Intelligente Sensoren für schnelles Laden

Batterieforschungsprojekt “SPARTACUS” hat erste Meilensteine gemeistert

Rund ein Jahr läuft nun laut einer Medienmitteilung des Würzburger Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC das Forschungsprojekt SPARTACUS (“Spatially resolved acoustic, mechanical and ultrasonic sensing for smart batteries”) im Rahmen der EU-Forschungsinitiative BATTERY 2030+. Das Projekt hat die ersten Meilensteine und Projektziele erfolgreich gemeistert. Auf dem Weg zur sensorgestützten Optimierung von Ladezeiten, Reichweite und Lebensdauer für Lithium-Ionen-Batterien wurde in den vergangenen 12 Monaten eine Reihe von Teilaspekten vom SPARTACUS-Projektteam bearbeitet. Jetzt können die einzelnen Komponenten zu einem Komplettsystem zusammengefügt werden.

Li-Ionen-Batterien an Berliner Effizienzhaus Plus – Foto © Gerhard Hofmann

Mit dem Forschungsprojekt soll eine multifunktionelle Sensor-Array-Technologie für Batterien entwickelt werden, die den Batteriemanagementsystemen die relevanten Daten für ein zustandsabhängig optimales Laden und Entladen übermittelt. Das Projekt fokussiert sich auf mechanische und akustische Sensoren, ergänzt durch elektrochemische Impedanzmessungen und Temperatursensorik. Mit der SPARTACUS-Sensorik sollen Fehler und negative Einflüsse auf die Batterielebensdauer und -leistungsfähigkeit frühzeitig entdeckt werden.

Vor einem Jahr hat das SPARTACUS-Projektteam seine Arbeit gestartet. Das Ziel: Zukünftig das Ausnutzen von bisher brachliegenden Reserven im Batteriemanagement durch ein umfassendes Batterie-Monitoring abzusichern. Dadurch sollen Ladezeiten bis 20 % reduziert werden können, ohne Zuverlässigkeit und Lebensdauer zu beeinträchtigen. “Dafür hat das SPARTACUS-Projekt in vieler Hinsicht Neuland betreten”, wie Koordinator Gerhard Domann (ISC) erklärt. So seien nicht nur neue Sensorkonzepte durch die Kombination von akustisch-mechanischen und thermischen Sensoren mit fortschrittlichen Analysemethoden vorbereitet worden, sondern auch die Modellierung der Vorgänge in der Batteriezelle so vorangetrieben worden, dass daraus neue Prognosemodelle für den Batteriezustand und die optimale Steuerung der Ladung möglich werden. “Nach dem ersten Projektjahr haben alle Arbeitsgruppen ihre individuellen Projektarbeiten erfolgreich vorangetrieben, alle Spezifikationen sind definiert. Nun geht es darum, das Puzzle zusammenzusetzen und zu einer erfolgreichen Monitoring-Technologie für Batterien zu verknüpfen”, so Domann weiter.

Damit fängt die zweite Projektphase an, in der die neue Batteriesensorik in genau definierten Versuchsreihen reale Daten liefern wird, die mit den Modelldaten korreliert werden. Auf dieser Basis sollen die verfeinerten Prognosemodelle erarbeitet werden, mit denen zukünftige Batteriemanagementsysteme den Leistungsrahmen der Batterien besser ausschöpfen können. Im Rahmen der Green Batteries Conference 2021 im vergangenen Oktober wurden die ersten Projektergebnisse bereits einem größeren Publikum aus Wissenschaft und Wirtschaft vorgestellt und mit großem Interesse aufgenommen.

