Bild 1: Wie können künftige Wiederverwendungsmöglichkeiten für Batterien von E-Fahrzeugen geschaffen werden? (Bild: @istockphoto.com)
Wiederaufladbare Batterien mit großer Kapazität sind für viele Anwendungen ein wesentlicher Bestandteil einer Zukunft, die durch nachhaltige Energie geprägt ist. Sie mindern beispielsweise Versorgungsprobleme in Zeiten hoher Netzauslastung beziehungsweise bei plötzlichem Nachfrageanstieg von erneuerbaren Energien sowie in Unternehmensinstallationen und Privathaushalten. Sie sind auch für die Zukunft von Elektrofahrzeugen (EVs) und industriellen Transportmitteln von entscheidender Bedeutung. Hier sind zuverlässige, sichere und leistungsstarke Batterien erforderlich, die den Anforderungen des Straßenverkehrs gewachsen sind und die Erwartungen der Verbraucher erfüllen.
Zuverlässige und sichere Batterien zu entwickeln, die gleichzeitig leistungsstark sind, galt bisher als Widerspruch: Um Ersteres zu gewährleisten, musste man Letzteres opfern. Dies war größtenteils darauf zurückzuführen, dass die meisten Batteriepacks aktuell aus Sicherheitsgründen über große Puffer verfügen, um den Mangel an fein abgestimmten Überwachungstools in ihren Designs zu kompensieren.
Beispielsweise sind Temperatursensoren, die für die Batteriesicherheit während des Ladens und Entladens unerlässlich sind, normalerweise auf einen pro Batteriemodul beschränkt, da die Herstellung komplex und teuer ist. Ein Modul kann acht bis 16 Zellen haben. Selbst bei einem Temperatursensor pro acht Zellen verfügen 87,5 Prozent der Zellen über keine direkte Temperaturmessung. Es gibt jedoch Innovationen, die darauf abzielen, die Batteriezellenüberwachung zu optimieren.
Wie kann die Zellüberwachung das Batteriedesign optimieren?
Bei einem typischen Batterieaufbau begrenzt die erforderliche Verkabelung die Flexibilität der Zellenüberwachung. Dies kann dazu führen, dass die Temperaturüberwachung nur zellübergreifend und nicht bei jeder Zelle einzeln stattfindet. Alternativ kann aber die Überwachung einzelner Zellen dazu beitragen, Hochleistungsbatterien zu schaffen, die sicherer und zuverlässiger, sowie durch eine längere Lebensdauer auch nachhaltiger sind.
Durch die Überwachung jeder einzelnen Zelle ist sehr hohe Granularität bei der Temperaturerfassung möglich. Dies sorgt für eine Systemverbesserung und mehr nutzbare Energie pro Zelle. Darüber hinaus kann der Überwachungschip das Batterie-Management-System und damit den Benutzer viel früher alarmieren, lange bevor es zu einem thermischen Durchgehen einer Zelle kommt, was schlussendlich die Systemsicherheit erhöht.
Das Halbleitertechnologieunternehmen Dukosi sorgt für Fortschritte in der Zellüberwachungstechnologie: Es hat eine Lösung entwickelt, welche die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit von Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Kapazität für Anwendungen wie Elektrofahrzeuge, Industrietransport und Batterieenergiespeicheranwendungen erheblich verbessern kann. Die Technologie eliminiert auch viele der Hindernisse, die der Wiederverwendung von Zellen im Wege stehen. Dadurch ermöglicht sie eine nachhaltige Lieferkette und fördert die Kreislaufwirtschaft.
Chip-on-Cell-Technologie fördert die Wiederverwendung von Batterien
Die Innovation besteht darin, auf jeder einzelnen Zelle eines Batteriepacks einen Cell-Monitor-Chip anzubringen (Bild 2).
Jeder Chip enthält einen eigenen Prozessor, einen digitalen Signalprozessor (DSP), einen Temperatursensor. Zudem ist sie erweiterbar, sodass weitere Sensoren unterstützt werden können. Jeder Zellmonitor misst kontinuierlich den Echtzeitzustand der Zelle. In einem Netzwerk können über 200 solcher Cell-Monitor-Chips durch einen eigens entwickelten System-Hub-Chip verbunden werden. Dieser System-Hub-Chip wird in den Main BMS Controller integriert.
