Batteriesysteme



In dieser Arbeitsgruppe wird erforscht, wie sich die Lebensdauer und die Leistungsfähigkeit von Batterien verbessern lässt.


Der Fokus der Arbeitsgruppe Batteriesysteme liegt auf der Lithium-Ionen Speichertechnologie, wie sie am kommerziellen Markt verfügbar ist. Das Wissen über die Technologie stammt dabei aus aktueller wissenschaftlicher Literatur und wird durch eigene Forschung (Dissertationen, nationale und internationale Publikationen) erweitert und vorangetrieben. Diverse Patentanmeldungen mit Kooperationspartnern aus der Umgebung bilden eine Brücke zwischen unserer Forschung und dem industriellen Einsatz.

Themenbereiche:

Testing: Im Bereich des Testing wird gezielt das Alterungsverhalten von einzelnen Zellen oder Modulen (Serien- und Parallelschaltungen einzelner Zellen) unter kontrollierten Bedingungen untersucht. So kann analysiert werden, wie sich die Leistungsfähigkeit des Prüflings über die Lebensdauer verändert und wann dieser gegebenenfalls ersetzt werden muss. Die Tests werden dabei mit hochpräziser Messhardware durchgeführt, mit Hilfe derer auch Fahrzyklen oder andere Lastprofile zur realitätsnahen Prüfung umgesetzt werden können. Bei den Tests der Prüflinge können durch vorhandene Temperaturkammern konstante oder auch variable Temperaturbedingungen geschaffen werden. Das Messequipment des TTZ ermöglicht dabei die Vermessung von kleinen Rundzellen (bspw. 18650) bis hin zu Modulen von Traktionsspeichern oder auch ganzen Hausspeichern.

Diagnostik: Bei der Diagnostik geht es um die Bestimmung leistungsrelevanter Batteriedaten. Im Laufe eines Batterielebens kommt es zu einem Verlust der nutzbaren Kapazität, sowie zu einer Verminderung der Leistungsfähigkeit. Mit Hilfe geeigneter Messverfahren und unter kontrollierten Bedingungen, können diese aussagekräftigen Werte bestimmt werden. Durch tiefergehende Untersuchungen mittels impedanzbasierter Messungen oder durch Analyse des Spannungsverhaltens können weitere Aussagen über den Zustand der Zellen getroffen werden. Die Messverfahren bilden einen wichtigen Aspekt bei der Alterungsforschung von Lithium-Ionen Zellen.

Modellierung: In manchen Fällen, beispielsweise bei der Neuentwicklung von Hardware, ist der verfrühte Einsatz in Verbindung mit Lithium-Ionen Zellen mit einem Gefahrenpotential verbunden. Um eine Hardwareschaltung für Batterien dennoch unter realitätsnahen Bedingungen zu testen, werden impedanzbasierte Simulationsmodelle erstellt, welche das elektrische Verhalten der Zelle nachbilden. Ist die Schaltung schließlich getestet, kann sie für den Einsatz an der Batterie freigegeben werden.

BMS-Entwicklung: Das TTZ setzt seit seiner Gründung auf die Entwicklung eigener Batteriemanagementsysteme (BMS). Das BMS ist der „Wächter“ der Batterie in Form einer Platine. Es sorgt für die Einhaltung der Betriebsgrenzen und greift beim Über- oder Unterschreiten ein, um Schaden zu vermeiden. Die Funktionen von BMS sind vielfältig. Auch die Balancierung von Zellen in Modulen gehört zum Aufgabenbereich. Dabei werden die Zellen, welche unterschiedlich stark Altern können, im Einklang gehalten. Hierbei forscht das TTZ unter anderem an aktiver Balancierung, die im Vergleich zur herkömmlichen passiven Balancierung einige Vorteile mit sich bringt. Eigens entwickelte Algorithmen komplettieren hierbei als wichtiger Punkt die BMS-Entwicklung.

Prototypenbau: Die gesammelte Expertise rund um den Bereich der Batterietechnik, der Einsatz von 3D Druckern, sowie eigene BMS-Systeme und Algorithmen werden durch den Bau von Batterieprototypen vereinigt. Nach Festlegung des Einsatzzwecks, kommt es zur Auslegung und Berechnung der geforderten Batteriedaten, und somit zur Wahl des geeigneten Zelltyps. Durch Abstimmung der elektrischen Komponenten, sowie die Konstruktion und Herstellung von passenden Gehäusen, kann so der Bau von Prototypen realisiert werden.