Balanceakt auf der Kugel: hohe Stabilität

In einem Forschungsprojekt haben die ETHZ, die ZHAW und die ZHdK Rezero entwickelt. Das ist ein Ballbot, bei dem das Balancieren sowie das Ausreizen des Bewegungspotenzials dieses Gerätes im Vordergrund stehen.

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Sein Merkmal ist der so genannte Ball auf dem er steht. Die Kugel ist eine projekteigene Lösung, die aus einem geometrisch präzisen Aluminium-Hohlkörper und einer 4 mm dicken gummierten, verschleissarmen Oberfläche aufgebaut ist. Die Kugel verfügt über drei im 120-Grad-Winkel angeordnete Omniwheels. Diese Räder werden durch eine Motor-Getriebekombination von maxon angetrieben, die aus jeweils einem maxon EC-4pole 30, einem Planetengetriebe GP 42C und Winkelencoder HEDL 5540 bestehen. Geregelt werden die Antriebe über die Positioniersteuerungen EPOS 70/10.

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Application-Note: Stabilität und Dynamik – und das auf einer Kugel?

2020 fand die Advanced Automotive Battery Conference Europe (AABC) im Rhein-Main-Congress-Center in Wiesbaden statt. Zellchemie, Batterie-Engineering, Recycling und Rohmaterialien gehörten zu den zentralen Themen. Im Folgenden fassen wir die Highlights aus dem Batterie-Engineering zusammen.

Wie sich die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien bis 2040 entwickeln wird, zeigte Natalia Lebedeva von der Europäischen Kommission. An den weltweit produzierten Lithium-Ionen-Speichern hatte Europa 2018 nur einen Anteil von drei Prozent. Auf die Frage, wie es denn besser ginge, lautete die Antwort: Europa kann bei der Entwicklung sicherer Batterien punkten.

Genau diese Bilder sind es, die für Skepsis hinsichtlich des großflächigen Einsatzes von Lithium-Ionen-Akkus sorgen. Das Hauptproblem der Speicher ist der leicht entzündliche Elektrolyt – ganz besonders dann, wenn dieser ungebunden in der Zelle vorkommt.

Auf dem Markt befinden sich ganz unterschiedlich konstruierte Lithium-Ionen-Zellen – auch solche, bei denen kein freier Elektrolyt vorhanden ist. Die Mehrzahl der in PHEVs oder BEVs verbauten Akkus enthält jedoch teilweise 20 ml und mehr ungebundenen Elektrolyt pro Zelle. Damit reicht bereits eine Zelle aus, um den Energiespeicher hinsichtlich toxischer Substanzen wie Dimethylcarbonat (DMC) in PAC-Level 2 (Protective Action Criteria, US-Standard für toxische Substanzen) einzustufen.

Die EU unterstützt die Batterieentwicklung durch umfangreiche Fördermaßnahmen und hat unter anderem im Juni 2019 die European Technology and Innovation Platform (ETIP) ins Leben gerufen. Sie unterstützt strategische Forschung und Innovation im Batteriesektor über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg und setzt sich aktuell aus Unternehmen aus sieben EU-Mitgliedsstaaten zusammen.

Abgesehen von Sicherheitsbedenken gibt es noch mehr Herausforderungen auf dem Weg hin zur elektrifizierten Mobilität, wie Voltaiq-CEO Tal Sholklapper zeigte. Der Branche fehlt die Erfahrung, denn für die Menge an notwendiger Entwicklungsarbeit gibt es einfach nicht genügend Ingenieure mit Erfahrung im Batterie-Umfeld. Außerdem ist die Batterieentwicklung alles andere als schnell: Die Batterielebensdauer richtig einzuschätzen sowie die Qualifizierung von Materialien nehmen sehr viel Zeit in Anspruch. Und letztlich mangelt es ebenfalls an zuverlässigen Daten als Grundlage für Analysen und Simulationen.

Das Thermomanagement ist eines der wichtigsten Themen im Batterie-Engineering. Dabei geht es nicht nur um Sicherheitsaspekte, sondern auch um die Lebensdauer der Batterie. Alastair Hales vom Imperial College London erläuterte, wie die unvermeidlichen Temperaturgradienten zu höheren Degradierungsraten des Energiespeichers führen.

