E-Auto-Akkus: „Sprechende“ Batterie warnt vor Gefahr

Die Sicherheit von E-Auto-Akkus entscheidet sich oft im Inneren der Zelle. Dort entstehen Wärme, Druck oder Gase früher als außen am Gehäuse. Bisher messen viele Systeme die Temperatur vor allem an der Oberfläche. Bei kleinen Zellen reicht das meist aus. Bei großen Batteriezellen, wie sie in Elektroautos oder Stromspeichern verwendet werden, kann der Zellkern jedoch deutlich heißer sein als die Hülle.

Forscher der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel haben dafür ein neues Kommunikationsprinzip entwickelt. In ihrer Studie im Fachjournal Communications Engineering beschreiben Johannes Diers und Hamzeh Beiranvand eine Batterie, die Messdaten aus ihrem Inneren über die vorhandenen Stromanschlüsse nach außen sendet. Zusätzliche Datenleitungen braucht sie nicht. Die Forscher sprechen von einer „sprechenden Batterie“.

Warum Hitze in E-Auto-Akkus schnell gefährlich wird

Lithium-Ionen-Batterien liefern viel Energie auf wenig Raum. Das macht sie für Elektroautos, Heimspeicher und große Stromspeicher attraktiv. Es macht ihre Überwachung aber anspruchsvoll. Denn Temperatur beeinflusst Leistung, Alterung und Sicherheit. Laut den Forschern arbeiten Lithium-Ionen-Zellen am besten in einem Bereich zwischen etwa 15 und 35 Grad Celsius. Außerhalb dieses Bereichs können Effizienz und Lebensdauer leiden.

Gefährlich wird es, wenn sich eine Zelle zu stark erhitzt. Mehr als 70 Prozent der Wärme entstehen laut Studie durch Joule-Erwärmung, also durch elektrische Verluste im Inneren der Batterie. Bei hoher Belastung oder ungünstigen Bedingungen können weitere chemische Reaktionen hinzukommen. Gerät dieser Prozess außer Kontrolle, droht ein sogenannter Thermal Runaway. Dann erhitzt sich die Zelle weiter selbst, und es können brennbare Gase entstehen.

Ein Sensor sendet Daten über den Stromanschluss

Bei der Kieler Lösung wird ein kleiner elektronischer Schaltkreis direkt an der Batteriezelle angebracht oder in sie integriert. Er liest einen Temperatursensor aus und wandelt den Messwert in ein digitales Signal um. Dieses Signal verändert das elektrische Verhalten der Zelle minimal. Die Elektronik außerhalb der Batterie erkennt diese Veränderung über die Stromleitung.

Das Verfahren nutzt ein Prinzip namens Load-Shift-Keying. Dabei verändert der Sensor kurzzeitig die elektrische Last. Die Batterie „spricht“ also nicht über ein separates Datenkabel, sondern über die Leitung, die ohnehin zum Laden und Entladen vorhanden ist. Dadurch könnte ein Batteriemanagementsystem mehr Informationen aus jeder einzelnen Zelle erhalten, ohne das Batteriepack mit zusätzlicher Verkabelung zu füllen.

„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.“

Was die Forscher im Labor gemessen haben

Für ihre Versuche nutzte das Team zwei Lithium-Eisenphosphat-Batterien. Eine davon war eine kommerzielle Großzelle mit 100 Amperestunden Kapazität. Zusätzlich bauten die Wissenschaftler eine Demonstrationszelle aus sechs LFP-Zellen mit jeweils acht Amperestunden. Die Sensor-Elektronik saß auf einer kleinen Platine. Als Temperatursensor verwendeten sie einen NTC-Sensor, dessen elektrischer Widerstand sich mit der Temperatur verändert.

Das sind die wichtigsten Eckdaten der Versuche:

Die Datenrate lag bei 232 Bit pro Sekunde, effektiv bei 153 Bit pro Sekunde.
Eine Nachricht bestand aus zehn Bit, ein einzelnes Bit dauerte zwei Millisekunden.
Getestet wurden Verbindungskabel mit 70 und 300 Millimetern Länge.
Die Übertragung funktionierte auch bei rund 10,32 Ampere Batteriestrom und bei zwölf Ampere Ladestrom.
Über mehr als vier Minuten registrierte das Team keine Bitfehler.

Für Temperaturwerte reichen solche Datenraten aus. Ein Akku muss keine großen Datenpakete übertragen. Für die Überwachung zählen kurze Messwerte, Zustandsmeldungen und Warnsignale. Bei kurzem Kabel war das Signal deutlich stärker. Beim 300-Millimeter-Kabel fiel die Signalspannung auf 30 beziehungsweise 24 Millivolt. Das spricht dafür, dass längere Leitungen und echte Batteriepakete noch genaue Abstimmung brauchen.

Warum die Technik noch nicht serienreif ist

Die Versuche belegen ein funktionierendes Prinzip, aber noch keinen fertigen E-Auto-Akku für die Straße. Frequenzen, Filter und Elektronik müssen zu Batterie, Kabeln und Leistungselektronik passen. Die Entwickler schreiben, dass die nötige Schaltfrequenz nach dem Zusammenbau eines Batteriepakets präzise bestimmt werden muss. Sonst kann das Signal schwächer ausfallen.

Der Ansatz könnte später mehr erfassen als nur Temperatur. „Das Prinzip funktioniert theoretisch nicht nur mit Temperatursensoren“, sagt Diers. „Auch Druck-, Gas- oder andere Sensoren könnten auf die gleiche Weise Informationen aus der Batterie nach außen übertragen.“ Solche Werte wären für große Speicher nützlich, weil Druckanstieg oder Gasbildung auf Probleme im Inneren hinweisen können.

Für Elektroautos, Heimspeicher und Netzspeicher wäre eine solche Zelle ein zusätzlicher Kanal zur Zustandsüberwachung. Sie könnte früher melden, wenn sich Hitze, Druck oder Gase bilden. Die Batterie würde dadurch nicht automatisch unfehlbar. Aber sie könnte dem Batteriemanagement mehr Informationen liefern, bevor aus einem inneren Problem ein sichtbarer Schaden wird.

Kurz zusammengefasst:

Die Sicherheit von E-Auto-Akkus hängt stark davon ab, wie früh Hitze, Druck oder Gase im Inneren einer Batteriezelle erkannt werden.
Kieler Forscher haben ein Verfahren entwickelt, bei dem Sensoren Messdaten über die vorhandenen Stromanschlüsse senden – zusätzliche Datenkabel sind nicht nötig.
Die Technik wurde im Labor mit Lithium-Eisenphosphat-Zellen getestet und könnte Batteriemanagementsystemen künftig helfen, Risiken früher zu erkennen.

Übrigens: Auch die Batterieforschung aus China zeigt, wie stark die Zukunft des E-Autos vom Inneren der Zelle abhängt. Ein neuer Elektrolyt soll Akkus selbst bei extremer Kälte leistungsfähig halten. Mehr dazu in unserem Artikel.