01_Aufmacher

(Bild: Nicole Ahner)

| von Dr.-Ing. Nicole Ahner

Kraftwerk Batterie – Lösungen für Automobil und Energieversorgung: Unter diesem Thema stand die vom Haus der Technik Essen ausgerichtete Advanced Battery Power Konferenz. Die wissenschaftliche Leitung der Veranstaltung hatte das Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) der RWTH Aachen sowie das MEET Batterieforschungszentrum der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster. Beleuchtet wurden unter anderem die Themen Automotive, mobile Anwendungen, Chemie von Lithium-Ionen-Zellen, Sicherheit, Recycling und Diagnostik. Der folgende Beitrag gibt einen Einblick in die Top-Themen der Veranstaltung.

Batterie aufladen – aber schnell!

Advanced Battery Power, Algorithmen für schnelles Aufladen von Batterien sind aktuell ein gefragtes Thema. Boost-Laden, bei dem abhängig vom SOC der Zelle der Ladestrom verringert wird, verhindert das vorzeitige Altern des Speichers.

Bild 1: Algorithmen für schnelles Aufladen von Batterien waren gefragtes Thema auf der Advanced Battery Power Konferenz. Boost-Laden, bei dem abhängig vom SOC der Zelle der Ladestrom verringert wird, verhindert das vorzeitige Altern des Speichers. Hochschule München

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Über 500 Forscher, Entwickler und Firmenvertreter nahmen an der neunten Advanced Battery Power Konferenz 2017 in Aachen teil. Die Konferenz beleuchtete branchenübergreifende Themenstellungen der Batterietechnik wie Automotive-Anwendungen, Batteriemanagement, Sicherheit, Recycling und Elektrodenchemie. Zu den Top-Themen in 2017 zählten Algorithmen zum Schnellladen von Batterien, Entwicklungstrends bei Batteriemanagementsystemen, Super-Kondensatoren und das Recycling von Lithium-Ionen-Zellen.

Das Thema schnelles Laden von Batterien war eines der heißen Themen der Konferenz, vor allem im Bereich der Batterietechnik für Elektroautomobile. Der von BMW unterstützte Beitrag der Hochschule für Angewandte Wissenschaften München definierte schnelles Laden beispielweise als das Aufladen einer Batterie von 10 % auf 80 % ihrer Kapazität innerhalb von 15 Minuten. Das Problem beim schnellen Laden besteht darin, dass durch starkes Aufheizen der Zelle und durch Lithium-Plating die Batterie eine beschleunigte Alterung zeigt. Lösungsansätze dafür sind im Batterie-Layout, der Batterie-Chemie sowie in angepassten Ladealgorithmen zu finden. Algorithmen für schnelles Aufladen beinhalten beispielsweise das Laden mit konstantem Strom und konstanter Spannung, gepulstes Laden und sogenanntes Boost-Charging. Letzteres stellte sich als besonders vorteilhaft für die Lebensdauer der Batterie heraus.

Die Idee hinter dem Ladealgorithmus ist ein zweistufiger Ladezyklus, bei dem innerhalb einer konstanten Ladedauer der zweite Ladeschritt abhängig vom aktuell erreichten SOC (State of Charge) der Zelle berechnet wird. Zu Beginn des Aufladens bei niedrigem SOC ist ein hoher Ladestrom unschädlich für die Zelle, solange er einen definierten Maximalwert nicht übersteigt. Ist ein hoher SOC erreicht, wird der Ladestrom kontinuierlich reduziert. Der Algorithmus berechnet dabei den idealen Zeitpunkt für die Reduzierung des Ladestroms und findet so die optimalen Ladebedingungen, bei denen die Batteriezelle die geringsten Alterungserscheinungen zeigt (Bild 1).

Vom Ampera zum Ampera-e

Advanced Battery Power, Die Batterie des Opel Ampera ist in einem Tunnel in Längsrichtung sowie unter den Rücksitzen untergebracht. Mit einer spezifischen Energie von 84 Wh/kg bringt es der Ampera auf eine Reichweite von 83 km (NEDC).

Bild 2: Die Batterie des Opel Ampera ist in einem Tunnel in Längsrichtung sowie unter den Rücksitzen untergebracht. Mit einer spezifischen Energie von 84 Wh/kg bringt es der Ampera auf eine Reichweite von 83 km (NEDC). Opel

Advanced Battery Power, Beim Opel Amerpa-e nimmt die Batterie den gesamten Unterboden ein. Durch einen Wechsel in der Elektrodenchemie stieg dei spezifische Energie des Speichers auf 140 Wh/kg.