Tab Cooling oder Surface Cooling? Die Tab-Kühlung hat den Vorteil, dass es deutlich weniger Unterschiede zwischen den einzelnen Batterielagen gibt, während sich bei der Oberflächenkühlung jede Lage anders verhält. Allerdings ist die mittlere Gesamttemperatur der Zelle beim Tab-Cooling höher, weshalb sie keine Universallösung für alle Zellen ist. <a href="https://www.all-electronics.de/wie-tab-cooling-von-lithium-ionen-batterien-funktioniert"/>Dieses Video erklärt Tab Cooling im Detail.</a>

Das thermische Durchgehen (Thermal Runaway) von Batteriezellen ist ein hohes Sicherheitsrisiko. Eine überhitzte Zelle steckt dabei ihre Nachbarn an; das Resultat sind teilweise verheerende Batteriebrände, die über mehrere Stunden dauern können. Eine Möglichkeit, den Thermal Runaway zu verhindern, ist das Einkapseln der Batteriezellen in Silikone – eine Methode die Julien Richeton von Dow Performance Silicones vorstellte.

Um die Wirksamkeit der Einkapselung zu demonstrieren, entwarfen die Entwickler ein Mini-Batteriemodul mit neun zylindrischen Zellen, von denen eine mit einem Heizer versehen ist. Diese Zelle wurde gezielt durch Überhitzung zur Explosion gebracht und steckte nach nur zwei bis drei Sekunden die benachbarten Zellen an, woraufhin das Batteriemodul komplett ausbrannte.

Das Ergebnis des Versuchs mit Silikon-Einkapselung von Dow: Die mittlere Zelle ist defekt, aber die anderen Zellen bleiben unbeschädigt; das Feuer erlischt nach weniger als einer Minute. Ein ähnliches Ergebnis ist auch mit Silikon-Schäumen erreichbar, die noch einmal weniger Gewicht auf die Waage bringen. <a href="https://www.all-electronics.de/silikon-verkapselung-schuetzt-li-ionen-akkus-vor-thermal-runawa/">Diese zwei Videos zeigen das Verhalten des Batteriemoduls ohne und mit eingekapselten Batteriezellen.</a>

Auch Tomohiro Kawai von Mitsubishi Chemical stellte Lösungen für das Thermomanagement und die Brandverhinderung bei Lithium-Ionen-Batterien vor. Das Unternehmen entwickelt elektrische und thermische Isolationen, Klebstoffe, Spacer und Gapfiller für Batteriemodule.

Beim Design der Thermomanagement-Lösung ist dabei zu beachten, dass sich die Wärmeleitpfade je nach Zelltyp und Moduldesign deutlich voneinander unterscheiden.

Gerade bei Siliziumanoden ist beim Moduldesign zu beachten, dass diese „atmen“. Daher muss den Zellen mehr Platz eingeräumt werden. Außerdem vermindert ein höherer Abstand zwischen den Zellen auch das Risiko des thermischen Durchgehens.

Mitsubishi Chemical schlägt zur Vermeidung des Thermal Runaway ein „Switching Sheet“ vor. Dieses besitzt bei Normaltemperatur im Batteriemodul eine gute Wärmeleitfähigkeit, sodass sich die Wärme gut über alle Zellen verteilen kann. Es ist außerdem gut verformbar und behindert damit nicht das Atmen der Zellen. Erreicht die Temperatur einer Zelle jedoch einen kritischen Wert, ändern sich die Materialeigenschaften des Spacers und er wird zu einem guten Isolator und trennt damit die überhitzte Zelle vom Rest des Moduls ab.

Ist die Lithium-Ionen-Zelle einmal verschweißt, stellt sich für den Entwickler die Frage, ob sie auch wirklich dicht ist. Ein Entweichen des Elektrolyten wäre fatal. Sandra Seitz von Inficon erklärte, wie sich Elektrolyt-Lecks detektieren lassen.

Neu im Portfolio von Inficon ist der ELT3000-Elektrolyt-Lecktester, der bald auf den Markt kommen soll. Dieser nutzt Unterdruck bis 5 mbar (Absolutdruck!), um den Elektrolyten aus der Zelle zu treiben. Zur Detektion der Lösungsmittel (DMC, DEC, EMC, EC, PP) nutzt der Lecktester Massenspektrometrie.
Der Unterdruck ist für Pouch-Zellen eigentlich gefährlich, aber auch dafür gibt es eine Lösung ...

...in Form der flexiblen Testkammer des ELT3000. Das Evakuieren des Lecktesters ist problematisch für Pouchzellen, denn diese blähen sich bei Unterdruck auf, wodurch sie auch beschädigt werden können. Die flexible Testkammer des ELT3000 hält mit einer Gegenkraft während der Messung die Pouchzelle in Form.

Auch ZSW ist aktiv bei der Entwicklung von Lösungen für das Verhindern eines Thermal Runaways von Lithium-Ionen-Batterien. Olaf Böse (ZSW) erläuterte unter anderem, über welche Komponente im Batteriemodul sich die Hitze bei der Zerstörung einer Zelle (Nailed Cell) am stärksten ausbreitet. Im hier dargestellten Fall ist dies der Cell Connector.

