Thema: Charakterisierung und Modellierung von Lithium-Ionenzellen für die Temperaturbestimmung in Batteriemanagementsystemen ohne Temperatursensoren

Finanzierung: Ministerium für Wirtschaft, Verkehr, Arbeit, Technologie und Tourismus des Landes Schleswig-Holstein mit Landesmitteln nach Maßgabe der FIT-Richtlinie

Forschungskennzahl: 123 20 012

Fördersumme: 380.460 €

Laufzeit: 01.01.2020 bis 30.06.2023

Projektleiter: Prof. Dr. Christoph Weber

Kurzfassung: Die Zustandsüberwachung und -diagnose von Batteriezellen sind die wichtigsten Funktionalitäten, die für den Betrieb von Hochleistungsbatterien zur Verfügung gestellt werden müssen. Die Lithium-Ionen-Technik gilt dabei als ein Hoffnungsträger, wenn es darum geht, möglichst viel elektrische Energie auf kleinem Volumen zu speichern. Im Hinblick auf die Diagnosefähigkeit kommt es auf eine einfache Analyse der wichtigsten Zustände der Zellen an, da die Analyse häufig in sog. Batteriemanagementsystemen (BMS) implementiert werden muss.

Handelsübliche BMS nutzen zur Bestimmung der Temperatur geeignete Temperaturfühler, die mittels Verkabelungen von außen an der Anode der Batterie die Temperatur messen. Ziel des Projektes ist, zuverlässig die wichtige Zustandsgröße Temperatur der Zelle anhand von Impedanzmessungen und weiteren Merkmalen erfassbar zu machen, um auf Temperatursensoren verzichten zu können. Mit Hilfe der Impedanzspektroskopie wird ein frequenzselektives Stromsignal auf die untersuchte Zelle geführt und die Spannungsantwort gemessen. Das daraus berechenbare Impedanzspektrum erlaubt einen „von außen“ durchführbaren Einblick in die elektrochemischen Vorgänge der Batterie. Aus den Messkurven wird so für jeden Impedanzverlauf und für weitere statistisch erfahrbare Größen ein Merkmalsdatensatz gewonnen. Als Ergebnis wird ein auf maschinellem und selbstlernendem Verfahren beruhendes Modell entwickelt, dass für den betrachteten Zellmodelltyp eine exakte Bestimmung der Zellkerntemperatur unabhängig von der Einbausituation der Zelle erlaubt.

Neben dem Assemblierungsaufwand ist damit eine Lösung geschaffen, welche die Sicherheit des gesamten Batteriesystems deutlich verbessert, da der Ausfall vieler Temperatursensoren nicht mehr in Betracht gezogen werden muss. Des Weiteren lässt die exakte Kenntnis der Zellkerntemperatur den Einsatz auch in kritischen Situationen zu, wo große Leistungen aus der Batterie angefordert werden.