Bild 3: Beim Opel Amerpa-e nimmt die Batterie den gesamten Unterboden ein. Durch einen Wechsel in der Elektrodenchemie stieg dei spezifische Energie des Speichers auf 140 Wh/kg. Opel

Im Bereich Automotive präsentierte Opel die aktuellen Fortschritte der Entwicklung des EREV (Extended Range Electric Vehicle) Ampera-e, der im Frühjahr 2017 auf den Markt kommt. Der Vorgänger Ampera wurde in Europa Ende 2011 vorgestellt. Die Batterie des Ampera ist in einem Tunnel in Längsrichtung des Fahrzeugs sowie unter den Rücksitzen untergebracht (Bild 2). Beim Ampera-e nimmt die Batterie den gesamten Unterboden des Fahrzeugs ein und wiegt insgesamt 430 kg (Bild 3). Der Energiegehalt der Batterie hat sich beim Ampera-e von 16,5 kWh auf 60 kWh erhöht, die spezifische Energie des Batterie-Packs stieg von 84 Wh/kg auf 140 Wh/kg.

Erreicht wurde die erhöhte spezifische Energie der Batterie unter anderem durch einen Wechsel der Elektrodenchemie von Mangan-basierte auf Nickel-reiche Elektroden. Die Reichweite (NEDC) des Fahrzeugs stieg dadurch von 83 km auf 520 km. Der Ampera-e verfügt über drei Ladeoptionen: Mode 2 mit maximal 2,3 kW (AC), Mode 3 mit maximal 7,4 kW (AC) und eine Schnellladeoption mit maximal 53 kW (DC), die dem Fahrer eine Reichweite von 150 km innerhalb von 30 Minuten Ladezeit zur Verfügung stellt. Einen erfolgreichen Testlauf unternahm der Ampera-e 2016 von London zur Pariser Motor Show und hatte nach den absolvierten 417 km noch genügend Kapazität für 80 km Reichweite übrig.

 

Wie die Trends für Batteriemanagementsysteme von Bosch aussehen, zeigen wir auf Seite 2.

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.

 

Wie sich durch Super-Kondensatoren bei einem LKW bis zu 20 % Treibstoff sparen lässt, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Sprit sparen mit Super-Kondensatoren

Advanced Battery Power, China testet aktuell Straßenbahnsysteme für Regionen ohne Oberleitungen. Die Bahnen sind mit Super-Caps und Lithium-Ionen-Batterien ausgestattet, wobei sich letztere als am besten geeignet für Langstreckenverbindungen erwiesen haben.

Bild 7: China testet aktuell Straßenbahnsysteme für Regionen ohne Oberleitungen. Die Bahnen sind mit Super-Caps und Lithium-Ionen-Batterien ausgestattet, wobei sich letztere als am besten geeignet für Langstreckenverbindungen erwiesen haben. Jiaotong-Universität Peking

Der estnische Hersteller von Super- und Ultrakondensatoren Skeleton Technologies stellte auf der Advanced Battery Power Konferenz seine im sächsischen Großröhrsdorf gefertigten Energiespeicher vor. Die Kondensatoren erhalten ihre hohe Energiedichte durch die Verwendung von „curved“ Graphen, das an den Elektroden für eine sehr große Oberfläche zur Speicherung von Ladungsträgern sorgt. Super-Kondensatoren kommen dort zum Einsatz, wo kurze, starke Energieschübe notwendig sind. Sie werden zum Beispiel im Abgassystem von Automobilen zum schnellen Vorheizen eingesetzt. Außerdem findet man die Energiespeicher in aktiven Radaufhängungen, regenerativen Bremssystemen, als lokales Backup für die Automobil-Elektronik und in Start-Stop-Systemen. Sie finden zusätzlich Anwendung in der Stabilisierung des Bordnetzes von Fahrzeugen und in der Sensorversorgung für autonome Fahrzeuge, wie zum Beispiel in Lidar- und Radarsystemen.

Das zyklische Entladen und Laden der Kondensatoren ohne Kapazitätsverlust ist bei Super-Caps von ebenso großer Bedeutung wie in der Batterietechnik, um die Lebensdauer des Speichers zu garantieren. Die Super-Kondensatoren von Skeleton Technologies erreichen Energiedichten bis zu 57 kW/l und kommen aktuell beispielsweise in LKWs mit elektrischem Achsenantrieb als KERS (Kinetic Energy Recovery System) zum Einsatz. KERS ermöglicht dabei Treibstoffeinsparungen von bis zu 20 %.

Super-Kondensatoren sind auch in China auf den Straßen unterwegs, und zwar im On-board-Electric-Storage-System von Straßenbahnen für Kurz- und Langstrecken. Die Pekinger Jiatong-Universität stellte auf der Konferenz eine Studie zum Vergleich der Möglichkeiten von Lithium-Ionen-Batterien (Bild 7) und Super-Kondensatoren in Straßenbahnen für Gebiete ohne Oberleitungen vor. Das System sieht für die Bahnen mit Super-Caps das Nachladen an jeder Haltestelle, und für Lithium-Ionen-Batterien nur jeweils an den Endhaltestellen vor. Die Intersuchungen haben gezeigt, dass besonders für Langstrecken-Bahnen Lithium-Ionen-Batterien besser geeignet sind als Super-Kondensatoren. Laut der Prognose der Forschergruppe kommen in der zweiten Generation des Transportsystems nach 2018 in etwa 80 % aller Bahnen Lithium-Ionen-Zellen zum Einsatz.

(na)

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