Die Lösung dafür, dass die Batterie eines Elektroautos länger hält, könnte darin liegen, einige Zellen abzuschalten.
Die Batterien von Elektroautos bestehen aus Hunderten oder Tausenden von Zellen, die nicht gleichmäßig altern. Im Laufe der Zeit verlieren einige von ihnen ihre Kapazität schneller als andere, und dieser Unterschied kann letztendlich die Leistung des gesamten Systems einschränken. Ein schwedisches Forschungsteam arbeitet an einer Lösung, die den Einfluss dieses ungleichen Verschleißes verringern könnte, ohne die gesamte Batterie ersetzen zu müssen.
Der Vorschlag besteht darin, die Art und Weise zu ändern, wie sich die Zellen während des Betriebs miteinander verbinden. Mithilfe elektronischer Schalter sowie eines Steuerungssystems, das die Verbindungen anpassen kann, könnte die Batterie aufhören, von den am stärksten abgenutzten Zellen abhängig zu sein, und besser von denen nutzen, die noch einen großen Teil ihrer Kapazität beibehalten. Eine Lösung, die insbesondere in Elektrofahrzeugen mit großer Reichweite sowie bei Elektrolastwagen von Interesse sein könnte.
Die am stärksten abgenutzten Zellen trennen, um die Batterie besser zu nutzen
In einer herkömmlichen Batterie sind die Zellen nach einer bestimmten elektrischen Anordnung miteinander verbunden. Obwohl nicht alle Zellen im gleichen Maße unter dem Einfluss der Zeit oder der gefahrenen Kilometer leiden, können diejenigen, die zuerst an Leistung verlieren, die nutzbare Energie der gesamten Batterie einschränken. Das ist einer der Gründe, warum ein Verschleiß eines Teils der Batterie letztendlich die verfügbare Reichweite beeinträchtigen kann, selbst wenn die übrigen Zellen noch einen relativ guten Zustand aufweisen.
Die von Forschern der Technischen Universität Chalmers in Schweden untersuchte Architektur zielt darauf ab, dieses Problem mit einer umkonfigurierbaren Batterie zu lösen. Das System verfügt über elektronische Schalter, die es ermöglichen, Zellen mit schlechterem Verhalten abzuschalten und die Verbindungen so anzupassen, dass die verbleibenden Zellen weiterhin funktionieren. Auf diese Weise würde eine verschlechterte Zelle nicht mehr unbedingt die Leistung der gesamten Batterie einschränken.
Zur Bewertung des Vorschlags griff das Team auf experimentell validierte Batteriemodelle sowie großskalige Simulationen zurück. Die Forscher analysierten verschiedene Chemien, elektrische Konfigurationen, Einsatzbedingungen und Alterungsverläufe, einschließlich von Unterschieden zwischen Zellen, mithilfe von 1.000 Monte-Carlo-Simulationen für jedes Szenario. Die Arbeit umfasste außerdem 20 repräsentative Modelle von Elektrofahrzeugen von 15 verschiedenen Herstellern.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die potenzielle Verbesserung im Allgemeinen mit der Spannung der Batterie zunimmt. Dadurch kann diese Technologie besonders interessant für Fahrzeuge mit vielen in Reihe geschalteten Zellgruppen sein, wie beispielsweise Elektroautos mit großer Reichweite und Lastwagen. Um jedoch den maximalen Nutzen zu erzielen, wäre es notwendig, jede Zelle individuell zu steuern, was Komplexität und Kosten mit sich bringen würde. Deshalb würde eine kommerzielle Anwendung voraussichtlich auf die Steuerung von Zellgruppen zurückgreifen, um das System in angemessenen Grenzen zu halten.
Bis zu 14 Monate länger, bevor die Batterie ausgetauscht werden muss
Eines der von den Forschern analysierten Beispiele verwendet eine Batterie mit einer Kapazität von 80 kWh. In diesem Szenario würde ein Fahrzeug, das jährlich etwa 12.000 Kilometer zurücklegt, nach zehn Jahren den für herkömmliche Batterien vorgesehenen Austauschzeitpunkt erreichen. Dies geschieht nicht aufgrund eines Funktionsfehlers, sondern wegen des Verlusts der Kapazität und somit auch der Reichweite. Mit dem umkonfigurierbaren System würde dieser Zeitpunkt aufgrund einer besseren Nutzung der Zellen, die einen günstigeren Zustand aufweisen, um etwa 14 Monate hinausgezögert werden.
Die Studie prüfte außerdem, ob eine verlängerte Lebensdauer die zusätzlichen Kosten für die Elektronikkomponenten ausgleichen könnte. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Vorschlag für Batterien mit mehr als 50 kWh Kapazität sowie bei relativ moderaten jährlichen Fahrleistungen wirtschaftlich sinnvoll sein kann, vorausgesetzt die anfänglichen Mehrkosten bleiben unter 7,16 %. Eine längere Lebensdauer könnte zudem dazu beitragen, den Restwert des Fahrzeugs zu erhalten, wobei dieser Effekt von den tatsächlichen Nutzungsumständen und dem Gebrauchtwagenmarkt abhängt.
Ein weiterer potenzieller Vorteil wäre die Verringerung der Notwendigkeit, während der Herstellung die Zellen so präzise auszuwählen und zueinander in Beziehung zu setzen. Wenn sich das System an die im Laufe der Zeit auftretenden Leistungsunterschiede anpassen kann, hätten die Hersteller mehr Spielraum, um Schwankungen zwischen den einzelnen Zellen zu bewältigen. Zudem könnte diese Architektur durch die Möglichkeit, Zellen mit verbleibender Nutzkapazität länger zu nutzen, die Wiederverwendung von aus Fahrzeugen entnommenen Batterien für stationäre Energiespeichermanagementanwendungen erleichtern.
Es ist jedoch ratsam, die Ergebnisse in den richtigen Kontext zu setzen. Eine Verbesserung von über 20 % stellt unter optimalen Bedingungen eine theoretische Obergrenze dar und keine garantierte Vorteil für jedes Elektroauto. Obwohl die Technologie bereits durch Forschungsarbeiten und Tests mit industriellen Prototypen erprobt wurde, ist sie noch nicht in Serienfahrzeugen verfügbar. Um herauszufinden, wie sehr die Lebensdauer erhöht werden kann und ob der erzielte Energieeinsparung die zusätzliche Komplexität ausgleicht, sind langfristige Tests unter realen Bedingungen erforderlich.
Die Studie, die in Zusammenarbeit mit Unternehmen aus der Branche wie Scania und PHINIA durchgeführt wurde, ist in der wissenschaftlichen Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht worden. Sollten sich die Ergebnisse auf Nutzfahrzeuge übertragen lassen, könnte diese Lösung zu einem neuen Weg zur Senkung der Besitzkosten von Elektroautos werden: Anstatt sich ausschließlich auf die Verbesserung der Chemie der Zellen zu verlassen, ließe sich auch die Lebensdauer durch eine intelligente Stromverwaltung verlängern.
Quelle | Nature