Neue Sensortechnik für E-Auto-Batterien

Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum haben ein neues Konzept für Strom- und Spannungssensoren für Batterien entwickelt, das vor allem für Elektrofahrzeuge interessant sein könnte. Eine E-Auto-Batterie besteht aus einzelnen Blöcken, die jeweils bis zu zwölf Zellen enthalten. Üblicherweise wird jede Zelle mit einem eigenen Spannungssensor überwacht. Das von Philip Dost konzipierte neue System kommt mit einem einzigen Spannungssensor aus – und spart somit erheblich an Gewicht und Kosten.

„Neben den Zellen sind die Sensoren ein wesentlicher Gewichts- und auch Kostentreiber“, erklärt Philip Dost die Relevanz. „Einige Unternehmen aus der Industrie haben schon Interesse an unserer Entwicklung bekundet.“ Das Bochumer System existiert bereits als Laborprototyp. Florian Langner setzte es in seiner Masterarbeit am Institut für Energiesystemtechnik und Leistungsmechatronik um.

E-Auto-Batterien bestehen aus Lithium-Zellen; diese sind leicht brennbar – wie die in Flammen aufgehenden Smartphones des Herstellers Samsung im September 2016 verdeutlichten. Daher muss die Technik in Fahrzeugen kontinuierlich überwacht werden. In E-Auto-Batterien braucht es dazu üblicherweise einen Stromsensor und mehrere Spannungssensoren, nämlich genau so viele, wie einzelne Zellen enthalten sind. Nur so kann man sie alle genau überwachen.

Die Bochumer Entwicklung erlaubt es, mit nur einem Strom- sowie einem Spannungssensor auszukommen, unabhängig von der Anzahl der Zellen. Außerdem übernehmen die beiden Sensoren eine weitere Funktion, die sonst als separate Komponente in die Batterien eingebaut werden muss: das Zell-Balancing. Es sorgt für eine gleichmäßige Energieverteilung in den Zellen.

Beim Auf- und Entladen reagieren nicht alle Zellen gleich; manche sind am Ende mehr geladen als andere. Ist eine der Zellen voll geladen, werden auch alle übrigen nicht weiter geladen. Ist eine der Zellen leer, ist auch aus den anderen Zellen keine Energie mehr verfügbar. Je älter die Zellen werden, desto größer das Problem. Dem wirkt das Zell-Balancing entgegen. Mit ihm liefern auch ältere Zellen noch eine maximale Energieausbeute.

Das Bochumer Messsystem ist skalierbar, kann also in Batterien mit einer unterschiedlichen Anzahl von Zellen Einsatz finden. Es ist nicht nur für Batterien in Elektroautos geeignet, sondern funktioniert auch in einer Reihe von anderen Batterietypen, zum Beispiel in mobilen Geräten wie Tablets oder Laptops, kabellosen elektrischen Werkzeugen, der unterbrechungsfreien Stromversorgung, die etwa für Krankenhäuser wichtig ist, oder in Heimspeichern zum Beispiel für Solaranlagen.

Im nächsten Schritt wollen die Ingenieure der Ruhr-Uni ihren Prototypen detailliert charakterisieren und bewerten. „Wir werden auch einzelne Komponenten austauschen, um die Anforderungen der Automobilbranche einzuhalten“, sagt Dost. (Quelle: RUB)

Link: Elektromobilität-Projekte, Energiesystemtechnik und Leistungsmechatronik (C. Sourkounis), Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Ruhr-Universität Bochum

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