Wie ein Zellüberwachungssystem das Batteriedesign verändert

Die Batterietechnologie entwickelt sich stetig weiter, steht jedoch unter enormem Druck. Der vielfältige Wettbewerb zwingt Batterieentwickler und -betreiber branchenübergreifend – von Elektrofahrzeugen (xEVs) über Energiespeicher bis hin zu industriellen Anwendungen – immer mehr Leistung, Sicherheit, Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit zu gewährleisten und gleichzeitig Kosten, Komplexität und regulatorische Vorgaben zu adressieren.

Obwohl Kompromisse im Design oft unvermeidbar sind, wird immer deutlicher, dass traditionelle Batteriearchitekturen in vielen Hochvoltanwendungen zu viele Nachteile mit sich bringen. Um diesen wachsenden Anforderungen gerecht zu werden, sind Innovationen erforderlich, die Informationen auf einem bisher nicht realisierbaren Niveau erfassen und verarbeiten, und gleichzeitig eine skalierbare, reproduzierbare Fertigung mit exzellenter Ausbeute ermöglichen.

Wie sichere Batteriezellen die Nachhaltigkeit fördern

Wie kann die Überwachung der einzelnen Batteriezelle und die Rückverfolgbarkeit über die gesamte Lebensdauer das Design von Hochleistungsbatterien verbessern? Wie können Wiederverwendungsmöglichkeiten geschaffen werden? Dieser Beitrag gibt Antworten.

Vor diesem Hintergrund heben sich Innovationen wie das Cell Monitoring System (DKCMS) von Dukosi ab.

Leistung, Sicherheit und Produzierbarkeit

Hochvolt-Akkupacks müssen eine möglichst hohe Energiedichte, ein effektives Wärmemanagement, robuste Sicherheit und eine genaue Schätzung des Ladezustands (SoC) und des Gesundheitszustands (SoH) gewährleisten, wobei Kosten, Bauteilanzahl, Montagefreundlichkeit und Volumen/Gewicht je nach Anwendung berücksichtigt werden müssen.

Wäre dies nicht schon eine ausreichend komplexe Herausforderung, so wird in vielen Fällen, insbesondere im Automobilsektor, derselbe Akku für verschiedene Plattformen eingesetzt. Zumindest wollen Entwickler nicht für jede Preisklasse einen neuen Akku von Grund auf neu entwickeln. Dennoch ist es entscheidend, einen Akku für jedes spezifische Design zu optimieren, wodurch ein Spannungsverhältnis zwischen Modularität, Skalierbarkeit und anwendungsspezifischer Leistung entsteht.

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Die Herausforderungen erstrecken sich auch auf den Betrieb und das Management von Batterien. Betreiber fordern zunehmend Batterien mit Lebenszyklusanalyse, die sowohl Fehler im Betrieb erkennen als auch die Batterien von der Herstellung bis zum Recycling zurückverfolgen können. Beispielsweise erhöhen regulatorische Rahmenbedingungen wie die EU-Batterieverordnung, die digitale Batteriepässe für Batterien mit einer Kapazität von über 2 kWh vorschreibt, die Anforderungen an die Rückverfolgbarkeit. 

Zellüberwachung als Basis aktueller Hochvoltbatterien

Die Erfüllung dieser Anforderungen erfordert kontinuierliche und detaillierte Informationen, nicht nur auf Pack-, sondern auch auf Zellenebene. So lässt sich Herkunft, Nutzungshistorie und Ladezustand (SoH) während der gesamten Betriebsdauer der Batterie und auch in Zweitnutzungsanwendungen nachweisen, selbst wenn die Zellen einzeln wiederverwendet werden. Herkömmliche kabelgebundene Architekturen, die Sensormessungen auf Modul- oder Packebene weiterleiten, können jedoch nicht die erforderliche Informationsgenauigkeit liefern und gleichzeitig die für ein optimiertes Batteriedesign notwendige Konfigurierbarkeit und Flexibilität gewährleisten.

Betrachtet man die Anforderungen von Batterieentwicklern und -betreibern, wird deutlich, dass die Lösung in einer Abkehr von der Modulüberwachung hin zu detaillierteren und präziseren Einblicken auf Zellenebene liegt. Dies ist jedoch mit kabelgebundenen Systemen schlichtweg nicht realisierbar. Gleichzeitig können drahtlose Fernfeldansätze zwar den Verkabelungsaufwand, das Volumen, das Gewicht und potenzielle Fehlerquellen reduzieren, haben aber häufig mit Datenlatenz, Signalstörungen und Zuverlässigkeitsproblemen in Umgebungen mit komplexer Baudichte und hohen Spannungen zu kämpfen.

Das Nebeneinander von Anforderungen der Batterieentwickler und -betreiber und den Möglichkeiten konventioneller Architekturen treibt den Bedarf an spezialisierteren Lösungen voran. Letztendlich führen diese Herausforderungen dazu, dass die Branche Konzepte der „intelligenten Zellen“ – der direkten Integration von Intelligenz auf Zellebene - entwickeln. Die Datenübertragung von jeder einzelnen Zelle an den BMS-Prozessor stellt jedoch weiterhin eine Herausforderung dar.

