Batterien könnten künftig selbst „Bescheid sagen", wenn sich in ihrem Inneren etwas verändert – etwa die Temperatur steigt oder Gase entstehen. Ein Forschungsteam der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat dafür ein neues Kommunikationsprinzip entwickelt. Es kommt ohne zusätzliche Datenleitungen aus und könnte Batteriemanagementsysteme einfacher, kostengünstiger und langfristig auch sicherer machen.

Eine Batterie, die „spricht“, verrät nicht mit Worten, sondern mit Daten, was in ihrem Inneren passiert. Forschende der CAU haben gezeigt, wie Sensoren im Inneren einer Batteriezelle Messwerte nach außen übermitteln können, ohne dass dafür zusätzliche Kommunikationsleitungen nötig sind. Stattdessen nutzt das System die bereits vorhandenen Stromleitungen sowie die Elektronik, die den Lade- und Entladevorgang der Batterie steuert. Das Team spricht deshalb von einer „sprechenden Batterie“ – einer Batterie, die Informationen aus ihrem Inneren heraus selbst übermittelt. Dr. Hamzeh Beiranvand vom Lehrstuhl für Leistungselektronik stellte das neue Konzept kürzlich in der Fachzeitschrift Communications Engineering vor.

Moderne Batterien, etwa in Elektroautos oder Stromspeichern, bestehen aus vielen einzelnen Zellen. Bislang messen Sensoren die Temperatur meist nur an der Außenseite der Zellen. Problematisch ist: Gefährliche Hitze entsteht oft zuerst im Inneren einer Batterie – und bleibt dort zunächst unbemerkt. Sensoren im Zellinneren sind zwar grundsätzlich möglich. Bislang brauchen sie jedoch zusätzliche Elektronik und Datenleitungen, die im engen Bauraum einer Batteriezelle wertvollen Platz beanspruchen.

Das neue Verfahren soll genau dieses Problem lösen: Dafür bauten die Forschenden einen kleinen elektronischen Schaltkreis direkt in die Batteriezelle ein. Dieser benötigt kaum Platz und wandelt die Messwerte des Temperatursensors in ein digitales Signal. Dieses gelangt dann über dieselben Anschlüsse, über die die Batterie ohnehin geladen und entladen wird, nach außen. Zusätzliche Leitungen sind somit nicht nötig.

„Unsere Arbeit ist ein erster Schritt hin zu intelligenten Batterien, die ihren Zustand kontinuierlich überwachen und melden“, sagt Beiranvand. „Das würde Batteriesysteme sicherer und wirtschaftlicher machen.“ Dazu trägt auch bei, dass das neue Kommunikationsprinzip vorhandene Komponenten doppelt nutzt. Nach einer ersten Kostenabschätzung des Teams könnte das System gegenüber herkömmlichen Lösungen mit separaten Sensorleitungen rund 35 Prozent günstiger sein.

Der Schaltkreis ließe sich, nach Einschätzung des Teams, zukünftig noch weiter verkleinern oder sogar direkt in neue Batteriematerialien integrieren. Da die Sensoren Vorgänge im Zellinneren direkt erfassen, können sie außerdem dazu beitragen neue Batteriematerialien besser zu verstehen und gezielt weiterzuentwickeln. „Das Prinzip funktioniert theoretisch nicht nur mit Temperatursensoren“, sagt Johannes Diers, Doktorand in der Arbeitsgruppe Leistungselektronik und Erstautor der Studie. „Auch Druck-, Gas- oder andere Sensoren könnten auf die gleiche Weise Informationen aus der Batterie nach außen übertragen.“ Langfristig könnte das Verfahren in allen Anwendungen mit leistungsfähigen Batteriesystemen zum Einsatz kommen – von Elektroautos über Wind- und Solarenergie- bis hin zu Heimspeichern.