Batteriemanagement – die Zukunft ist dezentral

Advanced Battery Power, Bild 4: Die Aufgaben eines BMS sind vielfältig - es sorgt für einen sicheren Betrieb der Batterie, misst und überwacht Temperaturen, SOC und SOH und speichert die Historie der Batterie.  Bosch

Bild 4: Die Aufgaben eines BMS sind vielfältig – es sorgt für einen sicheren Betrieb der Batterie, misst und überwacht Temperaturen, SOC und SOH und speichert die Historie der Batterie. Bosch

Einen Ausblick auf die Zukunft des Batteriemanagements im Hochvolt-Bereich gab Bosch Battery Systems auf der Advanced Battery Power. Bis 2025 sollen die Anzahl von Plug-in-Hybridfahrzeugen auf 8 Millionen und Elektrofahrzeugen auf 8,3 Millionen steigen, während die Anzahl an Hybrid-Fahrzeugen langsam abnimmt. Dementsprechend verändern sich auch die Produktionskapazitäten für Batterien: Heute noch vom Konsumermarkt dominiert, übernehmen Automotive-Anwendungen perspektivisch die Führung. Die Batterie bleibt das ausschlaggebende Element für Elektromobilität und soll 2025 63 % des Gesamtgewichts und 69 % der Kosten für ein Fahrzeug ausmachen.

Dem Batteriemanagementsystem (BMS) kommt dabei besondere Bedeutung bei, denn es ist für den sicheren Betrieb der Batterie zuständig und soll kritische Betriebszustände, den Deep-of-Discharge und Überladungen vermeiden, sowie die Hochvolt-Sicherheit überwachen (Bild 4). Zudem trägt das BMS dazu bei, die Lebensdauer der Batterie zu garantieren: Es balanciert unterschiedliche Ladezustände der Zellen aus, hält die Temperatur im sicheren Bereich und stellt den Betrieb der Batterie im optimalen SOC-Fenster sicher. BMS für Elektrofahrzeuge müssen Schnittstellen für die mechanische, elektrische und thermische Integration ins Automobil bieten, alle notwendigen Daten wie SOC, SOH (State of Health) sowie die verfügbare Energie messen und berechnen sowie für weitere Analysen die Historie des Betriebs speichern.

Zukünftige Entwicklungen für Batteriesysteme sind vor allem getrieben durch die hohe Nachfrage nach Schnelllade-Algorithmen sowie der voranschreitenden Standardisierung von Batterie-Gehäusen im Automotive-Bereich. Dabei geht der Trend hin zum dezentralisierten BMS. Zentralisierte Systeme sind besonders hinsichtlich der Verdrahtung komplex und anfällig für elektromagnetische Störfelder, durch die beispielsweise der Mikrocontroller der Batteriekontrolleinheit verfälschte Messdaten erhält. Dezentrale BMS können per CAN oder Daisy-Chain arbeiten, wobei Systeme für CAN teuer und komplex sind und nur über eine eingeschränkte Bandbreite verfügen.

Daisy-Chain-Systeme sind durch kurze Verdrahtungen deutlich weniger anfällig für EM-Störungen, weit weniger komplex und damit preiswerter. Diese Systeme benötigen kleinere Platinen, verbrauchen nur etwa die Hälfte der Energie von CAN-Systemen, sind schneller initialisierbar und verfügen über eine höhere Messgenauigkeit und Mess-Bandbreite. Allerdings benötigt ein Daisy-Chain-System auch einen sehr leistungsfähigen Mikrocontroller. Bosch Battery Systems setzt den Fokus von 2017 bis 2020 auf die Weiterentwicklung dezentaler Systeme, wobei die Kommunikation innerhalb eines BMS perspektivisch drahtlos ablaufen soll. Ein solches Wireless-BMS stellte Linear Technology gemeinsam mit Lion auf der Konferenz vor. Das BMS ist zu Testzwecken in einem BMWi3 verbaut.

Li-Ionen-Batterien und Recycling – warum es sich lohnt

Advanced Battery Power, Bild 5: Wie effizient das Recycling von Batterien ausfällt, hängt neben den Masseanteilen des Materials auch maßgeblich vom Marktwert des wiedergewonnenen Metalls ab. Im Vergleich zu Nickel und Cobalt hat Lithium dabei durch seinen geringen Wert einen schweren Stand. IME, RWTH Aachen

Bild 5: Wie effizient das Recycling von Batterien ausfällt, hängt neben den Masseanteilen des Materials auch maßgeblich vom Marktwert des wiedergewonnenen Metalls ab. Im Vergleich zu Nickel und Cobalt hat Lithium dabei durch seinen geringen Wert einen schweren Stand. IME, RWTH Aachen

Advanced Battery Power, Zur Vorbereitung des Recyclings von Lithium-Ionen-Zellen wird die Zelle zunächst entladen bzw. passiviert. Letzeres kann beispielsweise in flüssigem Stickstoff geschehen.

