SOH-Diag - Dynamische Diagnosemethoden zur Bestimmung des Gesundheitszustandes und zur Kalibration der Ladezustandsmethoden von Lithium-Ionen-Batterien

Im Projekt "SOH-Diag" wurde eine neue Diagnosemethodik zur Bestimmung sowie zur Quantifizierung des Gesundheitszustandes, engl. State-of-Health (SOH), von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) entwickelt. Weiterhin wurde gezeigt, dass der Ladezustand, engl. State-of-Charge (SOC), auf den SOH kalibriert werden kann. Die genutzte Diagnosemethodik ist eine dynamische, universell einsetzbare Messmethodik, die sogenannte Nonlinear Frequency Response Analysis (NFRA). NFRA ist mit der im Diagnosebereich etablierten elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) verwandt. Bei der EIS wird ein geringer Wechselstrom auf die LIB gegeben, um das lineare Systemverhalten zu untersuchen. Bei NFRA hingegen wird ein hoher Wechselstrom auf die LIB aufgeprägt. Dadurch werden höhere Harmonische angeregt, die charakteristisch für Zelltyp sowie -spezifikationen sind und daher universell angewandt werden können.

Durch NFRA wird das lineare Prozessverständnis um hochinformative Nichtlinearitäten, wie z.B. die elektrochemischen Reaktionen, und gekoppelte Diffusions- und Reaktionsprozesse, erweitert. Weiterhin wurde im Verlauf des Projekts erkannt, dass Degradationen der LIB, wie zum Beispiel Leistungsverlust, Kapazitätsabnahme sowie auch Alterungssignale durch das sicherheitsgefährdende Lithium-Plating spezifische Antwortsignale erzeugen. Das Versagen bzw. ein Ausfall einer LIB erzeugt ebenfalls spezifische Antwortsignale in einem charakteristischen Frequenzbereich.

Es ist denkbar, dass die Diagnosemethodik sowohl Automobilherstellern als auch Unternehmen im Bereich der Kleinelektronik nach Adaption der Messtechnik/Hardware zahlreiche Wettbewerbsvorteile ermöglichen kann. Die Diagnosemethodik kann – universell bzw. nach Anpassung an die spezifische Batterie – zur Qualitätssicherung nach der Herstellung von LIB- und LIB-Systemen, bei der Schadensdiagnose dieser und bei der Überprüfung ihrer Lebensdauer eingesetzt werden. Hierfür ist die Entwicklung bzw. Adaption der messtechnischen Hardware für die Messung der entsprechenden Signale notwendig. Ist dies gewährleistet und erprobt, ist eine Applikation von NFRA in Werkstätten sowie auch im BMS von elektrifizierten Fahrzeugen möglich.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 18415 N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.