Zell-Bypass soll E-Auto-Batterien länger nutzbar machen
Eine Studie der Chalmers University of Technology untersucht rekonfigurierbare Batteriepakete, die schwächere Zellen gezielt umgehen können. Unter optimalen Bedingungen könnte sich die Lebensdauer von Batterien in bestimmten Hochvolt-Fahrzeugen dadurch um mehr als 20 Prozent verlängern.
Bild: Chalmers University of Technology | Albert Skegro
Batteriepacks von Elektrofahrzeugen bestehen aus zahlreichen miteinander verbundenen Zellen, die nicht gleich schnell altern. In konventionellen Architekturen kann deshalb eine besonders schwache Zelle die nutzbare Kapazität und Lebensdauer des gesamten Packs begrenzen.
Genau hier setzt die neue Studie von Forschenden der Chalmers University of Technology in Göteborg an. Untersucht wurden sogenannte rekonfigurierbare Batteriepakete, bei denen Schalter und Steuerungssysteme die Verschaltung einzelner Zellen oder Zellgruppen verändern können. Schwächere Zellen lassen sich dadurch gezielt umgehen, während die übrige Kapazität weiter genutzt wird.
Im fortschrittlichsten Fall, bei dem jede Zelle einzeln angesteuert werden kann, verlängert sich die Lebensdauer den Modellrechnungen zufolge in bestimmten Hochvolt-Fahrzeugen um mehr als 20 Prozent. Besonders groß ist das Potenzial laut Studie bei Elektro-Lkw und langstreckentauglichen Elektroautos mit vielen in Reihe geschalteten Zellen.
Rekonfigurierbare Batteriepakete sollen schwache Zellen umgehen
Wie groß der Effekt ausfallen kann, verdeutlichen die Forschenden anhand eines Beispiels mit einer 80-kWh-Batterie und einer jährlichen Fahrleistung von 12.000 Kilometern. Wird ein konventionelles Batteriepaket nach zehn Jahren ersetzt, erreicht das rekonfigurierbare Pack denselben Alterungszustand im Modell erst nach rund elf Jahren, also etwa 14 Monate später.
Hinzu kommt ein höherer Restwert, weil das Pack weniger stark gealtert ist. Zwar erfordert die Technik zusätzliche Elektronik und verursacht damit höhere Anfangskosten. Laut Studie können die längere Nutzungsdauer und der höhere Restwert diese Mehrkosten unter realistischen Bedingungen jedoch ausgleichen.
In Serienfahrzeugen ist die Technik bislang nicht verfügbar. Sie wurde jedoch bereits in Forschungs- und Industrieprototypen getestet. In der Praxis dürfte eher mit Zellgruppen gearbeitet werden als mit einer individuellen Steuerung jeder einzelnen Zelle. Die mehr als 20 Prozent längere Lebensdauer stellen damit einen theoretischen oberen Grenzwert dar.
Neben der Lebensdauer sehen die Forschenden auch Vorteile in der Produktion. Heute müssen Zellen mit möglichst ähnlichen Eigenschaften aufwendig getestet und miteinander kombiniert werden. Rekonfigurierbare Packs könnten größere Unterschiede zwischen den Zellen tolerieren und damit den Aufwand beim sogenannten Cell Matching reduzieren.
Auch für Second-Life-Anwendungen könnte die Architektur Vorteile bieten. Batteriepakete ließen sich länger im Fahrzeug einsetzen und anschließend besser als stationäre Speicher weiterverwenden, weil einzelne schwächere Zellen nicht zwangsläufig das gesamte Pack aus dem Betrieb drängen.
Die schwedische Uni forscht bereits an mehreren Ansätzen zur Verlängerung der Batterielebensdauer. Im Mai hatte ein Team der Hochschule eine KI-gestützte Schnellladestrategievorgestellt, die den Ladevorgang an den Zustand der Batterie anpasst und die Lebensdauer im Modell um rund 23 Prozent verlängern soll. Die nun untersuchte rekonfigurierbare Batteriearchitektur setzt dagegen direkt im Batteriepack an und soll schwächere Zellen gezielt umgehen.
Die Studie mit dem Titel „System-level assessment of dynamic reconfiguration for lifetime and cost outcomes in electric vehicle battery packs“ ist auf nature.com erschienen. Beteiligt waren Forschende der Chalmers University of Technology sowie Vertreter von PHINIA und Scania.