Im Vergleich zu einer typischen kabelgebundenen Lösung ist eine solche Architektur von Natur aus flexibel und skalierbar, ohne dass ein Neudesign oder eine Neuzertifizierung erforderlich ist. Dadurch sind auch neue Designs ohne Modulstruktur möglich, die besser auf Änderungen in der Lieferkette oder Marktanforderungen zugeschnitten sind.
Der System-Hub kommuniziert mit allen Zellmonitoren mithilfe einer drahtlosen Nahfeldtechnologie: Eine Busantenne wird durch die Batterie über jeden Zellmonitor geführt oder kann auch in das Gehäuse selbst integriert werden – ideal für aktuelle Cell-to-Pack-Architekturen. Diese Art von Design reduziert die Anzahl der Komponenten im Vergleich zu den komplexen Kabelbäumen und Anschlüssen in einem typischen kabelgebundenen Batteriedesign um das bis zu Zehnfache und verdoppelt gleichzeitig die Zuverlässigkeit.
E-Mobility: Batterie und Sicherheit
Wie entstehen bessere E-Auto-Batterien und sind sie sicher? Bewährte und neue Batterietechnologien von Entwicklung bis Recycling, Brandschutz von Simulation über Materialien bis Batteriemanagement und Safety-Konzepten, sowie Testverfahren von EMV bis Sicherheit. Die Technologien dahinter finden Sie hier.
Darüber hinaus ermöglicht das vereinfachte und skalierbare Design eine vollständig automatisierte Produktion, wodurch Gigafabriken effektiver skaliert werden können. Das drahtlose Design ist robust und stellt gleichzeitig eine vergleichbare Leistung wie kabelgebundene Systeme zur Verfügung. Gleichzeitig ist die Lösung bei Vibrationen und Stößen deutlich weniger störanfällig als herkömmliche Steckverbinder im Langzeitgebrauch. Auch bekannten Limitierungen von traditionellen drahtlosen BMS-Lösungen wie Interferenz, Qualifikation und Sicherheitsanforderungen kann die Technologie entgegenwirken.
Für die Kommunikation zwischen den Zellmonitoren und dem System-Hub hat Dukosi ein eigenes proprietäres Protokoll mit dem Namen C-SynQ entwickelt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kommunikationsprotokollen ist C-SynQ von Grund auf für anspruchsvolle, sicherheitskritische Umgebungen in großen Batteriesystemen konzipiert. Es sorgt für eine synchrone Datenerfassung aller Zellen und stellt sicher, dass das BMS auch bei sich schnell ändernden Stromanforderungen, wie beispielsweise einer plötzlichen Beschleunigung eines Elektrofahrzeugs, die richtigen Entscheidungen treffen kann.
Second-Life-Anwendungen
Mit der zunehmenden Akzeptanz von Elektrofahrzeugen durch die Verbraucher wird die Frage, wie wir die Nachhaltigkeit von Elektrofahrzeugbatterien sicherstellen, immer wichtiger. Was passiert, wenn eine Batterie das Ende ihrer Lebensdauer erreicht hat?
Nutzer von Elektrofahrzeugen reagieren sehr empfindlich auf den Rückgang der nutzbaren Kapazität der Batterie im Laufe ihrer Lebensdauer. Die nutzbare Kapazität bestimmt effektiv das Ende der Verwendbarkeit einer Batterie im Fahrzeug. Doch auch zu diesem Zeitpunkt könnten die Zellen in einer Batterie noch für andere Zwecke nützlich sein, etwa für stationäre Energiespeicher, bei denen das Verhältnis von Leistung zu Platz und Gewicht viel weniger Bedeutung hat.
Angesichts der Rohstoffe, die in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden und der schnell wachsenden globalen Märkte für Elektrofahrzeuge, ist es notwendig, Hürden für die Wiederverwendung zu überwinden, um eine nachhaltige Zukunft für die Batterielieferkette sicherzustellen. Selbst in Märkten, in denen Umwelt, Soziales und Governance (ESG) weniger im Fokus stehen, wird es eine Kreislaufwirtschaft fördern, neue Marktchancen im Bereich des Weiterverkaufs von Batterien zu erschließen.
