Die Reichweite der Batteriekapazität ist für den Einstieg in die Elektromobilität ein zentrales Entscheidungskriterium. Kaum ein System schafft im Dauerbetrieb die von den Herstellern versprochene Leistung. Eine der Ursachen dafür ist, dass gängige Akku-Systeme ihr Potenzial nicht voll ausnutzen. Mit einem »Technik-Add-On« können Batteriezellen nun intelligent vernetzt werden und ihre Speicherressourcen optimal managen.

Akkus versorgen Smart-Watch, Handy, Videokamera oder Tablet und Laptop zuverlässig mit Energie. In der Regel über Jahre hinweg. Von den kompakten Stromspeichern profitieren aber längst nicht mehr nur mobile Elektronikgeräte. Lithium-Ionen-Batterien werden auch in den »Großeinsatz« geschickt – als Energietank für Elektrofahrzeuge und zur Speicherung von Sonnen- oder Windstrom in Haushalten und Unternehmen. Zum Einsatz in der mit verhältnismäßig geringem Strom auskommenden Mobilelektronik gibt es dabei allerdings einen entscheidenden Unterschied: Fahrzeuge und Gebäudeelektrik benötigen hohe Stromstärken mit einer Spannung bis zu 400 Volt. Damit die Speichersysteme diese hohen Anforderungen erfüllen können, werden viele einzelne Batteriezellen hintereinander geschaltet.

Herkömmliche Batteriearchitekturen erreichen die volle Spannungs- und Leistungssumme allerding nur unter der Voraussetzung, dass alle Zellen des Schaltverbundes gleich gut arbeiten. Das allerdings funktioniert in der Praxis weit weniger reibungslos, als gemeinhin erwartet wird. »Zumindest auf Dauer bieten Batterien nicht die theoretisch zu erwartende Leistung« erklärt Dr. Peter Spies vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS. Denn die verfügbare Batteriekapazität bemesse sich nicht aus der Summe der individuellen Maximalleistung der Einzelzellen, sondern wird vom schwächsten Glied des Zellenverbunds bestimmt. Altert eine einzelne Batteriezelle vorzeitig und erreicht so beispielsweise nur noch 80 Prozent ihrer Anfangskapazität, reduziert das die verfügbare Kapazität des gesamten Energieträgers ebenfalls um 20 Prozent – obwohl die anderen Zellen noch »voll im Saft« stehen. Unterschiede beim Laden und Entladen der Zellen ergeben sich zudem auch durch Fertigungstoleranzen, ungleiche Temperaturen oder unterschiedliche Selbstentladung.

Batteriezellen intelligent managen

Mit dem am Fraunhofer IIS entwickelten Batteriemanagement-System »FlexBMS« wird es nun möglich, die Gesamtkapazität komplexer Batteriesysteme unabhängig von der Performance der Einzelzellen in vollem Umfang zu nutzen. Es macht – vereinfacht gesagt – die vormals passiven einzelnen Batteriezellen kommunikationsfähig und intelligent. »An jeder einzelnen Batteriezelle wird ein ›Cell Management Controller ‹ angebracht. Dieser misst kontinuierlich Spannung und Temperatur der Zelle und kommuniziert über einen digitalen Bus mit den anderen Zell-Controllern und einer übergeordneten Management-Einheit«, sagt Spies. Dieser zentrale »Batterie Management Controller« ist je Speichersystem nur einmal erforderlich. Er überwacht und steuert das Gesamtsystem und übernimmt je nach Einsatzort die Kommunikation mit dem Schaltschrank oder Elektrofahrzeug. Das neu entwickelte Managementsystem ist nicht nur bei neuen Batteriekonzepten einsetzbar. Auch derzeit handelsübliche Akkuzellen lassen sich mit der intelligenten Systemsteuerung nachrüsten und zu flexiblen Speichersystemen zusammenstellen.

Flexible Batteriearchitektur

Über den zentralen Batterie Management Controller können beliebig viele Einzelzellen zu einem Speichersystem kombiniert werden. Welche und wie viele Zellen dabei in Serie oder parallel geschaltet werden, lässt sich flexibel festlegen. Ein Batteriesystem, das einen Haushalt rund um die Uhr mit Photovoltaikstrom versorgen soll, kann also während seiner Lebenszeit immer wieder auf den aktuellen Energiebedarf abgestimmt werden.

Volle Kapazität ausnutzen

Um die Tiefentladung einzelner Batteriezellen zu vermeiden, wird der Entladevorgang des Batteriesystems üblicherweise bereits dann gestoppt, wenn die erste Zelle einer Serienschaltung ihren minimalen Ladezustand erreicht hat. Das gefürchtete »Zerstören« der Batteriezelle und damit ein Defekt des gesamten Akkus wird so zuverlässig verhindert. FlexBMS gewährleistet durch »aktive Zellsymmetrierung« dass dennoch die volle Akku-Kapazität genutzt werden kann. Die Ladezustände der Einzelzellen werden dabei kontinuierlich ausbalanciert. »Jeder Zell-Controller steht dafür mit seinen unmittelbaren Nachbarzellen in Kontakt. Dadurch wird es möglich, Energie von stärker geladenen Zellen gezielt in schwächer geladene zu transferieren«, unterstreicht Spies. Auch haben Kapazitätsunterschiede bei den Einzelzellen keine Auswirkungen mehr auf die Gesamtleistung eines Batteriesystems. »Das erleichtert bereits die Produktion, da es nicht mehr darauf ankommt. dass jede Zellen möglichst die gleiche Performance bringt«, so Spies. Und wenn eine Zelle wirklich nicht mehr nutzbar ist, wird es problemlos möglich, sie einfach auszutauschen. (stw)

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