Mit einem Barrierematerial von nur 1,4 mm Dicke ließ sich der Thermal Runaway in diesem System aus zwei Lithium-Ionen-Zellen gut unterdrücken. Ohne Barriere dauerte es 38 Sekunden, bis die Nachbarzelle thermisch durchging.

Den Mangel an Batteriedaten will Batemo angehen. Michael Schönleber zeigte, wie das Unternehmen aus den Zellen des jeweiligen Anwenders ein präzises Modell erstellt: die Batemo-Zelle.

Anhand der Batemo-Zelle ist es möglich, eine optimierte Schnelllade-Strategie für die jeweilige Batterie zu erstellen, die die Alterung der Zellen so gering wie möglich hält. Grundlage ist die präzise Überwachung des Anodenpotenzials. Sinkt dieses Potenzial unter 0 V kommt es zum Lithium-Plating an der Anode, was den State-of-Health der Batterie negativ beeinflusst.

Welche Ereignisse können zum thermischen Durchgehen einer Lithium-Ionen-Batterie führen? Mechanische Beschädigungen durch Unfälle, Überladen, interne Kurzschlüsse und Überhitzung. Wie sich das TMS und das BMS mit Daten von Heat-Flux-Sensoren optimieren lässt, zeigte Carlos Ziebert vom KIT.

Heat-Flux-Sensoren können den Wärmefluss aus Wärme-Konvektion, -Leitung und -Strahlung ermitteln. Die hier gezeigte PHEV1-Zelle ist mit 87 gleichmäßig verteilten HFS ausgestattet, wodurch sich Wärmeflussdichte und Oberflächentemperatur präzise bestimmen lassen.

Subhajeet Rath vom TNO zeigte, wie sich die Temperatur zylindrischer Lithium-Ionen-Zellen einschätzen und vorhersagen lässt. Die präsentierte Lösung ist ein Thermal-State-Observer auf Basis eines Kalman-Filters. Der Observer ist in der Lage, die Batterietemperatur anhand von realen Messdaten vorherzusagen – auch in Echtzeit.

Wie komplex die Zellentwicklung sein kann und dass jede Anwendung andere Anforderungen stellt, erklärte Customcells-CEO Torge Thönnessen. So stehen beim Auto schnelles Laden, Kosten und Energiedichte im Mittelpunkt, während Anwendungen wie Gabelstapler auf Leistungsfähigkeit und Zyklenstabilität achten müssen.

Beispiel Pouch-Zelle: Hier gilt es, mindestens 13 verschiedene Komponenten optimal für die jeweilige Anwendung zu entwickeln. Dazu zählen unter anderem das Substrat, die Elektrodenchemie, der Separator, das Packaging, die Anschlüsse und das Cell Balancing.

Am Anfang des Lithium-Ionen-Zelldesigns steht die Auswahl der Kathoden- und Anodenchemie. Hier muss der Entwickler das Optimum aus Energiedichte, Leistungsfähigkeit, Sicherheit, Stabilität und Kosten/Ah für die entsprechende Anwendung finden.

Auch die Größe der Zellen ist entscheidend: Große Zellen bieten zum Beispiel eine höhere Energiedichte, da sie weniger inaktive Materialien enthalten, und das BMS ist weniger komplex. Gegen große Zellen spricht jedoch das erhöhte Sicherheitsrisiko aufgrund der hohen Energiedichte.

Dass nicht jede Anwendung im Auto unbedingt eine Lithium-Ionen-Batterie benötigt, zeigte Michael Gilchrist von Highwater Innovations. Im 48-V-Mild-Hybrid lässt sich auch eine VRLA-Batterie (Valve Regulated Lead Acid) einsetzen. Die GO-Batterie (Geometrical Optimized) mit 1022 W/kg kann bei spezifischer Energie und Leistungsfähigkeit mit Lithium-Ionen-Akkus durchaus mithalten.

Geometrisch optimiert ist die Blei-Säure-Batterie durch ihre Wicklung mit niedrigem Aspektverhältnis. Die Zellen lassen sich stapeln. Ein erster funktionsfähiger Prototyp kommt auf 12 V und hat einen Footprint von 38 x 8 cm².

Die GO-Batterie lässt sich an vielen Positionen im Auto verbrauen, zum Beispiel unter dem Sitz, hinter den Rücksitzen, im Kofferraum, im Unterboden oder im Motorraum.

Wie gefragt die im Battery-Engineering-Symposium der AABC Europe 2020 präsentierten Lösungen sind, war am über zwei Tage prall gefüllten Tagungsraum zu sehen. Die AABC findet seit 17 Jahren in Europa, Asien und Nordamerika statt.

Themen:

Gleichstrom-Motoren, Mikroantriebe, Elektromotoren, Kleinmotoren