Batteriemanagementsysteme Batteriezellendiagnostik direkt ins Elektrofahrzeug – in Laborqualität

Bisher standen detaillierte Einblicke in den Zustand der Batteriezellen, darunter Temperaturgradienten, Alterungseffekte sowie interne Kurzschlüsse, nur in Testlaboren zur Verfügung und nicht direkt messbar im Fahrzeug. Mit der Weiterentwicklung von Batteriemanagementsystemen gelingt es jedoch zunehmend, diese Diagnostikfähigkeiten in die Fahrzeugarchitektur zu implementieren, anstatt nur modellbasiert zu schätzen wie bisher.

Durch die Integration der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) in Batteriemanagementsystemen (BMS) lassen sich Batteriezellen in Elektrofahrzeugen mit derselben Technik wie während Produktion und Formierung, per Messung analysieren. Dabei muss nicht mehr zusätzliche Sensorik eingesetzt werden, noch wird der laufende Betrieb beeinträchtigt.

Die Konsistenz der Batteriezellendiagnostik aus dem Labor, über die Produktion bis in das Fahrzeug, ermöglicht schnelleres Laden mit integrierten Schutzmechanismen, erhöht die Sicherheit im täglichen Betrieb und trägt zu einer längeren Batterielebensdauer bei. Gleichzeitig ist die Technologie von Beginn an auf ein Integrations- und Kostenprofil optimiert, das die Anforderungen der Serienproduktion erfüllt.

Gezielte Messungen vornehmen

Während herkömmliche Verfahren den Batteriezustand aus Schätzungen des Innenwiderstands, aus Ruhephasen der Leerlaufspannung sowie aus Temperaturdaten von Oberflächenthermistoren ableiten, regt EIS die Batterie gezielt mit einem Wechselstromsignal an und misst das resultierende Feedback bei ausgewählten Frequenzen. Dadurch stehen Informationen über höherfrequente physikalische Effekte zur Verfügung, die konventionellen Systemen versagt bleiben.

Diese Messungen liefern eine charakteristische Signatur der elektrochemischen Vorgänge innerhalb der Batteriezelle, von grundlegenden Widerstandseffekten bis hin zur Beweglichkeit der Ionen. Bereits die Analyse eines begrenzten Frequenzspektrums liefert schnelle und zuverlässige Signale, die sowohl die Bestimmung des Innenwiderstands und des Batteriezustands als auch sicherheitsrelevante Analysen unterstützen. Damit geht EIS über konventionelle Verfahren hinaus, die unterschiedliche Effekte häufig nicht eindeutig voneinander trennen können.

In Fahrzeuganwendungen ist eine stromgesteuerte Anregungsmethode besonders geeignet, weil moderne Lithium-Ionen-Zellen eine niedrige Impedanz aufweisen und die Spannungsantworten an den Zellen äußerst genau gemessen und direkt in den Frequenzbereich transformiert werden können. Anstatt über längere Zeiträume Hunderte von Messpunkten zu erfassen, kann sich das BMS auf wenige, gezielt ausgewählte Frequenzpunkte konzentrieren, um schnelle und präzise Entscheidungen zu ermöglichen, ohne die Berechnungskapazität moderner eingebetteter Mikroprozessoren zu übersteigen.

Mehr Sicherheit beim Schnellladen durch frühzeitige Einblicke in den Zellzustand

Beim Schnellladen liegt das Risiko nicht allein in hohen Strömen, sondern vor allem darin, wie und wo diese Ströme innerhalb der Zelle wirken. Die EIS-Analyse ermöglicht es, frühe Anzeichen von Lithium-Plating zu erkennen, bei dem sich metallisches Lithium an der Anode, durch zu hohe Stromdichten oder zu kalte Elektrodenoberfläche, ablagert. Auf dieser Basis kann das BMS den Ladevorgang gezielt und kontrolliert anpassen, bevor es zu schädlichen Ablagerungen kommt. Darüber hinaus lassen sich charakteristische Muster identifizieren, die auf beginnende interne Defekte oder Probleme an Zellanschlüssen hinweisen. Diese können von klassischen Widerstandsmessungen meist nicht erfasst werden. Das Ergebnis ist ein robustes Schnellladen mit deutlich weniger unerwarteten Ereignissen.

