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Infineons Rolle im EU-Projekt Cobra

Minimalinvasive Sensorik für kobaltfreie Batterien

20. Mai 2021, 12:58 Uhr | Ute Häußler

Günter Hofer in Infineons Entwicklungslabor für Batterie-Sensorik im österreichischen Graz.

Infineon erhält im EU-Projekt Cobra mit 1,25 Millionen Euro bis 2023 den größten Teil der Fördersumme von 11 Millionen Euro. An welchen Technologien wird mit dem Geld geforscht? Die Antwort gibt Sensor-Experte Günter Hofer von Infineons Automotive Division im Interview.

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Markt&Technik: Herr Hofer, woran forscht Infineon mit den Fördergeldern des EU-Projekts Cobra genau?

Günter Hofer: Wir forschen an neuartigen, smarten Sensoren und deren Kommunikation mit dem Batteriemanagementsystem. Ein Sensor wird in diesem Kontext als „smart“ bezeichnet, wenn er dem Host Controller nicht einfach nur rohe Messdaten übermittelt. Für Cobra sollen die Messdaten mithilfe zusätzlich verbauter Elektronik vorverarbeitet, formatiert und – beispielsweise durch das Einfügen eines Zeitstempels – komprimiert werden. Das Forschungsprojekt läuft seit 2020, und Ende 2023 wird nach vier Jahren Projektlaufzeit ein Prototyp einer kobaltfreien Batterie nach TRL6-Status fertig sein.

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Welche Art Sensorik kommt für die kobaltfreien Batterien zum Einsatz?

Wir konzentrieren uns im Rahmen des Projekts Cobra auf die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS). Dabei wird über die ohnehin schon vorhandenen Zuleitungen zu den Polen der Batterie ein kleines Signal in die Batterie geschickt und der Real- und Imaginärteil der Response in Abhängigkeit von der Signalfrequenz gemessen. Das erlaubt einen Blick ins Innere der Zelle, ohne dass zusätzliche Komponenten in die Batteriezelle eingebracht oder die Zellhülle zusätzlich durchdrungen wird – minimalinvasiv sozusagen. Mit EIS ist eine zuverlässige Bestimmung der mittleren Zell-Kerntemperatur möglich, und auch weitere Erkenntnisse über den Zustand der Zelle (SoX) sind möglich. Kommt es bei der Zellproduktion etwa zu Verunreinigungen, können mit dem Verfahren leicht geschädigte Zellen identifiziert werden. Auch ein thermisches Durchgehen (engl. „thermal runaway“) der Batteriezelle kann damit schnell erkannt werden. Zum Projekt trägt Infineon darüber hinaus mit dem Einbau eines miniaturisierten, halbleiterbasierten Drucksensors bei, der Ausgasungen im Batteriemodul feststellt.

Welche drei wichtigsten Sensor-Anforderungen haben sich nach knapp 17 Monaten Projektfortschritt herauskristallisiert?

Die Anforderungen an smarte Sensoren sind zahlreich. Bei Cobra haben sich die drei folgenden als besonders relevant herausgestellt: Bei starker Alterung einer Batteriezelle wird der im Datenblatt definierte zulässige Bereich höherer Temperaturen immer häufiger vollständig ausgeschöpft. Die Genauigkeit der Sensoren muss daher über den gesamten Temperaturbereich gewährleistet sein. Das stellt sicher, dass die Sensordaten auch für Zellen am Ende ihrer Lebenszeit noch korrekte Informationen liefern. Zudem ist wichtig, dass Sensoren einerseits die elektromagnetische Verträglichkeit der Zelle nicht signifikant beeinträchtigen, andererseits aber gegenüber diesen Effekten weitgehend unempfindlich sind. Zuletzt muss beachtet werden, dass der Stromverbrauch des Sensors – auch im Standby-Modus – so niedrig wie möglich gehalten wird.

Worauf wird in der Entwicklung besonderes Augenmerk gelegt werden müssen?

Die Anforderungen an die Batteriesensorik widersprechen sich zum Teil, wir brauchen deshalb den besten Kompromiss. Ein Beispiel ist die Vorverarbeitung der Daten im smarten Sensor. Auf der einen Seite müssen die Anforderungen an die Bandbreite der Kommunikation verringert werden, auf der anderen muss der Stromverbrauch optimiert werden. Hierfür gilt es, neue Ansätze zu entwickeln. Auch die sogenannte Sleep/Wake-up-Methodik betrachten wir. Ziel ist dabei, den Sensor nur dann hochzufahren, wenn eine Messung notwendig ist. Ansonsten befindet er sich in einem stromsparenden Schlafmodus. Und gerade mit Blick auf eine spätere Kommerzialisierung darf generell gesprochen schon in der Entwicklung die Optimierung des Kosten-Nutzen-Verhältnisses nicht aus den Augen verloren werden.