Batteriesysteme

Gesamtziel ist die signifikante thermische Verbesserung von Batteriemodulen durch ein neues integrales thermisches Konzept. Batterien dringen mittlerweile in nahezu alle Industrie- und Lebensbereiche vor. Für die Energiewende sind leistungsfähige Batterien im Bereich der Elektromobilität eine Schlüsselkomponente. Im stationären Bereich tragen sie zur Netzstabilisierung bei.

In dem Vorhaben wird die Batterie thermisch optimiert, beispielsweise durch homogene Temperaturverteilung, niedrigere Zelltemperaturen sowie lebensdaueroptimale Betriebstemperatur. Die aufgeführten Ansätze ermöglichen eine Steigerung der elektrischen und thermischen Effizienz von Batterien. Dadurch entstehen deutlich weniger Energieverluste durch Heizen und Kühlen der Batterie, ihre Lebensdauer wird erhöht, ihre Sicherheit gesteigert, die Speicherkapazität optimiert und die Ladedauer deutlich verringert.

Weitere Informationen unter: forschungsstiftung.de/Projekte/Details/Innovatives-thermisches-Management-von-Batteriemodulen-InnoTherMaBatt.html

Elektrofahrzeuge sind bedingt durch die Energiewende und dem Wunsch nach schadstofffreiem Fahren in den letzten Jahren einer starken Entwicklung ausgesetzt. Ein zentraler Baustein der letzten Jahre war die technische Evolution der Traktionsbatterie, die sich durch den ständigen Drang nach mehr Reichweite und Leistung von einer 400 V Systemspannung nun auf 800 V gesteigert hat bzw. steigern wird. Die Vorteile einer 800 V Batterie sind vor allem die hohe Fahrleistung und die Möglichkeit einer schnelleren Ladung. Jedoch ist für den flächendeckenden Einsatz dieser Technologie noch ein zusätzlicher Gleichspannungswandler nötig, der das Laden der Batterie an 400 V Schnellladesäulen ermöglicht.

Das Projekt beschäftigt sich mit der Analyse, Bewertung und Entwicklung von Gleichspannungswandler-Konzepten. Die technischen Herausforderungen, die sich für eine derartige leistungselektronische Baugruppe stellen, sind sowohl ein höchstmöglicher Wirkungsgrad also auch eine kompakte Bauweise. Gleichzeitig sind die Funktionalitäten und die Komplexität entscheidende Kriterien. Im Rahmen des Projektes wird ein Gleichspannungswandler konzeptioniert, welcher aufgrund der entwickelten Topologie und Ansteuerung ein Optimum zwischen Leistungsdichte, Wirkungsgrad, Komplexität und Funktionalität erreicht. Die Auswirkungen auf/von der Traktionsbatterie werden hierbei beobachtet und bewertet.

Das Projekt widmet sich der aktiven Ladungsumverteilung in Batteriezellen. Grundsätzlich weisen Batteriezellen aufgrund von Fertigungstoleranzen und chemischen Alterungsprozessen unterschiedliche Kapazitäten auf, welche durch ein Balancierungssystem ausgeglichen werden können. Die Kapazität der schwächsten Zelle bestimmt die Lade- und Entladedauer eines Akkumulators. In herkömmlichen Akkumulatoren werden derzeit passive Balancierungsschaltungen verwendet. Beim Laden des Akkumulators führen diese die überschüssige Energie der schwächsten Zelle über einen Lastwiderstand ab und erzeugen Abwärme. In passiv balancierten Akkumulatoren verweilt stets ungenutzte Restkapazität, welche aufgrund der entladenen schwächsten Zelle und der Abschaltung durch das Batteriemanagementsystem nicht mehr genutzt werden kann. Aktive Balancierungssysteme arbeiten hingegen beim Laden und Entladen des Akkumulators. Hierbei werden die schwächsten Zellen aktiv von den stärksten Zellen unterstützt und somit das volle Potenzial des Akkumulators ausgenutzt. Durch diese Ladungsumverteilung konnte in zahlreichen Langzeittest eine signifikante Verbesserung der Lebensdauer nachgewiesen werden.

Ziel des Vorhabens ist ein wissenschaftlich fundiertes Verständnis sowie eine Bewertung der erwartbaren Möglichkeiten und Risiken des Active Balancing für eine verlängerte Akku-Lebensdauer und eine erhöhte Energieentnahme als bei Systemen ohne Active Balancing. Dazu gehören mögliche Schaltungstopologien, die notwendigen Balacierungsalgorithmen und die positiven wie negativen Einflüsse von Active Balancing auf die Alterung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Auf dieser soliden Technologiebasis sollen Produktstrategien für eine Vermarktbarkeit zukünftiger Batteriemanagementsysteme für verschiedene Applikationen entstehen und Marktchancen genutzt werden können.

Als Häuser noch einfach an das Stromnetz angeschlossen waren und eine Gas- oder Ölheizung besaßen, waren die Energieflüsse lange Zeit einfach. Mit der Integration von alternativen Energiesystemen wie Photovoltaikanlagen (PV), Wärmepumpen, Blockheizkraftwerken (BHKW), Hausbatterien und Elektroautos werden die Energieflüsse in den Häusern komplizierter. Dieses Vorhaben beschreibt die Implementierung eines Modells zur Simulation der technischen und wirtschaftlichen Ergebnisse eines Systems mit den oben genannten Komponenten in Ein- und Mehrfamilienhäusern in Deutschland. Als Input für Klimadaten und Energiebedarf werden Literaturdaten verwendet. Die Simulation ist in der Lage, ökonomische und ökologische Abschätzungen vorzunehmen und kann über ein Webinterface gesteuert werden, um Hausbesitzern ein einfaches Online-Tool zur Verfügung zu stellen.

Das Projekt hat zum Ziel:

• Erreichen einer Spitzenstromabdeckung und Netzspannungsstabilisierung mit Hilfe von elektrischen Fahrzeugen einer Firmenfahrzeugflotte und elektrischen Versorgungsnetzen
• Entwicklung eines neuartigen leistungselektronischen Stellglieds in Form einer bidirektionalen Ladestation
• Erprobung und Evaluation unter Realbedingungen sowohl technisch als auch kommerziell

Der Flotteneinsatz bietet beteiligten Unternehmen darüber hinaus ideale Möglichkeiten, innovative Fahrzeugkomponenten für die Fahrzeuge der Zukunft und die Ladeinfrastruktur zu entwickeln und in der Praxis zu erproben sowie die Akzeptanz und Hemmnisse bei der Nutzung elektrischer Fahrzeuge wissenschaftlich zu untersuchen.

Im Rahmen des Projekts wird die Alterung von Consumer-E-Bike-Batterien unter Laborbedingungen als auch im Feldeinsatz untersucht. In dieser Studie werden die negativen Einflüsse hoher Temperaturen auf den Innenwiderstand der Consumer-E-Bike-Batterie erforscht. Als initiale Erkenntnis konnte nachgewiesen werden, dass der Ausfall einer einzelnen Zellebene den Ausfall der gesamten Batterie forciert.