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Intelligente Batteriezelle des Fraunhofer IPA: Ein Mikrocontroller erfasst physikalische Parameter wie Temperatur und Ladezustand. Ist eine Zelle leer, klinkt sie sich automatisch aus.
© Fraunhofer IPA

Intelligente Batteriezelle des Fraunhofer IPA: Ein Mikrocontroller erfasst physikalische Parameter wie Temperatur und Ladezustand. Ist eine Zelle leer, klinkt sie sich automatisch aus.

Die Forschung an Elektroauto-Batterien, die möglichst mehr Leistung bei geringeren Kosten bringen, läuft auf Hochtouren. Einen interessanten Ansatz verfolgen dabei Fraunhofer-Forscher, die gerade einen Stromspeicher entwickeln, der über den gesamten Lebenszyklus deutlich kostengünstiger sein soll als bisherige Modelle. Zugrunde liegt dabei eine ebenso einfache, wie clevere Idee:

Ist eine Batteriezellen defekt, soll sie einfach übergangen oder ausgetauscht werden können - bisher wird bei Kapazitätsschwund oder einem Defekt der gesamte Akku ausgewechselt. So sind die Akkus meistens als monolithischer Block konzipiert, in dem die einzelnen Batteriezellen sowie die nötige Technik untergebracht sind. Theoretisch sollten die einzelnen Zellen zwar alle gleich viel Energie speichern können, praktisch ist dies herstellungsbedingt jedoch nicht der Fall.

Dies ist problematisch, da die Batteriezellen in Reihe geschaltet sind: Die gesamte Batterie ist daher nur so stark wie die schwächste Zelle. Wenn die leer ist, nützt auch die verbliebene Energie in den übrigen Batteriezellen nichts mehr und das Elektroauto muss Strom tanken. Und ist eine Zelle defekt, fällt der Akku aus und muss komplett getauscht werden.

Alternative: modulares Batteriesystem

 

Auch die Hersteller wissen um die Kapazitätsschwankungen der Zellen, sortieren diese daher vor und bauen jeweils Zellen ähnlicher Kapazität in eine Batterie. Durch das Aussortieren wird jedoch der Preis der Stromspeicher in die Höhe getrieben – ein weiteres Manko. Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart arbeiten an einem Ausweg: "Unser modulares Batteriesystem löst diese Probleme", so Dr. Kai Pfeiffer, Gruppenleiter am IPA.

Die Lösung sollen unabhängige, miteinander kommunizierende Batteriezellen sein. Jede Batteriezelle ist mit einem eigenen integrierten Mikrocontroller ausgestattet, der relevante physikalische Parameter wie Temperatur und Ladezustand der Zelle erfassen soll. Die Zellen "kennen" also ihren Zustand und "kommunizieren" über die bereits vorhandene Hochstrom-Verkabelung, durch die gespeicherte Energie zu den Verbrauchern geleitet wird, miteinander – Powerline-Kommunikation nennt sich das.

Darüber hinaus können sie auch mit anderen Geräten kommunizieren, etwa dem Bordcomputer, der aus den Daten der Zellen errechnet, wie viel Restenergie die gesamte Batterie noch aufweist.

Höhere Reichweite, geringere Kosten

 

Wenn nun eine Zelle leer ist, muss das Elektroauto nicht mehr wie bisher stehenbleiben. Die leere Batteriezelle klinkt sich einfach aus dem Verbund aus und der Strom wird an ihr vorbeigeleitet, wodurch die anderen Zellen weiter Energie liefern können. Pfeiffer erklärt: "Je nach Zellqualität können wir die Reichweite auf diese Weise um mindestens vier Prozent steigern. Im Laufe der Zeit verstärkt sich dieser Effekt: Schaltet man bei einer älteren Batterie die jeweils leeren Zellen aus, ist es denkbar, dass man durchaus zehn Prozent mehr Reichweite erzielen kann."

Ein weiterer Vorteil: Da sich eine Zelle mit geringerer Kapazität kaum auf die gesamte Reichweite des E-Autos auswirke, müssten die Hersteller diese nicht mehr vorsortieren, was sich kostensenkend bemerkbar machen sollte. Zudem sollen sich die Zellkapazitäten im Laufe der Zeit angleichen, da die ergiebigen Zellen entsprechend länger laufen und somit schneller altern. Schließlich müsse man nicht gleich in die Werkstatt, wenn eine Batteriezelle ausfällt, da es bei mehr als hundert Zellen nicht auf eine einzelne ankomme. Und wenn man sich doch für eine Reparatur entscheide, genüge es, die einzelne Zelle auszutauschen.

Die IPA-Forscher haben bereits einen Prototypen entwickelt. Aktuell werde daran gearbeitet, die Elektronik in den Zellen zu miniaturisieren. "Wir wollen es schaffen, dass sie weniger als einen Euro kostet", so Pfeiffer. Teile der Entwicklung bearbeiten die Forscher im EU-Projekt »3Ccar« weiter.