Methoden und Kompetenzen - Batteriediagnostik

Die Batteriediagnostik befasst sich mit der Ermittelung von Zustandsgrößen der Batterie im Betrieb. Diese Zustandsgrößen sind zum Beispiel der Ladezustand SOC (engl. state of charge), der angibt wie voll die Batterie zum momentanen Zeitpunkt ist und der SOH (engl. state of health) der den momentanen "Gesundheitszustand" der Batterie beschreibt. Eine dabei wichtige Größe ist z.B. die Ladungsmenge, die die Batterien nach einigen Jahren im Betrieb noch maximal speichern kann. Für viele Anwendungen ist vor allem die Fähigkeit der Batterie, eine bestimmte Anforderung zu erfüllen, entscheidend. Dies bezeichnet man als häufig als SOF (engl. state of function). Ein Beispiele hierfür ist die Startfähigkeit, d.h. das Vermögen der Batterie, die für einen Start des Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug notwendige Leistung zur Verfügung zu stellen. Insbesondere im Automobil-Bereich gewinnt die Batteriediagnose zunehmend an Bedeutung.

Die steigende Belastung der Starterbatterie durch eine wachsende Anzahl elektrischer Verbraucher und die steigende Sicherheitsrelevanz der elektrischen Versorgung im Fahrzeug machen ein intelligentes Management der elektrischen Energieflüsse im Fahrzeugbordnetz unumgänglich. In vielen Fahrzeugen der Oberklasse sind heute schon sogenannte Energie- oder Batteriemanagement-Systeme im Einsatz, die diese Aufgabe übernehmen. Mit der Einführung der Hybrid-Technik nimmt sowohl die Belastung als auch die Bedeutung der Batterie im Fahrzeug dramatisch zu.

Die Stellmöglichkeiten für ein Energiemanagement im Fahrzeug sind in der Regel sehr begrenzt. Zum einen kann durch die Anpassung der Ausgangspannung der Lichtmaschine die Bereitstellung von elektrischer Energie gesteuert werden, zum anderen kann durch ein zeitweises Abschalten von unkritischen elektrischen Verbrauchern, das so genannte Lastmanagement, die Belastung der Batterie reduziert werden.

Am ISEA werden bereits seit einigen Jahren Algorithmen und Messverfahren zur Batteriediagnostik entwickelt, meist in Kooperation mit Projektpartnern aus der Automobilindustrie. Neben Kraftfahrzeugen sind aber auch stationäre Anwendungen wir unterbrechungsfreie und netzferne Stromversorgungen oder auch Traktionsanwendung wichtige Anwendungsbereiche für Batteriediagnostik. Verfahren zur Bestimmung von SOC und SOH kombinieren hierbei klassische Verfahren wie die Ah-Bilanz und die Ruhespannungsauswertung mit weiteren stützenden Verfahren und Modellen, die z.B. auf Expertensystemen oder selbstlernenden Algorithmen basieren können. Durch diese Kombination und die konsequente Berücksichtigung von Fehlergrenzen der Messtechnik und der Algorithmen ergibt sich eine hohe Robustheit und Fehlertoleranz. Die Verfahren sind in ihrem Aufbau leicht auf verschiedene Batterietechnologien übertragbar und wurden bereits für Blei-, LiIonen- und NiMH-Batterien implementiert. Je nach Batterietechnologie sind spezifische Ergänzungen der Modelle notwendig, um z.B. die Ruhespannungs-Hysterese der NiMH-Batterie oder das Gasungsverhalten der Bleibatterie zu berücksichtigen.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Entwicklung der impedanzbasierten Echtzeit-Diagnose. Durch ein spezielles Messverfahren kann der komplexe Innenwiderstand einer Batterie oder eines Doppelschichtkondensators im Betrieb bestimmt werden, indem die vorhandenen Stromschwankungen ausgewertet werden. Auf Basis dieser Werte kann z.B. die Startfähigkeit einer Bleibatterie oder der SOH eines Doppelschichtkondensators bestimmt werden.