EMAF
Das Forschungsprojekt wird im Rahmen des Zentralen Technologieprogramms Saar (ZTS) mit Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert. Ziel ist die Entwicklung eines innovativen und wirtschaftlichen Frühwarnsystems für Batteriespeicher, das insbesondere durch strukturelle Druckmessungen mittels dielektrischer Elastomersensoren zusätzliche Möglichkeiten zur frühzeitigen Erkennung kritischer Batteriezustände erschließt.
Das Projekt wird in Zusammenarbeit zwischen der Fa. Schwingel.tec aus St. Wendel und der Universität des Saarlandes in Saarbrücken durchgeführt. Durch die Verbindung industrieller Entwicklung und wissenschaftlicher Forschung sollen innovative, praxisnahe und wirtschaftlich umsetzbare Lösungen für eine verbesserte Batteriesicherheit entstehen.
Problemstellung
Die Batteriesysteme moderner Elektrofahrzeuge sind während des Betriebs hohen elektrischen, thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Insbesondere Veränderungen im Inneren der Batteriezellen, wie beispielsweise eine zunehmende Zellquellung, können zu mechanischen Druckveränderungen führen und wichtige Hinweise auf den Zustand des Energiespeichers liefern. Werden kritische Entwicklungen nicht rechtzeitig erkannt, können erhebliche Sicherheitsrisiken bis hin zu Batteriebränden entstehen.
Herkömmliche Batteriemanagementsysteme (BMS) überwachen bereits wichtige Betriebsparameter, beispielsweise Spannung und Temperatur. Die strukturelle Druckmessung zur Erfassung mechanischer Veränderungen ist jedoch üblicherweise nicht Bestandteil dieser Systeme. Hier liegt Potenzial für zusätzliche Diagnosemöglichkeiten, die eine umfassendere Bewertung des Batteriezustands ermöglichen können.
Die Herausforderung besteht darin, innovative Überwachungsfunktionen mit einer einfachen, robusten und kostengünstigen technischen Umsetzung zu verbinden. Nur so lassen sich neue Ansätze der Batterieüberwachung wirtschaftlich realisieren und langfristig in die praktische Anwendung überführen.
Zielsetzung
Ziel des Forschungsprojekts „Elektromobilität-Akkumulator-Frühwarnsystem (EMAF-System)“ ist die Entwicklung eines innovativen Frühwarnsystems, das über die Möglichkeiten herkömmlicher Batteriemanagementsysteme hinausgeht und zusätzliche Informationen über den Zustand von Batteriespeichern bereitstellt.
Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der strukturellen Druckmessung mithilfe dielektrischer Elastomersensoren. Durch die Erfassung mechanischer Veränderungen, insbesondere infolge der Zellquellung, sollen zusätzliche Diagnosemöglichkeiten erschlossen werden. Die zentrale Herausforderung besteht darin, diese erweiterte Funktionalität mit einer möglichst einfachen, robusten und kostengünstigen Sensorlösung zu realisieren.
Das EMAF-System soll innovative Möglichkeiten der Batterieüberwachung mit den Anforderungen einer wirtschaftlichen und praxisnahen Umsetzung verbinden. Neben einem hohen diagnostischen Nutzen stehen daher die einfache Integration, die kostengünstige Herstellung und das Potenzial für eine spätere industrielle Umsetzung und Markteinführung im Fokus.
Vorgehen
Zur Überwachung des Batteriesystems werden unterschiedliche Messverfahren untersucht und hinsichtlich ihrer Aussagekraft, Integrationsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit bewertet. Neben elektrischen Messgrößen und Temperaturmessungen kommen kapazitive Messverfahren sowie dielektrische Elastomersensoren zum Einsatz.
Die dielektrischen Elastomere bieten durch ihre Flexibilität, ihre vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten und ihr Integrationspotenzial neue Ansätze zur Erfassung mechanischer Druckveränderungen direkt am oder im Batteriesystem. Im Mittelpunkt steht dabei die Untersuchung, inwieweit sich Veränderungen infolge der Zellquellung zuverlässig erfassen lassen. Ergänzend wird betrachtet, ob und wie weitere mechanische Belastungen, beispielsweise der Anpressdruck innerhalb des Batteriepakets, messtechnisch erfasst werden können.
Die gewonnenen Sensorsignale sollen hinsichtlich ihrer Eignung zur Erkennung und Bewertung kritischer Batteriezustände untersucht werden. Auf dieser Grundlage werden geeignete Sensorkonzepte und Auswertungsansätze entwickelt und zu einem möglichst einfachen, robusten und wirtschaftlichen Monitoringsystem zusammengeführt.
Angestrebtes Ergebnis
Das angestrebte Ergebnis ist ein innovatives, robustes und kosteneffizientes Akkumulator-Frühwarnsystem, das die konventionelle Batterieüberwachung um zusätzliche Diagnosemöglichkeiten erweitert. Insbesondere die strukturelle Druckmessung mittels dielektrischer Elastomersensoren soll neue Ansätze zur frühzeitigen Erkennung mechanischer Veränderungen und potenziell kritischer Batteriezustände eröffnen.
Durch die Kombination verschiedener Sensorsignale soll eine fundiertere Bewertung des Batteriezustands ermöglicht werden. Gleichzeitig wird eine wirtschaftliche und praxisnahe Umsetzung angestrebt, um die Voraussetzungen für eine Integration in Batteriesysteme und eine spätere Markteinführung zu schaffen.
Langfristig soll das EMAF-System dazu beitragen, die Sicherheit im Umgang mit Batteriespeichern zu erhöhen – im regulären Fahrzeugbetrieb ebenso wie bei Transport, Lagerung und nach Unfällen. Dabei steht nicht nur die Entwicklung neuer Überwachungsfunktionen im Vordergrund, sondern insbesondere deren Überführung in eine technisch robuste und wirtschaftlich tragfähige Lösung.
Projektleiter (Universität des Saarlandes): Prof. Dr.-Ing. Paul Motzki
Projektpartner: Saarland University (UdS), Schwingel.tec GmbH
Förderung: Zentrales Technologieprogramm Saar (ZTS), mit Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)
