Kieler Forscher bringen Batterien „sprechen“ bei
Forscher aus Kiel entwickeln „sprechende“ Batterien: Sensordaten werden ohne Zusatzleitungen über Stromanschlüsse übertragen – für sicherere, effizientere Energiespeicher.
Die grüne Platine enthält den elektronischen Schaltkreis, mit dem die Forschenden Sensordaten über die vorhandenen Stromanschlüsse einer Batteriezelle übertragen. Die Batteriezelle befindet sich im Hintergrund.
Foto: Christina Anders, Uni Kiel
Batterien könnten künftig genauer melden, was in ihrem Inneren passiert. Forschende der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben ein Kommunikationsprinzip entwickelt, mit dem Sensordaten aus einer Batteriezelle über die bereits vorhandenen Stromanschlüsse übertragen werden können. Zusätzliche Datenleitungen wären dafür nicht nötig.
Das Team spricht von einer „sprechenden Batterie“. Gemeint ist keine Funkverbindung und auch kein eigenes Kommunikationskabel. Die Batterie verändert vielmehr gezielt ihr elektrisches Verhalten. Diese Veränderung kann außerhalb der Zelle erkannt und ausgewertet werden. So lassen sich Messwerte aus dem Inneren einer Zelle an die Leistungselektronik übertragen, die ohnehin für das Laden und Entladen zuständig ist.
Vorgestellt wurde das Konzept von Johannes Diers und Dr. Hamzeh Beiranvand vom Lehrstuhl für Leistungselektronik der CAU in der Fachzeitschrift „Communications Engineering“.
Inhaltsverzeichnis
Warum Messwerte aus dem Zellinneren wichtig sind
Batteriesysteme in Elektroautos, Heimspeichern oder großen stationären Speichern bestehen aus vielen einzelnen Zellen. Ein Batteriemanagementsystem überwacht unter anderem Spannung, Strom und Temperatur. Die Temperatur wird dabei häufig an der Außenseite einer Zelle erfasst.
Das ist technisch naheliegend, hat aber eine Schwäche: Kritische Veränderungen entstehen nicht zwingend zuerst an der Oberfläche. Gerade bei größeren Zellen kann die Temperatur im Inneren früher und stärker steigen als außen messbar ist. Die Fachpublikation verweist darauf, dass externe Temperaturmessungen bei großen Zellformaten nicht immer genaue und verzögerungsfreie Informationen über die Kerntemperatur liefern.
Interne Sensoren wären deshalb hilfreich. Sie könnten näher dort messen, wo Wärme entsteht. Bislang bringen sie aber ein praktisches Problem mit sich: Die Sensordaten müssen aus der Zelle heraus. Dafür werden zusätzliche Elektronik, Schnittstellen oder Datenleitungen benötigt. In einer Batteriezelle ist Bauraum jedoch knapp. Außerdem erhöhen zusätzliche Leitungen und Komponenten Aufwand und Kosten.
Datenübertragung über vorhandene Stromanschlüsse
Das Kieler Konzept setzt genau an diesem Punkt an. Die Forschenden nutzen die Stromanschlüsse der Batteriezelle nicht nur für den Energiefluss, sondern auch für die Datenübertragung. Ein kleiner elektronischer Schaltkreis wird mit einem Sensor verbunden. Im Versuch war es ein Temperatursensor.
Die Messwerte werden digitalisiert und anschließend über die vorhandenen Batterieanschlüsse nach außen übertragen. Dazu verändert der Schaltkreis die Impedanz der Zelle in einem definierten Muster. Diese Änderung beeinflusst den Stromrippel, der durch die Leistungselektronik entsteht. Von außen lässt sich daraus rekonstruieren, welche Daten der Sensor übermittelt.
Technisch basiert das Verfahren auf Load Shift Keying. Ein schaltbarer LC-Resonanzkreis wird parallel zu den Batterieklemmen eingebunden. Wird dieser Kreis ein- oder ausgeschaltet, verändert sich das elektrische Verhalten der Zelle. Die Leistungselektronik erkennt diese Veränderung im Signal und kann daraus Bits ableiten.
Die Batterie sendet also nicht aktiv per Funk. Sie nutzt einen bereits vorhandenen elektrischen Pfad und verändert ihr Verhalten so, dass die angeschlossene Elektronik die Information lesen kann.
