Das Umgehen schwacher Zellen dient dazu, die nutzbare Lebensdauer von EV-Batterien zu verlängern.
Eine Studie der Chalmers University of Technology untersucht rekonfigurierbare Batteriepakete, die in der Lage sind, schwächere Zellen selektiv zu umgehen. Unter optimalen Bedingungen könnte dies die Lebensdauer der Batterien in bestimmten Hochvoltfahrzeugen um mehr als 20 Prozent verlängern.
Bild: Chalmers University of Technology | Albert Skegro
Batteriepakete in Elektrofahrzeugen bestehen aus zahlreichen miteinander verbundenen Zellen, die nicht im gleichen Tempo altern. In herkömmlichen Architekturen kann daher eine besonders schwache Zelle die nutzbare Kapazität sowie die Lebensdauer des gesamten Pakets begrenzen.
Dies ist genau der Bereich, in dem eine neue Studie von Forschern der Chalmers University of Technology ins Spiel kommt. Sie untersucht sogenannte rekonfigurierbare Akkupakete, bei denen Schalter und Steuerungssysteme die Verkabelung einzelner Zellen oder Zellgruppen ändern können. So können schwächere Zellen selektiv umgangen werden, während die verbleibende Kapazität weiterhin genutzt wird.
In dem fortgeschrittensten Fall, bei dem jede Zelle individuell gesteuert werden kann, zeigen Simulationen, dass die Lebensdauer bestimmter Hochvoltfahrzeuge um mehr als 20 Prozent verlängert werden kann. Laut der Studie ist das Potenzial insbesondere für Elektro-Lkw und Langstrecken-Elektroautos mit vielen in Reihe geschalteten Zellen von großer Bedeutung.
Rekonfigurierbare Akkupakete zielen darauf ab, schwache Zellen zu umgehen
Zur Veranschaulichung des Ausmaßes der Wirkung verwenden die Forscher ein Beispiel mit einer 80-kWh-Batterie und einer jährlichen Fahrleistung von 12.000 km. Wird ein herkömmliches Batteriepaket nach zehn Jahren ersetzt, erreicht das rekonfigurierbare Paket im Modell erst nach etwa elf Jahren denselben Alterungsgrad – also rund 14 Monate später.
Zusätzlich ist der Restwert höher, da das Paket weniger gealtert ist. Obwohl die Technologie zusätzliche Elektronik erfordert und somit höhere Anfangskosten verursacht, deuten die Studien darauf hin, dass die längere Nutzungsdauer und der höhere Restwert diese zusätzlichen Kosten unter realistischen Bedingungen ausgleichen können.
Diese Technologie ist noch nicht in Serienfahrzeugen verfügbar. Allerdings wurde sie bereits in Forschungs- und Industrieprotoypen getestet. In der Praxis ist es wahrscheinlicher, dass Zellgruppen verwendet werden statt eine einzelne Zelle separat gesteuert zu werden. Die mehr als 20 Prozent längere Lebensdauer stellt somit eine theoretische Obergrenze dar.
Neben der Verlängerung der Lebensdauer sehen die Forscher auch Vorteile in der Produktion. Derzeit müssen Zellen mit den ähnlichsten Eigenschaften ausführlich getestet und abgeglichen werden. Rekonfigurierbare Packungen könnten größere Unterschiede zwischen Zellen tolerieren und somit die für das sogenannte Zellabgleichen erforderlichen Aufwände verringern.
Die Architektur könnte auch Vorteile für Anwendungen im zweiten Lebenszyklus bieten. Akkupakete könnten länger in Fahrzeugen verwendet werden und anschließend besser als stationäre Speichersysteme wiederverwendet werden, da einzelne schwächere Zellen nicht unbedingt dazu führen müssen, dass das gesamte Paket außer Betrieb genommen wird.
Chalmers forscht bereits an verschiedenen Ansätzen, um die Lebensdauer von Batterien zu verlängern. Im Mai präsentierte ein Team der Universität eine auf KI basierende Schnellladestrategie, die den Ladevorgang an den Zustand der Batterie anpasst und in Simulationen eine Verlängerung der Lebensdauer um etwa 23 Prozent verspricht. Die neu untersuchte, rekonfigurierbare Akkiarchitektur hingegen arbeitet direkt innerhalb des Akkupakets und ist darauf ausgelegt, schwächere Zellen selektiv auszuschalten.