Elektroautos: Batterie mit Köpfchen

Ein Elektroauto ist nur so gut wie seine Batterie. Jetzt haben Forscher einen Stromspeicher entwickelt, der länger hält und dadurch mehr Reichweite bringt. Denn ist eine der über hundert Batteriezellen defekt, klinkt sie sich aus und der Akku läuft trotzdem weiter. Ein weiterer Vorteil: Die Batteriezellen können einzeln gewechselt werden – das macht es billiger. Einen Prototyp des neuen Stromspeichers haben die Forscher schon, jetzt wollen die Elektronik weiter miniaturisieren.

Elektroautos gelten als eines der Verkehrsmittel der Zukunft, doch sie setzen sich bisher nur langsam durch. Der größte Schwachpunkt der Elektroflitzer ist dabei der Akku: Er hält nicht sonderlich lang. Einer der Gründe dafür liegt in seinem Aufbau, denn die Batterie der Elektroautos besteht bisher aus einem monolithischen Block von in Reihe geschalteten Zellen.

Die gesamte Batterie ist daher nur so stark wie die schwächste Zelle. Ist diese leer, nützt auch die restliche Energie in den anderen Batteriezellen nichts mehr – das Auto muss Strom tanken. Ein weiteres Manko: Ist eine Zelle defekt, bleibt das Fahrzeug liegen. Dann heißt es, den kompletten Stromspeicher auszutauschen.

Kommunikative Batteriezellen

Doch Forscher am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart haben nun eine Alternative geschaffen. „Unser modulares Batteriesystem löst diese Probleme“, sagt Kai Pfeiffer von IPA. Der Trick: Jede Batteriezelle verfügt über einen eigenen integrierten Mikrocontroller, der relevante physikalische Parameter wie Temperatur und Ladezustand der Zelle erfasst. Jede Zelle kennt also ihren Zustand.

Intelligente Batteriezelle: Ein Mikrocontroller erfasst physikalische Parameter wie Temperatur und Ladezustand © Fraunhofer IPA

Und die Zellen der neuen Batterie reden auch miteinander: Sie kommunizieren über die bereits vorhandene Hochstrom-Verkabelung zwischen den Batteriezellen, durch die gespeicherte Energie zu den Verbrauchern geleitet wird. Man spricht dabei von Powerline-Kommunikation. Oder sie kommunizieren mit anderen Geräten, etwa dem Bordcomputer, der aus den Daten der Zellen errechnet, wie viel Restenergie die gesamte Batterie noch aufweist.

Wer leer ist, klinkt sich aus

Ist eine Zelle leer, während die anderen noch Energie gespeichert haben, muss das Auto nicht wie bisher stehenbleiben. Vielmehr klinkt sich die leere Batteriezelle einfach aus dem Verbund aus, sie leitet den Strom an sich vorbei. Die anderen liefern weiterhin Energie. „Je nach Zellqualität können wir die Reichweite auf diese Weise um mindestens vier Prozent steigern“, erläutert Pfeiffer. „Im Laufe der Zeit verstärkt sich dieser Effekt: Schaltet man bei einer älteren Batterie die jeweils leeren Zellen aus, ist es denkbar, dass man durchaus zehn Prozent mehr Reichweite erzielen kann.“

Und noch etwas kommt hinzu: Da sich eine Zelle mit geringerer Kapazität nicht mehr auf die gesamte Reichweite des Autos auswirkt, brauchen die Hersteller diese nicht mehr vorzusortieren. Dies dürfte die Kosten deutlich senken, so die Forscher. Zudem passen sich die Kapazitäten der Zellen im Laufe der Zeit aneinander an. Denn die Varianten, die weniger Energie speichern können, werden früher ausgeschaltet. Die ergiebigen Zellen laufen dementsprechend länger und altern somit schneller: Ihre Kapazität sinkt.

Und sollte eine Batteriezelle einmal ausfallen, kann man sich den Weg in die Werkstatt sparen. Da das Auto über mehr als hundert Zellen verfügt, kommt es auf eine einzelne Zelle nicht an. Und entscheidet der Fahrer sich doch für eine Reparatur, genügt es, anstelle der kompletten Batterie lediglich die einzelne Zelle auszutauschen. Das macht die neue Batterie ebenfalls günstiger.

Einen Prototyp der Batteriezelle haben die Forscher bereits entwickelt. Nun geht es daran, die Elektronik in den Zellen zu miniaturisieren. „Wir wollen es schaffen, dass sie weniger als einen Euro kostet“, so Pfeiffer.

(Fraunhofer-Gesellschaft, 02.12.2015 – NPO)