Im Versuch mit Lithium-Eisenphosphat-Zellen getestet
Die Forschenden validierten das Prinzip mit Lithium-Eisenphosphat-Zellen. In einem Versuch nutzten sie eine kommerzielle 100-Ah-Zelle. Dabei befand sich die Sensorik noch außerhalb der Zelle. In einem zweiten Aufbau bauten sie eine Demonstrationszelle mit sechs parallel geschalteten LFP-Zellen auf. Dort wurde der miniaturisierte Sender in das Zellgehäuse integriert.
Die Datenrate lag in den Experimenten bei 232 bit/s, die effektive Bandbreite bei 153 bit/s. Für umfangreiche Datenübertragung ist das wenig. Für Temperaturwerte oder einfache Zustandsinformationen reicht eine solche Datenrate grundsätzlich aus.
Die Übertragung funktionierte auch während eines Stromflusses. Im externen Versuchsaufbau wurden Daten bei einem Batteriestrom von rund 10,32 A übertragen. Im internen Demonstrationsaufbau war eine Übertragung auch bei 12 A möglich. Damit zeigt die Arbeit nicht nur ein Signal im Ruhezustand, sondern eine Datenübertragung während eines realistischeren Betriebszustands.
Das Prinzip der „sprechenden Batterie“
- Entwickelt von: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Lehrstuhl für Leistungselektronik
- Fachpublikation: Johannes Diers und Hamzeh Beiranvand, „Talkative battery“, Communications Engineering
- Getestete Zellchemie: Lithium-Eisenphosphat-Zellen
- Messgröße im Versuch: Temperatur
- Übertragungsweg: vorhandene Stromanschlüsse der Batteriezelle
- Kommunikationsprinzip: Load Shift Keying über gezielte Impedanzänderung
- Datenrate im Versuch: 232 bit/s, effektiv 153 bit/s
- Möglicher Vorteil: interne Sensordaten ohne zusätzliche Datenleitungen
- Status: Laborprinzip, noch keine serienreife Fahrzeug- oder Speicherlösung
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Was das für Batteriemanagementsysteme bedeuten könnte
Der wichtigste Vorteil liegt in der Vereinfachung der Sensoranbindung. Werden Sensordaten über vorhandene Stromanschlüsse übertragen, könnten separate Datenleitungen entfallen. Das spart Bauraum, Material und Montageaufwand. Nach einer ersten Kostenabschätzung des CAU-Teams könnte das System gegenüber Lösungen mit separaten Sensorleitungen rund 35 % günstiger sein.
Für Batteriemanagementsysteme wäre vor allem die zusätzliche Information aus dem Zellinneren interessant. Erkennt ein System Temperaturveränderungen früher, kann es Lade- oder Entladeströme anpassen, Kühlung aktivieren oder die Zelle aus dem Betrieb nehmen. Das macht eine Batterie nicht automatisch sicher. Es kann aber die Datengrundlage verbessern, auf der Schutzfunktionen arbeiten.
Die Forschenden sehen den Ansatz deshalb als Schritt zu intelligenteren Batterien. Beiranvand spricht von einem ersten Schritt hin zu Batterien, die ihren Zustand kontinuierlich überwachen und melden können.
Nicht nur Temperatur denkbar
Experimentell gezeigt wurde das Verfahren mit Temperatursensoren. Die Forschenden halten das Prinzip jedoch nicht darauf beschränkt. Auch Druck-, Gas- oder andere Sensoren könnten nach Einschätzung des Teams grundsätzlich auf ähnliche Weise Messwerte über die Batterieanschlüsse übertragen.
Das ist ein wichtiger Unterschied: Die Kieler Arbeit zeigt nicht, dass eine Batterie bereits Gasbildung im Betrieb erkennt und meldet. Sie zeigt ein Kommunikationsprinzip, das zunächst mit Temperaturdaten validiert wurde. Weitere Sensortypen sind eine mögliche Erweiterung.
Interessant wäre das vor allem für neue Zellchemien und neue Batteriematerialien. Interne Sensordaten könnten dabei helfen, Vorgänge in der Zelle besser zu verstehen. Das betrifft nicht nur Sicherheitsfragen, sondern auch Alterung, Leistungsfähigkeit und Materialentwicklung.
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