Speicher zur Verfügung und kann hochwertige Signale erzeugen«, sagt Prof. Dr. Olfa Kanoun, Inhaberin der Professur Mess- und Sensortechnik. »Außerdem kann ein Ingenieur die Messungen überwachen. Diese Technik ist sehr genau und für unterschiedliche Anwendungen weit verbreitet. Unsere Herausforderung bestand nun darin, eine Lösung auf einen Chip mit begrenztem Speicher und Rechenleistung zu bringen, wobei wir keine Signalgeneratoren und nicht unendlich viel Zeit für die Diagnose haben.«

Den Chemnitzer Wissenschaftlern ist es gelungen, die Signalerzeugung so effizient zu gestalten, dass die Messung für viele Frequenzen gleichzeig möglich wird und dabei die Batterie selbst die Stromquelle ist.