Neues Kommunikationsprinzip
Sensordaten direkt aus der Batteriezelle
Dank eines neuen Kommunikationssystems können Sensoren im Inneren von Batteriezellen Messdaten ohne separate Datenleitungen nach außen übertragen. Statt zusätzlicher Kommunikationsverbindungen nutzt das Verfahren die vorhandenen Stromleitungen und die Elektronik für Lade- und Entladevorgänge.
Eine Batterie, die „spricht“, verrät nicht mit Worten, sondern mit Daten, wie es ihr geht. Ein Forschungsteam der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) Forschende der CAU haben gezeigt, wie Sensoren im Inneren einer Batteriezelle Messwerte nach außen übermitteln können, ohne dass dafür zusätzliche Kommunikationsleitungen nötig sind. Stattdessen nutzt das System die bereits vorhandenen Stromleitungen sowie die Elektronik, die den Lade- und Entladevorgang der Batterie steuert. Das Team spricht deshalb von einer „sprechenden Batterie“ – einer Batterie, die Informationen aus ihrem Inneren heraus selbst übermittelt. Dr. Hamzeh Beiranvand vom Lehrstuhl für Leistungselektronik stellte das neue Konzept kürzlich in der Fachzeitschrift Communications Engineering vor.
Die grüne Platine enthält den elektronischen Schaltkreis, mit dem die Forschenden Sensordaten über die vorhandenen Stromanschlüsse einer Batteriezelle übertragen. Die Batteriezelle befindet sich im Hintergrund.
Sensoren im Inneren statt nur an der Oberfläche
Moderne Batterien, etwa in Elektroautos oder Stromspeichern, bestehen aus vielen einzelnen Zellen. Bislang messen Sensoren die Temperatur meist nur an der Außenseite der Zellen. Problematisch ist: Gefährliche Hitze entsteht oft zuerst im Inneren einer Batterie – und bleibt dort zunächst unbemerkt. Sensoren im Zellinneren sind zwar grundsätzlich möglich. Bislang brauchen sie jedoch zusätzliche Elektronik und Datenleitungen, die im engen Bauraum einer Batteriezelle wertvollen Platz beanspruchen.
Das neue Verfahren soll genau dieses Problem lösen: Dafür bauten die Forschenden einen kleinen elektronischen Schaltkreis direkt in die Batteriezelle ein. Dieser benötigt kaum Platz und wandelt die Messwerte des Temperatursensors in ein digitales Signal um. Dieses gelangt dann über dieselben Anschlüsse, über die die Batterie ohnehin geladen und entladen wird, nach außen. Zusätzliche Leitungen sind somit nicht nötig.
»Unsere Arbeit ist ein erster Schritt hin zu intelligenten Batterien, die ihren Zustand kontinuierlich überwachen und melden«, sagt Beiranvand. »Das würde Batteriesysteme sicherer und wirtschaftlicher machen.« Dazu trägt auch bei, dass das neue Kommunikationsprinzip vorhandene Komponenten doppelt nutzt. Nach einer ersten Kostenabschätzung des Teams könnte das System gegenüber herkömmlichen Lösungen mit separaten Sensorleitungen rund 35 Prozent günstiger sein.
Dr. Hamzeh Beiranvand (links) hält die Batteriezelle, Johannes Diers (rechts) den eigens entwickelten elektronischen Schaltkreis. Gemeinsam bilden sie das Versuchsmodell einer „sprechenden Batterie“, das Sensordaten ohne zusätzliche Kommunikationsleitungen aus ihrem Inneren überträgt. Im Hintergrund befinden sich ein Batterietester (rechts) und eine Klimakammer (links), die das Team für die Charakterisierung der Batteriezellen und die Experimente der Studie nutzte.
Der Schaltkreis ließe sich, nach Einschätzung des Teams, zukünftig noch weiter verkleinern oder sogar direkt in neue Batteriematerialien integrieren. Da die Sensoren Vorgänge im Zellinneren direkt erfassen, können sie außerdem dazu beitragen neue Batteriematerialien besser zu verstehen und gezielt weiterzuentwickeln. »Das Prinzip funktioniert theoretisch nicht nur mit Temperatursensoren«, sagt Johannes Diers, Doktorand in der Arbeitsgruppe Leistungselektronik und Erstautor der Studie. »Auch Druck-, Gas- oder andere Sensoren könnten auf die gleiche Weise Informationen aus der Batterie nach außen übertragen.«
Langfristig könnte das Verfahren in allen Anwendungen mit leistungsfähigen Batteriesystemen zum Einsatz kommen – von Elektroautos über Wind- und Solarenergie- bis hin zu Heimspeichern.