Fraunhofer-Technologie bringt Batteriediagnose auf neues Niveau – längere Lebensdauer und höhere Sicherheit für Batterien

© Fraunhofer IFAM

Bremen - Leistungsfähige und sichere Batterien sind ein zentraler Baustein für den Erfolg der Elektromobilität. Ein neuartiges Messverfahren ermöglicht ein optimiertes Batteriemanagement in E-Autos und hilft so, sie sicherer zu machen und ihre Lebensdauer zu verlängern. Damit könnten Batterien künftig auch für sicherheitskritische Anwendungen genutzt werden.

Ein neues Echtzeit-Messverfahren des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (Fraunhofer IFAM) soll Batterien langlebiger gestalten, ihren Betrieb sicherer machen und neue Anwendungen ermöglichen. Mittels dynamischer Impedanzspektroskopie analysieren Forschende Batteriezellen nun direkt im Betrieb. Das Verfahren erkennt frühzeitig Defekte, senkt thermische Risiken und macht E-Akkus fit für kritische Anwendungen wie Luftfahrt. Auch bei Ladestationen für E-Autos ergeben sich Vorteile.

Dynamische Impedanzspektroskopie: Revolution im Batteriemanagement
Die Anforderungen an moderne Batteriesysteme wachsen – insbesondere in der Elektromobilität, der Energiewende und zunehmend auch in der Luftfahrt. Fraunhofer IFAM hat eine Technologie entwickelt, die das Management von Batteriezellen entscheidend verbessern kann: die dynamische Impedanzspektroskopie. Sie ermöglicht eine Zustandsanalyse der Batterie während des laufenden Betriebs – und zwar in Echtzeit.

„Die dynamische Impedanzspektroskopie eröffnet neue Möglichkeiten bei der Optimierung des Batteriemanagements und verlängert damit die Lebensdauer der Batterien. Zudem macht sie den Weg frei für den Einsatz der Batterien in sicherheitskritischen Anwendungen“, erklärt Projektleiter Dr. Hermann Pleteit. Bisher war diese hochpräzise Messmethode nur im Ruhemodus möglich – mit vergleichsweise langen Messzeiten.

Intelligente Diagnostik statt Schätzwert
Der Kern des neuen Verfahrens ist ein überlagertes Mehrfrequenz-Prüfsignal, das der Batterie während des Ladens oder Entladens zugeführt wird. Durch die Analyse der Antwortsignale von Strom und Spannung lassen sich präzise Rückschlüsse auf den Ladezustand (SOC), die Zellgesundheit (SOH) sowie potenzielle Sicherheitsrisiken ziehen. Die Datenaufnahme erfolgt mit bis zu einer Million Messungen pro Sekunde – ein extrem hochauflösendes Verfahren.

Da dabei enorme Datenmengen entstehen, war eine intelligente Datenreduktion nötig. „Wir haben Algorithmen entwickelt, die die Datenmengen vor der Analyse deutlich reduzieren, ohne dabei die Informationen zu verfälschen“, so Pleteit.

Sicherheit durch Früherkennung - Erhitzte Zellen schnell abschalten
Ein besonders kritischer Aspekt ist die Temperaturkontrolle: Anstatt auf externe Temperatursensoren auf der Außenhülle der Batterie zu setzen, die thermische Probleme nur mit Verzögerung registrieren, erlaubt die neue Methode die indirekte Messung der Zelltemperatur über Impedanzdaten. Erkennt das System lokale Überhitzung, kann es gezielt eingreifen – etwa durch das Abschalten einzelner Zellen.

Das ist nicht nur für Elektrofahrzeuge relevant, sondern auch für Schnellladestationen: Hier kann das Batteriemanagement automatisch zwischen schnellem und schonendem Laden wählen. Während des Zwischenstopps an der Raststätte lädt das Batteriemanagement zügig auf, sorgt aber auch dafür, dass keine gefährlichen Temperaturspitzen entstehen und die internen Komponenten nicht übermäßig belastet werden. Steht das Auto für mehrere Stunden an der Ladesäule, dann lädt das Managementsystem die Batterie langsam und schonend auf, um deren Lebensdauer zu verlängern.

Fit für Luftfahrt und Erneuerbare
Die Einsatzmöglichkeiten der Technologie reichen weit über klassische E-Mobilität hinaus. „Solche Systeme könnten etwa in umweltfreundlichen Elektroflugzeugen eingesetzt werden. Dieser Markt beginnt sich gerade zu entwickeln. Auch in der Schifffahrt zeigen die Hersteller Interesse“, so Pleteit. Zudem profitieren Energieversorger, die Batteriespeicher für Wind- oder Solarstrom betreiben: Sie erhalten mit der Echtzeit-Analyse eine stabile und verlässlich steuerbare Lösung.

Ein weiteres Plus: Das Verfahren ist nicht auf die derzeit gängigen Lithium-Ionen-Akkus beschränkt. Auch neue Zellchemien wie Feststoff-, Natrium-Ionen- oder Lithium-Schwefel-Batterien lassen sich mit der dynamischen Impedanzspektroskopie überwachen – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer flexiblen, sicheren und nachhaltigen Batteriezukunft.