Bild 6: Zur Vorbereitung des Recyclings von Lithium-Ionen-Zellen wird die Zelle zunächst entladen bzw. passiviert. Letzeres kann beispielsweise in flüssigem Stickstoff geschehen. IME, RWTH Aachen

Während Blei aus Batterien zu nahezu 100 % wiedergewonnen wird, findet derzeit bei Lithium-Ionen-Batterien praktisch keine Rückgewinnung von Lithium statt. Die Effizienz eines Recycling-Prozesses hängt stark vom Massenanteil des Materials (Bild 5) an der Batterie ab, aber noch vorrangiger vom Marktwert des Materials. Anodenmaterialien haben beispielsweise einen hohen Masseanteil, aber meist nur einen geringen wirtschaftlichen Wert. Lithium als Kathodenmaterial kostet lediglich 9 US-Dollar je kg, während Cobalt mit 52 US-Doller je kg zu Buche schlägt. Unterschiedliche Kathoden-Zusammensetzungen haben beim Recycling auch unterschiedlichen wirtschaftlichen Wert: LFO bringt nur 20 US-Dollar je kg, während NCM111 bis zu 40 US-Dollar je kg einbringt.

Neben dem geringen wirtschaftlichen Wert von Lithium gibt es andere Stolpersteine auf dem Weg zum Recycling. Lithium ist in Batterien stark verdünnt vorhanden und ist kein edles Metall. Daher gestalten sich Wiedergewinnungsprozesse sehr komplex und sind teuer. Außerdem existier kein einheitliches System zur Entsorgung von Lithium-Ionen-Batterien. Die ständige Weiterentwicklung der Zellen erschwert auch das Recycling, da Prozesse kontinuiertlich den aktuellen Technologien angepasst werden müssen. Zusätzlich gibt es kaum politischen Druck und nicht genügend Anreize, um die Versorgung mit Lithium statt aus dem Abbau des Materials, aus großflächig angelegtem Batterie-Recycling sicherzustellen. Daher rufen Recycling-Experten wie beispielsweise das IME (Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung) der RWTH Aachen nach mehr Initiative von Seiten der Europäischen Union, das Lithium-Recycling gesetzlich zu regeln.

Das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien beginnt mit der Vorbehandlung der Zellen. Diese erfolgt beispielsweise mittels Pyrolyse, die den Elektrolyten, Plastik und Halogene entfernt. Entladen lassen sich die Zellen durch einen kontrollierten Kurzschluss oder durch ein Bad in einer elektrisch leitenden Salzlösung. Eine Passivierung der Zellen kann jedoch auch in flüssigem Stickstoff erfolgen (Bild 6). Eine aktuell in der Entwicklung befindliche Technik auf Mikrowellenbasis folgt dem Ansatz, dass einige Metalle bei hohen Temperaturen Mikrowellenstrahlung absorbieren. Im Vergleich zur konventionellen Pyrolyse kommen hier höhere Aufheizraten von 8 °C bis 12 °C je Sekunde zum Einsatz. Der Vorteil der Technologie ist ihre mit 180 Sekunden kurze Dauer sowie die Fähigkeit, sowohl den Elektrolyten als auch so gut wie alle anderen organischen Anteile der Zelle zu entfernen. Außerdem wird die Trennung von wertvollem Metall von Metallfolien durch den Mikrowellenprozess deutlich erleichtert.

Die eigentliche Lithium-Rückgewinnung erfolgt durch thermische Behandlung des Elektrodenmaterials, nachdem es pulverisiert wurde. Durch eine Phasentransformation bildet sich dabei wasserlösliches Lithiumcarbonat, das aus der wässrigen Lösung zurückgewonnen wird. Die Recyclingprozesse am IME erreichen aktuell eine Ausbeute von mehr als 80 %, besitzen eine Materialselektivität von 99 % und benötigen eine vergleichsweise geringe Temperatur von 350 °C. Bei den aktuellen Prozessen kommen keine weiteren Chemikalien zum Einsatz und es entsteht kein Verlust an Cobalt oder Nickel. Alternativen für die Metall-Extrahierung sind hydrometallurgische und pyrometallurgische Prozesse.

 

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