Für die Zukunft ausgestattet

Künstlich altern

17. Januar 2022 Batterien von Elektrofahrzeugen

Schneller, leiser – und viel sauberer: Der Elektroantrieb ist schon im 19. Jahrhundert für viele Automobilisten der Motor erster Wahl. Ohnehin beginnt die Geschichte der privaten Mobilität mit einem batteriegetriebenen Gefährt. Bereits Mitte der 1830er-Jahre sollen dem Schotten Thomas Davidson erste Experimente mit einem Fahrzeug unter Strom gelungen sein; sein Landsmann Robert Anderson fährt 1839 eine kurze Strecke in einem Elektroauto.

Forschungszentrum CARL der RWTH Aachen

1899 erreicht der Belgier Camille Jenatzy den damaligen Geschwindigkeitsweltrekord von 105,88 Kilometer pro Stunde. Da ist der mit Leichtbenzin aus der Apotheke betriebene „Patent-Motorwagen Nummer 1“ von Carl Benz mit seinem stinkenden Verbrennungsmotor und 16 Stundenkilometern Spitzengeschwindigkeit gerade einmal 13 Jahre auf der Straße.

Um 1900 werden 38 Prozent der Automobile mit Strom und lediglich 22 Prozent mit Benzin betrieben: Nur der Dampfmaschinenantrieb ist damals noch beliebter. Und doch verliert das Elektroauto in den 1920er-Jahren das Rennen um die Macht der Straße: Zu klein ist die Reichweite eines Batteriemotors, zu aufwendig das Laden mit stationären Generatoren. Teurer und schwerer waren die Gefährte auch. Ausgerechnet der elektrische Anlasser für Benziner bedeutete dann das (vorläufige) Aus.

Seitdem hat sich, bedingt auch durch ein neues ökologisches Bewusstsein, einiges getan: Seit einigen Jahren holen Stromantriebe deutlich auf. 2020 wurden in Deutschland mit rund 194000 Fahrzeugen über drei Mal mehr Elektroautos zugelassen als im Vorjahr. Weltweit sind rund 8 Millionen Elektroautos auf den Straßen unterwegs. Und: Die Zahlen werden aller Voraussicht nach weiter beständig steigen. Denn grundsätzliche Probleme mit den Batterien gelten inzwischen als gelöst.

„Jetzt geht es darum, den interdisziplinären Bogen von der tiefen Materialebene bis hin zur Anwendung zu schlagen“, sagt Dirk Uwe Sauer von der RWTH Aachen. „Vereinfacht gesprochen wollen wir bis auf die Kristalle und Strukturen der Elektroden herunter wissen, was passiert, wenn ein Autofahrer unterschiedlich stark auf das Gaspedal seines Elektrofahrzeugs tritt.“ Diesen ganzheitlichen Blick soll ein „Center for Ageing, Reliability and Lifetime Prediction of Electrochemical and Power Electronic Systems (CARL)“ ermöglichen, das sich ab 2022 im Vollbetrieb vorrangig mit der Lebensdauer, den Alterungsprozessen und der Zuverlässigkeit von Batterien im Besonderen – und von Leistungselektronik im Allgemeinen – beschäftigen soll.

Gemeinsam mit seinem Kollegen Rik De Doncker hat Sauer 2020 für CARL insgesamt elf aus mehreren Elementen bestehende Großgerätecluster eingeworben, die die DFG in dem von Bund und Ländern finanzierten Programm „Großgeräte in Forschungsbauten nach Art. 91b GG“ mit den von ihr bestellten unabhängigen Expertinnen und Experten begutachtet hat. Drei dieser Großgerätecluster sind unter anderem dem Bereich der „Elektrischen Antriebe“ zugeordnet. Mit ihnen ist es zum Beispiel möglich, elektronische Leistungsmodule beschleunigt altern zu lassen und während des Prozesses am CARL entwickelte Diagnoseverfahren mitlaufen zu lassen – oder entstehende Mängel wie Risse oder Abhebungen nach der künstlichen Alterung zu charakterisieren.

Um auf diesem Gebiet schneller agieren zu können, gehört neben Vibrationsprüfständen oder Elektronenmikroskopen auch eine komplette Fertigungslinie zum Portfolio: Mit ihrer Hilfe können leistungselektronische Module mit bereits eingebauten Defekten hergestellt werden, um Fehlermechanismen schneller detektieren und die physikalischen Echtzeitmodelle dieser Module besser kalibrieren zu können.

Da geht es auch um die Zukunft des jahrhundertealten Themas Elektroauto. Aber ebenso um die wahrhaft himmelstürmende Idee, bald auch strombetriebene – also leisere und umweltschonendere – Flugzeuge in die Luft zu schicken. „Gerade auch auf diesem großen Forschungsfeld ist es dann wichtig, schon frühzeitig sagen zu können, wann eine Komponente an ihre Grenzen stößt“, sagt Rik De Doncker. „Das betrifft nicht nur den Einsatz neuer, vielversprechender Materialien wie Siliciumcarbid oder Galliumnitrid, sondern auch den Einsatz von Leistungselektronik hoher Leistungsdichte unter immer extremeren Temperaturen.“ Und immer größeren physischen Belastungen. „Predictive Maintenance“ ist hier das Zauberwort.

Neben der Frage, wie man die Lebensdauer und Sicherheit von Batterien verlängern kann, soll es im CARL in diesem Rahmen also auch darum gehen, Entwicklungszeiten zu verkürzen: Von der Idee zur Anwendung von Innovationen vergehen im Automobilsektor gern zehn, im Flugzeugbereich schnell 20 bis 25 Jahre. Und dann erweist sich oft erst im Realbetrieb, ob die Neuerung gegenüber der bisherigen Lösung wirklich sinnvoll war.

Auch heute haben Batterien ja schon eine ordentliche Lebensdauer und Zuverlässigkeit“, sagt Dirk Uwe Sauer. „Deshalb können Sie diese Faktoren nicht klassisch auf dem Prüfstand testen.“ Das würde viel zu lange dauern – zumal man die Prozesse von Alterung und Verschleiß durch eine Erhöhung von Stromraten oder Temperatur nicht beliebig beschleunigen kann: Irgendwann entstehen verfälschende Effekte und Probleme, die es im Realbetrieb nie geben würde.

Deshalb gehört auch der Bereich der Modellierung und Simulation mittels KI zum Angebot des CARL. Bei den elf eingeworbenen Großgeräten ist auch eine extrem leistungsstarke Computerplattform, auf die große Herausforderungen zukommen. „Allein im Batteriebereich“, sagt Sauer, „wollen wir eine durchgängige Modellierungsschiene auf circa zehn Ebenen realisieren.“