Rekonfigurierbare E-Auto-Batterie könnte im Modell über 20 % länger halten
Chalmers simulierte eine rekonfigurierbare Traktionsbatterie, die schwache Zellen umgehen kann. Bei 80 kWh und 12.000 km pro Jahr verschob sich der Austausch rechnerisch um rund 14 Monate.
Eine einzelne gealterte Zelle kann die Lebensdauer eines ganzen Elektroauto-Akkus begrenzen, obwohl die übrigen Zellen noch funktionsfähig sind. Forschende der Technischen Hochschule Chalmers in Schweden untersuchten eine rekonfigurierbare Architektur, die geschwächte Zellen umgehen und die verbleibende Kapazität weiter nutzen kann. Für ein simuliertes Fahrzeug mit 80-kWh-Batterie und 12.000 km Jahresfahrleistung ließ sich der Batterietausch rechnerisch um rund 14 Monate verschieben.
In herkömmlichen Batteriepacks sind die elektrischen Verbindungen weitgehend fest vorgegeben, sodass die schwächste Zelle einen ganzen seriellen Strang begrenzen kann. Das neue Konzept ergänzt elektronische Schalter und eine Steuerung, die eine gealterte Zelle oder Zellgruppe isolieren und den Strom über die übrigen Elemente führen können.
Die in Nature Communications veröffentlichte Studie kommt für die detaillierteste und idealisierte Konfiguration bei bestimmten Hochvoltbatterien auf eine mögliche Lebensdauersteigerung von mehr als 20 %. Besonders groß war der Effekt bei Elektro-Lkw und reichweitenstarken Pkw mit vielen in Reihe geschalteten Zellen. Die Forschenden betonen, dass mehr als 20 % eine theoretische Obergrenze darstellen, weil das Modell eine individuelle Steuerung jeder einzelnen Zelle voraussetzt. Praktischere Systeme auf Gruppenebene benötigen weniger Elektronik, bringen aber einen kleineren Vorteil.
Dem steht ein Kostenaufschlag gegenüber. Nach heutiger Komponentenschätzung erhöht die zusätzliche Elektronik die Kosten des Batteriepacks um etwa 9 %. Den ungefähren Break-even setzen die Forschenden bei rund 12 % an; oberhalb davon wird ein wirtschaftlicher Vorteil über die Lebensdauer weniger wahrscheinlich. Ein robusteres Modellszenario lag bei Zusatzkosten von unter etwa 7 %, mehr als 50 kWh Kapazität und weniger als 12.150 km Jahresfahrleistung. Die aktuelle Hardwarekalkulation basiert zudem nur auf rund 1.000 Sätzen und damit auf nahezu prototypischem Maßstab.
Die Technik unterscheidet sich von einer reinen Diagnose einzelner Zellen. Das System muss Alterung nicht nur erkennen, sondern die elektrische Verschaltung des Akkus dynamisch ändern und schwache Zellen oder Gruppen aus dem aktiven Strompfad nehmen.
Ein Serien-Pkw oder -Lkw mit exakt der untersuchten Architektur existiert bislang nicht. Es gibt jedoch Versuchssysteme und Demonstratoren; Chalmers nennt unter anderem Volvo SmartCell sowie Straßentests eines Prototyps durch einen großen Hersteller. Die Modellwerte lassen sich deshalb nicht direkt auf heutige Serienbatterien übertragen. Die Arbeit zeigt vielmehr einen möglichen Weg, Batteriepacks länger zu nutzen und einen vorzeitigen Komplettaustausch wegen weniger schneller alternder Zellen zu vermeiden.