Außerdem eignen sich die erfassten EIS-Signale zur präzisen Nachverfolgung der internen Zelltemperatur. Das BMS gewinnt dadurch Einblicke in die Aufheizung sowie in die Temperaturverteilung innerhalb der einzelnen Zelle und des gesamten Batterie-Packs. Durch höher frequente Messungen werden auch Bereiche der Zelle messbar, die mit Oberflächenthermistoren nur eingeschränkt oder mit langem Zeitverzug erfasst werden können. Unter definierten Randbedingungen lässt sich so die interne Temperaturverteilung abschätzen und das Auftreten kritischer Temperaturgradienten durch ein Zuviel an Kühlung kontrollieren. Das ermöglicht ein schnelles und zugleich sicheres Laden über das gesamte Jahr bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen und über verschiedene Einsatzprofile hinweg.

EIS zur Serienreife führen

Batterie-Packs in Fahrzeugen stellen eine Umgebung mit elektrischen und elektronischen Störeinflüssen dar, in der Verkabelung, Steckverbinder und Leiterplattenlayout Messergebnisse beeinflussen können. Dennoch lassen sich durch bewährte Engineering-Praktiken wie präzise Kalibrierung, durchdachte Platzierung der Messtechnik und synchronisierte Abtastung robuste und verlässliche Messsignale erzielen. Im Kontext von EIS ist insbesondere eine exakte Synchronisierung zwischen Stromanregung und Spannungsmessung entscheidend. Ebenso müssen Verkabelungseinflüsse berücksichtigt und Messergebnisse anhand definierter Referenzwerte validiert werden. An dieser Stelle setzt NXPs Hardware-basierende Synchronisation an, die es ermöglicht, Anregung und Messungen bis in den Nanosekundenbereich präzise und stabil zu koppeln.

Darüber hinaus spielt die Energieeffizienz spielt eine zentrale Rolle. In der Praxis nutzen EIS-Implementierungen vorhandene Leistungselektronikpfade, sodass die für die Messung erforderliche geringe Wechselstromüberlagerung weder Energieverbrauch noch Reichweite nennenswert beeinflusst. Systeme mit durchdachtem Design erlauben Messungen während des Ladevorgangs und – wenn sinnvoll – auch während das Fahrzeug parkt.

Ein EIS-fähiges Batteriemanagementsystem vereint dabei drei wesentliche Vorteile. Erstens erhöht es die Sicherheit beim Schnellladen, indem frühe Anzeichen von Lithium-Plating erkannt und der Ladestrom angepasst werden kann, bevor irreversible Schäden entstehen. Zweitens liefert es ein besseres Verständnis der thermischen Zustände, indem interne Temperaturen abgeschätzt und kritische Temperaturgradienten identifiziert werden. Das könnte mit herkömmlichen externen Sensoren nicht erfasst werden. Drittens wird eine frühzeitige Fehlererkennung möglich, von Auffälligkeiten an Zellanschlüssen bis hin zu kleinen internen Kurzschlüssen. So können Gegenmaßnahmen ergriffen werden, bevor sich diese zu größeren Schäden entwickeln.

In Kombination mit sicherer, Cloud-fähiger Datenanbindung erhalten Flottenbetreiber und Anbieter von Ladeinfrastruktur so belastbare Informationen zum Batteriezustand. Das bildet eine fundierte Grundlage für Garantieabsicherung, Restwertmodelle und die Planung von Zweitnutzungsszenarien.

Die Zukunft des Batteriemanagements wird intelligenter

Der Einsatz von EIS eröffnet neue Möglichkeiten für ein intelligenteres Batteriemanagement. Denn die Technologie ermöglicht eine intelligentere thermische Regelung, adaptive Schnellladegrenzen sowie frühzeitige Sicherheitsmaßnahmen und die Erkennung von Zellabweichungen und Degradationstrends.

Mit der zunehmenden Verbreitung der Technologie entwickelt sich EIS von einem spezialisierten Tool zu einem fest integrierten Bestandteil moderner BMS. So wird es möglich, schneller zu laden, Batterien sicherer zu betreiben und regulatorische Anforderungen auf Basis belastbarer Messdaten, statt auf Grundlage von Schätzungen zu erfüllen. (se)

Elektromobilität

Fraunhofer entwickelt neues Messverfahren für besseres Batteriemanagement

Batterieumgebungen in Elektrofahrzeugen

Batteriemanagementsysteme auf UWB-Basis: Drahtlostechnologie neu gedacht

* Wenzel Prochazka ist Senior Product Manager BMS System Innovation bei NXP Semiconductors.

(ID:50774882)