Die neun SPARTACUS-Arbeitspakete

  1. Spezifikationen – Mit dem ersten Arbeitspaket wurden die Spezifikationsprotokolle auf verschiedenen Ebenen, angefangen vom Sensor über die Datenvorverarbeitung, die Integration, die Module, die Batteriemanagementsysteme, die Validierung und den LCA-Methodikrahmen definiert. Das Arbeitspaket ist bereits abgeschlossen und bildet die Grundlage für die kollaborative Entwicklung innerhalb des SPARTACUS-Projekts.
  2. Sensorentwicklung – Das Ziel des Arbeitspaketes Sensorentwicklung sind neue integrierte Multisensortechnologien zur Überwachung des Betriebszustandes der Batteriezellen in Bezug auf elektrische, mechanische und thermische Parameter. Die Sensoren sollen nach Möglichkeit Informationen mit lokaler Auflösung liefern.
  3. Die Sensortechnologien umfassen
    – verschiedene Ultraschallverfahren
    – flexible kapazitive Spannungs-, Dehnungs- und Drucksensor-Arrays
    – Temperatursensoren und
    – impedanzspektroskopische Messungen
  4. Aufbau- und Verbindungstechnik – Das Arbeitspaket Integrations- und Montagetechnik ist eng mit dem Arbeitspaket Sensorentwicklung verknüpft. Neben der primären Integration und Montage sind auch die Signalauswertung und Datenerfassung sowie die Datenvorverarbeitung eine anspruchsvolle Aufgabe. Für die Montage müssen verschiedene Sensorebenen zu einem System zusammengefügt werden, ohne dass die verschiedenen Sensoren an Sensitivität einbüßen.
  5. Modellierung – Das Arbeitspaket Modellierung zielt darauf ab, eine vollständige Überwachung und Kontrolle des Batteriesystems zu erlangen, um seine Qualität, Zuverlässigkeit und Lebensdauer (QRL) zu erhöhen und seinen Betrieb innerhalb eines vordefinierten sicheren Betriebsbereichs (SoA) zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang sollten die Zustände der Batterien systematisch extrahiert und validiert werden. Die Sensorsignale sollen dabei mit den verschiedenen Fehlermechanismen korreliert werden. Dabei sollen auch Verfahren basierend auf künstlicher Intelligenz zum Einsatz kommen, um die großen Sensordatenmengen auszuwerten. Die Modelle bieten die Basis zur Steuerung der Zellmanagement Systeme.
  6. Zell-/Batteriemanagementsystem-Entwicklung – Um die Vorteile der intelligenten Sensorintegration zu nutzen, werden Zell- und Batteriemanagementsysteme angepasst. Ziel des Arbeitspakets CMS/BMS ist es, ein Batteriemanagementsystem (BMS) zu entwickeln, das in der Lage ist, die verschiedenen Sensormessungen auszulesen, die Daten zu verarbeiten und auf Basis der Modellrechnungen die Zelle bei den Lade-/Entladezyklen optimal auszusteuern.
  7. Die CMS/BMS-Entwicklung umfasst
    – Hardware-Design und -Produktion,
    – Softwarearchitektur, Programmierung und Implementierung,
    – Realisierung der CMS/BMS-Stromleitungskommunikation
    – Verifizierung auf Systemebene: eine Reihe von wenigen Zellen, die mit dem CMS ausgestattet sind, um ein 24V-System zu erreichen.
  8. Ökologische und wirtschaftliche Bewertung – Um die ökologische und wirtschaftliche Leistung der intelligenten SPARTACUS-Batterien zu bewerten, umfasst das Projekt eine Lebenszyklusanalyse (LCA). Die erhöhte Qualität, Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Batterien sowie die zweite Nutzungsdauer und die normierten Stromspeicherkosten (levelized cost of energy storage – LCOES) von Batterien mit verlängerter Lebensdauer werden in Übereinstimmung mit der europäischen Strategie zur Kreislaufwirtschaft und der Batterierichtlinie bewertet.
  9. Validierung / Demonstration – In diesem Arbeitspaket wird ein komplexer Anwendungsfall entworfen und eingerichtet, um alle neuen Funktionalitäten des SPARTACUS CMS/BMS, die neuen Sensoren und die Modellierung von Batterien/Zellen in einer virtuellen Plattform zu testen. Dazu gehören z. B. auch Alterungsexperimente unter herkömmlichen CMS/BMS, um das Alterungsverhalten zu vergleichen und zu validieren.

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