Elektromobilität soll so nutzerfreundlich wie möglich werden – „Elektrofahrzeuge sind schon heute schnell und leise, aber ein großes Manko ist bisher die lange Ladezeit im Vergleich zu Fahrzeugen, die mit fossilen flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffen betankt werden“, beschreibt Projektkoordinator Gerhard Domann vom Fraunhofer-Institut für Silicatforschung, Würzburg, die Ausgangssituation. Heute sind es vor allem Batteriechemie und -konstruktion sowie das dazugehörige Batteriemanagementsystem, die ein schnelleres Laden verhindern, um die Batterien vor vorzeitiger Alterung zu schützen.

Faktoren die zur vorzeitigen Alterung, zu einem Leistungsabfall oder auch zu einem kritischen Versagen führen, sind vielfältig und können sich gegenseitig verstärken. Kommen mehrere Faktoren zusammen, beispielsweise mechanischer Stress, niedrige Temperaturen und zu hohe Lade- oder Entladeströme, kann es zu irreversiblen Schäden in der Batterie kommen. Um das zu vermeiden, werden Batterien von den integrierten Batteriemanagementsystemen in einem möglichst moderaten Modus betrieben, der nicht alle Leistungsreserven ausschöpft. Dieses Potenzial will das Projektkonsortium von Spartacus nutzen, um das Laden und Entladen mit einem Batteriemanagementsystem zu optimieren und zu beschleunigen. Dabei werden neuartige integrierte Sensoren zur Überwachung des tatsächlichen Batteriezustandes eingesetzt, um die Batterie zu schützen.

Spartacus – die Abkürzung steht für „Spatially resolved acoustic, mechanical and ultrasonic sensing for smart batteries“. In dem Forschungsprojekt soll eine multifunktionelle Sensor-Array-Technologie für Batterien entwickelt werden, die den Batteriemanagementsystemen die relevanten Daten für ein zustandsabhängig optimales Laden und Entladen übermittelt. Das Projekt fokussiert sich auf mechanische und akustische Sensoren, ergänzt durch elektrochemische Impedanzmessungen und Temperatursensorik. „Mit der SPARTACUS-Sensorik sollen Fehler und negative Einflüsse auf die Batterielebensdauer und –Leistungsfähigkeit frühzeitig entdeckt werden. Auf Basis der Sensordaten kann dann das Batteriemanagementsystem die Lade- und Entladevorgänge entsprechend steuern, um der vorzeitigen Batteriealterung entgegen zu wirken und negative Einflüsse so gut wie möglich auszuschalten“, so Gerhard Domann.

Intelligente Sensorik von Fraunhofer

Das Fraunhofer ISC bringt seine Expertise im Bereich der Entwicklung intelligenter Sensoren und in der Analyse der Alterungsvorgänge in Batteriekomponenten ein. „Die Ursachen vorzeitiger Batteriealterung beschäftigen uns schon seit langem und wir haben in einer Vielzahl von Projekten unsere Methodik verfeinert, um diese Vorgänge aufzuklären und Lösungsansätze zu finden“, berichtet Teilprojektleiter Dr. Jochen Settelein vom Fraunhofer ISC. Wichtige Vorarbeiten im Bereich der intelligenten Sensorik haben zu neuen Lösungsansätzen geführt, die auf der akustischen und mechanischen Überwachung mit Ultraschall- und Elastomersensoren basieren, um damit mechanischen Stress und Veränderungen in der Batteriezelle zu detektieren. Darauf soll im Projekt Spartacus aufgebaut werden.