【前沿】优化电动汽车电池管理和回收的创新智能技术
电池技术被认为是能源和新能源汽车成功过渡的关键。来自弗劳恩霍夫硅酸盐研究所(ISC)的研究人员正在与合作伙伴合作，为电池配备基于传感器的智能技术，以实现更快的充电速度和更长的寿命。传感器还可以用来评估电池在多大程度上符合二次回收。
1智能传感器技术
上路的电动汽车越多，就越需要持久高效的动力电池。为了充分发挥电池的潜力并减少等待时间，它们必须能够以高功率被快速充电，也就是说，在旅途中不再中断。为了达到可持续发展的实际目标，使用寿命也不得因此受到影响。
电池充电和放电的方式和条件对其老化过程有影响。这反过来决定了这些电池可以使用多长时间和多好。高充电和放电电流会在电池电芯的敏感内部留下痕迹，例如，小裂纹或金属锂的沉积。在极端情况下，电芯损坏会导致短路。关于电池降解机制的许多关系尚未完全了解，并且取决于不同的电池类型(例如，关于所使用的电极材料)和操作条件。
自2020年9月以来，弗劳恩霍夫硅酸盐研究所(ISC)的专家一直在与其合作伙伴一起研究多功能传感器装备技术（multifunctional sensor array technology），图1。该项目——Spartacus是欧盟研究计划Battery 2030+的子项目，旨在汇集科学和工业电池研究和技术[1]。
结合先进的电池管理系统(BMS)，传感器技术可以提供最佳的充电性能和更长的使用寿命。通过检测电池状况和电池功能，该技术可将充电速度提高20 %(基于单个电池规格)。通过现场数据可以筛选老化和容量损失的原因，并可以得出新电池开发的对策。此外，还可以评估在电池的主要用途结束后，在多大程度上可以考虑对其进行二次回收利用。
2传感器选择和优化的电池管理
该项目首次比较研究了哪些不同类型的传感器能够最好地测量和评估电池状况。研究小组将重点放在安装在电池外部的传感器上，这些传感器可以直接监控电池充电过程中的复杂过程。混合电子设备能够提供关于电池循环行为的额外信息。
部分印刷和部分组装的传感器的共同集成以及成熟的组装和封装工艺促进了配备有各种传感器的测试单元的制造。热传感器测量温度变化，而机械传感器记录充电和放电过程中电池单元内的体积变化。超声波传感器发送和接收脉冲，提供电芯中密度比的信息。如果电池在充电过程中膨胀，这些脉冲就会改变。这产生了一种电池的声波图。图2显示了电池充电和放电过程中杨氏模量的变化-借助超声波传感器进行记录。电池的硬度因此从不充电状态(充电状态，SoC = 0 %)变化到充电状态(SoC = 100 %)。
也使用奇数随机相位多线电化学阻抗谱(ORP-EIS)，用于检测阻抗模量和相位等电气参数的变化。通过分析噪声信号，ORP-EIS提供了比常规电化学阻抗谱更快和更可靠的测量。
各种数据被组合、处理并转发到管理系统(CMS)或BMS。在附加传感器数据的帮助下，创建数字电池孪生，并计算不同老化机制的模型。由于现在可以预测最佳充电和放电过程，CMS/BMS尽可能高效和安全地控制电池/电池组的功能得到了扩展，因此电池可以尽可能快地充电，并且仍然温和地运行。
3验证
经过大约两年半时间，第一批装备齐全的原型于2023年第一季度交付给项目合作伙伴:测试单元中集成了六对基于印刷压电聚合物的超声波传感器和五对基于压电陶瓷材料的超声波传感器、八个压力传感器和七个温度传感器。传感器与新开发的CMS或BMS通信。
目前，配备多功能Spartacus传感器装备的电池单元，图3在不同的条件下循环。在循环过程中，传感器数据被记录和分析。传感器和循环数据相互关联，以确定哪些传感器数据分别与电池的充电状态（SoC）和健康状态(SoH)最匹配。
4二次回收利用的数据开发
提高电池性能有助于实现可持续发展目标——废旧电池的二次回收是可持续循环经济的重要一步。Spartacus项目的传感器还可以通过提供关于电池内部寿命的额外机械信息，使部分电池获得符合所谓的第二次应用。电池可以根据其健康状态SoH更具体地用于要求较低的应用，例如可再生能源的固定存储。
5结论与展望
新开发的多功能Spartacus传感器装备目前正用于收集数据和调查电池的实际状态，以找到最合适的传感器技术，并将其与新开发的CMS/BMS结合在一起。已经发现了单个传感器数据的意义以及与SoH的相关性的初步迹象，并将通过长期循环进一步验证。环境方面将通过生命周期分析进行调查。此外，将进行成本效益分析。
传感器装备和基于传感器的老化模型将有助于更好地理解电池中复杂的电化学过程，并使电池管理更加有效。例如，这将允许在制造阶段消除导致过早老化的弱点。智能电池的概念不仅适用于电动汽车中的锂电池。工业应用、电子设备和许多其他使用高性能电池的领域都可以受益于智能传感器技术。
