Automotive Diagnose

Ein brandaktuelles Thema in der Automobilindustrie ist die Verbesserung der Energieeffizienz der Fahrzeuge, was zunehmend durch eine Elektrifizierung des Antriebsstrangs erreicht wird, wie es in Elektro- oder Hybridfahrzeugen der Fall ist. Eine Schlüsseltechnologie dabei ist der Energiespeicher an Bord des Fahrzeugs, in der Regel eine Batterie. Wie jede Batterie, so sind auch die aktuell in Elektrofahrzeugen eingesetzten Li-Ionen-Batterien nicht immun gegen Alterungserscheinungen. Da sie die teuerste Komponente eines Elektrofahrzeugs darstellen, wird es in Zukunft immer wichtiger werden, gut über ihren aktuellen Zustand und die zu erwartende Restlebensdauer informiert zu sein. Diese Informationen können sowohl für den Fahrzeugbesitzer als auch für den Käufer eines gebrauchten Elektrofahrzeugs interessant sein. Eine Schlüsselrolle im Umgang mit E-Fahrzeugen und deren Batterien wird daher in Zukunft der Batteriediagnose zufallen.

Eine gute Batteriediagnose sollte möglichst schnell Auskunft über den SOH (State-of-Health) der Batterie geben können und ohne zeitaufwendige Prüfschritte wie vollständiges Laden/Entladen auskommen.
State-of-Health: „Gesundheits“-/Alterungszustand. Die Definition des Batteriezustands erfolgt meist über die verbleibende Restkapazität bezogen auf die Nominalkapazität (z. B. bei SOH 80 % sind noch 80 % der ursprünglichen Kapazität nutzbar). Manchmal werden auch weitere Alterungseffekte wie der Anstieg des Innenwiderstands als Kriterium für den SOH verwendet.

Die Untersuchung der Alterungsmechanismen von Li-Ionen-Batterien sowie die Entwicklung von geeigneten Diagnoseverfahren ist daher Thema einer Industriepromotion, die im Rahmen einer Kooperation aus der Robert Bosch GmbH, der Technischen Universität Belfort (Frankreich) und der Hochschule Karlsruhe durchgeführt wird.

 

Funktionsprinzip einer Li-Ionen-Batterie:

Batterien speichern elektrische Energie in Form von chemischer Energie. Das Grundprinzip aller Batterien ist die sog. „galvanische Zelle“ zwei unterschiedliche, elektrisch leitende Materialien (Elektroden) sind durch ein isolierendes Material getrennt (Separator) und durchdrungen von einer elektrolytischen, ionisch leitfähigen Lösung. Jedes Elektrodenmaterial hat sein eigenes Standardpotenzial, das die Tendenz des Materials beschreibt, Elektronen aufzunehmen. Aus der Differenz der beiden Standardpotenziale ergibt sich die Zellspannung. Die Elektrode mit dem höheren Standardpotenzial wird beim Entladen auch Kathode genannt und allgemein als Pluspol bezeichnet, während die zweite Elektrode die Anode oder den Minuspol darstellt. Am Beispiel einer Lithium-Ionen-Zelle ist dies in der nebenstehenden Abbildung dargestellt.

 

Messung des elektrischen Verhaltens der Batterie:

In der Elektrotechnik werden Batterien allgemein als Ersatzschaltbilder dargestellt. Ein häufig anzutreffendes Ersatzschaltbild ist in der Abbildung links dargestellt. Eine Gleichspannungsquelle OCV ist dabei in Reihe mit einem Widerstand und einem oder mehreren RC-Gliedern geschaltet. Die Leerlaufspannung OCV (Open Circuit Voltage) bildet eine Funktion des Ladezustands SOC (State-of-Charge) ab und hängt oft von weiteren Parametern ab, wie der Temperatur oder dem Strom.

 

Eine Batteriezustandsbestimmung kann im ersten Schritt die Parameter einer Batterie in unbekanntem Zustand – bezogen auf ein ausgewähltes Modell – beschreiben. Das System kann durch eine Anregung in Form eines definierten Stromimpulses und gleichzeitigem Messen der Spannungsantwort charakterisiert werden. Das transiente Verhalten im Zeitbereich kann beispielsweise durch das Messen der Sprungantwort analysiert werden, wie in Abbildung 3 dargestellt. Die Batterie wird in diesem Beispiel über die Zeitspanne Δ t = 80 s mit einem Strom von 25 A entladen.

Die Sprungantwort lässt sich im Wesentlichen in einen unmittelbaren Spannungsabfall U1 und einen transienten Spannungsabfall U2 aufteilen:

Häufig werden mehrere RC-Glieder zur Modellierung der Batterie in Form eines Ersatzschaltbilds verwendet, wobei oben exemplarisch nur eines dargestellt ist. Amplitude und Zeitkonstanten sowie die zu ermittelnden Parameter Rint, Ri und Ci geben Auskunft über den Alterungszustand der Batterie.

 

Ansprechpartner

Christian Schlasza

E-Mail: Christian.Schlaszaspam prevention@de.bosch.com

 

Prof. Dr.-Ing. Reiner Kriesten

Tel.: +49 (0)721 925 1423
E-Mail: reiner.kriestenspam prevention@hs-karlsruhe.de