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Intelligent und Modular: Die Zukunft der Batteriespeicher

22. Juli 2014, 12:26 Uhr | Hagen Lang

Diskret aufgebauter Demonstrator der »Intelligenten Zelle«

In einem aus vielen fest miteinander verbundenen Batteriezellen bestehenden Energiespeicher führt der Ausfall einer einzelnen Zelle zum Versagen des gesamten Speichers. Mit modular aufgebauten, aus austauschbaren und ihren Ladezustand registrierenden Einzelzellen bestehenden Systemen gehört dieses Problem der Vergangenheit an.

Energiespeicher sind teuer, egal ob im Elektroauto oder im Keller zur Solarstromspeicherung. Fällt eine einzelne ihrer vielen Batteriezellen aus, muss das gesamte Batteriesystem ausgetauscht werden. Wissenschaftler des Fraunhofer IPA haben eine »Intelligente Zelle« entwickelt und erfolgreich patentieren lassen, die eine Schaltung integriert, die auch den aktuellen Ladezustand erfasst. Bei Bedarf lassen sich alte oder defekte Elemente individuell und schnell auswechseln. Damit reduzieren sich die Lebenszyklus-Kosten, höhere Reichweite und längere Lebensdauer werden möglich.

Kai Pfeiffer, Gruppenleiter am Fraunhofer IPA erklärt: »Die Intelligenten Zellen bestehen aus einem Energiespeicher und einer elektronischen Schaltung, die fest in das Zellengehäuse integriert ist. Sie bilden selbst ein verteiltes Batteriemanagementsystem (BMS), haben ein Gedächtnis, können eine Selbstdiagnose durchführen und z. B. ihre Ladehistorie kommunizieren«.

In jeder Batriezelle informiert ein lese- und schreibfähiger Datenspeicher über den Ladezustand und sichert den Verlauf bisheriger Lade- und Entladezyklen. Damit sorgt das dezentral skalierbare BMS dafür, dass alte oder defekte Batteriezellen rechtzeitig aus dem Gesamtsystem entfernt werden können. »Entscheidender Vorteil der dezent realisierten, also zellenbasierten Datenspeicherung ist, dass sich die standardisierten Batteriezellen einzeln austauschen lassen. Somit bleiben wertbestimmende und herstellerabhängige Komponenten, wie etwa das crashsichere Gehäuse oder Elektronikkomponenten, erhalten«, erläutert Jonathan Brix, Gruppenleiter am Fraunhofer IPA. »Durch die optimierte Auslastung jeder Batteriezelle lassen sich die Lebensdauer der Gesamt-batterie verlängern und die Kosten erheblich senken«, so Brix.

Intelligenz erhält jede Batteriezelle in Form einer Halbleiterplatine, die über Sensoren, Mess- und Schaltelemente verfügt und dezentral mit den übergestellten Rechnermodulen des Fahrzeugs über Powerline (PLC) kommuniziert. »Die Schaltelemente sind mittels Leistungselektronik realisiert, sodass defekte Batteriezellen überbrückt und sicher aus dem Gesamtsystem entfernt werden können. Mit der PLC können wir vor allem den Verkabelungsaufwand und die Systemkomplexität minimieren«, sagt Mihai Drăgan, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IPA. Anwendbar ist das dezentrale BMS nicht nur im Bereich Elektromobilität. »Das vom Fraunhofer IPA patentierte System ist problemlos auf beliebige Energiespeicher, wie etwa stationäre Energiespeicher oder Solaranlagen, übertragbar«, resümiert Drăgan. Die Entwicklungsplattform ist momentan diskret realisiert, für industrielle Anwendungen wird die »Intelligente Zelle« in Form einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) umgesetzt und kann somit in hohen Stückzahlen kostengünstig produziert werden.