Verstärkte Regulierungen durch europäische Batterieverordnung für die Industrie
Im Jahr 2016 hat das Weltwirtschaftsforum die Global Battery Alliance (GBA) ins Leben gerufen, um bis 2030 eine nachhaltige Batterie-Wertschöpfungskette aufzubauen. Zu Beginn ihrer Arbeit konzipierte die GBA einen Batterie-Pass, einen digitalen Zwilling für Batterien. Am 17. August 2023 wurde die europäische Batterieverordnung (Verordnung 2023/1542) vom Europäischen Rat verabschiedet. Ziel der Verordnung ist es, eine harmonisierte Gesetzgebung für die Nachhaltigkeit und Sicherheit von Batterien zu schaffen.
Die europäische Batterieverordnung zielt darauf ab, eine digitale Datenbank der Batterien und ihren Eigenschaften zu erstellen und sie über ihre gesamte Lebensdauer zu verfolgen, um ein gewisses Maß an Sicherheit in der Lieferkette zu gewährleisten und die Wiederverwendung zu fördern. Allerdings bezieht sich die Regelung nur auf die komplette Batterie und nicht auf die einzelnen Zellen im Inneren. Dies schränkt die Möglichkeiten der Wiederverwendung ein, da die Nutzungsdaten über die gesamte Lebensdauer, der Gesundheitszustand (SoH), die Materialquelle und andere Daten jeder einzelnen Zelle unsichtbar werden, sobald diese Zellen aus ihrem ersten BMS entfernt werden.
Aufgrund des Mangels an Informationen darüber, wofür eine Zelle zuvor verwendet wurde, ist es notwendig, jede Zelle als potenzielles Risiko zu betrachten. Das schrenkt die Wiederverwendungsmöglichkeiten ein, selbst wenn die meisten Zellen in einem guten Zustand sind. Darüber hinaus ist es eine große Herausforderung die interne Chemie einer Zelle zu analysieren, ohne sie zu zerlegen.
Neben der Echtzeitüberwachung verfügt der Zell-Monitor-Chip auch über einen Flash-Speicher, der die Zelldaten ab dem Zeitpunkt der Chipinstallation speichert. Idealerweise geschieht dies bereits während der Zellherstellung, sodass die Zelle auch während des Versands, der Lagerung und anschließenden Nutzung überwacht werden kann. Material- und Beschaffungsdaten und andere nützliche Informationen, die unter einem eindeutigen Protokoll (ID) aufbewahrt werden (Bild 3), können ebenfalls gespeichert werden.
Die zellbasierten Lebensdaten ermöglichen eine sichere und genaue Bewertung jeder Zelle und können mithilfe eines drahtlosen Lesegeräts, das in die Produktionslinie integriert ist, oder über einen Handscanner, eingelesen werden. Dies sorgt nicht nur für mehr Vertrauen in der Lieferkette bei der ersten Verwendung, sondern auch bei der späteren Wiederverwendung. Der Chip zeichnet die Daten über die gesamte Nutzung auf, bis die Zelle endgültig recycelt wird.
Chip-on-Cell-Lösung: Optimierung von Betrieb und Lebenszyklus
Die Überwachung der Batterie ist ein entscheidendes Element in Elektrofahrzeugen. Aktuelle Designs verfügen allerdings nicht über die nötige Anpassungsfähigkeit, die die Automobilindustrie fordert. Von der Montage über den Betrieb bis hin zu Second Life und Recycling besteht klares Potenzial zur Verbesserung, die durch kontaktlose Zell-Überwachung erreicht werden kann.
Um die Vorteile der Chip-on-Cell-Lösung voll auszuschöpfen, müssen Zellhersteller einen Paradigmenwechsel vollziehen und die Lösung vollumfänglich integrieren, um vom ersten Tag an Zugriff auf die Lebensdaten jeder Zelle zu haben. Allerdings bietet die spätere Integration des Chips, zum Beispiel während der Modul-Montage, ebenfalls viele Vorteile.
Dank umfangreicher Forschung und Entwicklung hat Dukosi die Start-up-Phase übersprungen und befindet sich derzeit in der Scale-up-Phase, da es mit seinen ersten Partnern für verschiedenste Anwendungen zusammenarbeitet. Ende letzten Jahres kündigte das Unternehmen eine Zusammenarbeit mit Suzhou Hengmei Electron Technology in China an und verschaffte sich so Zugang zum dortigen, schnell wachsenden Markt. (bs)