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Wie funktioniert das Nahfeldkommunikationssystem?

Die Herausforderung und die Erkenntnis, dass herkömmliche Architekturen die Leistung von Hochvoltbatterien einschränken können, sind als Anzeichen schon länger erkennbar. Dukosi erkannte diese Grenzen frühzeitig und widmete sich der Neugestaltung von Batteriearchitekturen durch die Kombination von „intelligenten Zellen“ mit einem neuartigen, von Grund auf für Hochleistungsakkumulatoren mit Hunderten von Zellen entwickelten Kommunikationssystem.

Jede Zelle verfügt über einen eigenen Überwachungs-IC, den DK8102 Cell Monitor, der Spannung und Temperatur erfasst und wichtige Betriebsdaten speichert. Darauf aufbauend entwickelte Dukosi ein kontaktloses Nahfeldkommunikationssystem, das die Einschränkungen sowohl kabelgebundener als auch drahtloser Fernfeldkommunikationssysteme überwindet und gleichzeitig eine vergleichbare Leistung und Zuverlässigkeit aufweist.

Jede Zelle ist über eine einfache, flache Busantenne vernetzt, die oberhalb der Nahfeldantenne jeder Zelle angebracht ist. Die Busantenne ist von jeder Zelle isoliert und bietet bei Bedarf eine elektrische Isolation im Kilovoltbereich. Sie zeichnet sich zudem durch eine sehr hohe Störfestigkeit und geringe Emissionen aus. Der System-Hub aggregiert die Daten und übermittelt sie mit deterministischer Latenz an das Batteriemanagementsystem (BMS). Das Ergebnis ist ein System, das Hunderte von Zellen synchron, präzise und zuverlässig messen kann und dabei die Komplexität, das Gewicht und die potenziellen Fehlerquellen herkömmlicher Verkabelung vermeidet.

Dennoch reicht physikalische Innovation allein nicht aus. So wie die Hardware für die spezifischen Anforderungen von Batterien optimiert wurde, muss auch das Kommunikationsprotokoll speziell für sicherheitskritische Hochspannungsumgebungen wie xEVs und Batteriespeichersysteme (BESS) entwickelt werden.

C-SynQ für synchrone Datenübertragung auf Zellebene

Dukosi begegnete diesem Problem mit C-SynQ, einem proprietären Protokoll, das von Grund auf für die großflächige Überwachung einzelner Zellen entwickelt wurde. Der Name spiegelt die Kernmerkmale wider: zellbasierte Überwachung, synchrone Kommunikation und Q, das Symbol für elektrische Ladung. C-SynQ ermöglicht die deterministische Datenerfassung in Echtzeit von Hunderten oder sogar Tausenden von Zellen und bietet konsistente Zeitmessung, geringe Latenz und inhärente Skalierbarkeit – selbst in hoch verdichteten Hochvolt-Akkus-Systemen, in denen herkömmliche Funkprotokolle mit Interferenzen, Zeitfehlern oder unzuverlässiger Synchronisierung zu kämpfen hätten. Es erlaubt zudem die Konfiguration von Akkus unterschiedlicher Größe, ohne die Kommunikationsschicht neu entwickeln zu müssen, und bietet Batterieherstellern somit Flexibilität ohne Kompromisse bei Leistung oder Sicherheit.

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Durch die Integration von C-SynQ in DKCMS ermöglicht Dukosi den Anwendern den Zugriff auf umfassende operative Einblicke, die Aufrechterhaltung der Rückverfolgbarkeit über den gesamten Lebenszyklus und die Optimierung der Packungsleistung – und das alles bei gleichzeitiger Vereinfachung der Montage und Unterstützung einer skalierbaren Produktion.

Anpassung an verschiedene Anwendungen

Von Automobil- über Industrie- bis hin zu stationären Speichern – Hochvoltbatterien sind unterschiedlichen Betriebsanforderungen ausgesetzt. Doch in allen Anwendungsbereichen wird die Gewährleistung von Leistung, Sicherheit und Herstellbarkeit durch eine präzise, zuverlässige und effiziente Zellüberwachung vereinfacht – ein Prinzip, dass das Design von DKCMS integriert.

Jedes DK8102 wird direkt von der gemessenen Zelle mit Strom versorgt. Dank niedrigem Ruhestrom und flexiblen Leistungsmodi können sich Zellen über Jahre hinweg im Lager selbst überwachen, ohne dass dies messbare Auswirkungen auf Leistung oder Lebensdauer hat. Selbst in großen Akkupacks mit Hunderten von Zellen bleibt der Gesamtverbrauch vergleichbar mit oder sogar niedriger als bei herkömmlichen kabelgebundenen Systemen – ein Beweis dafür, dass detailliertere Einblicke auf Zellebene nicht zwangsläufig zu Lasten der Effizienz gehen müssen.

State of Health: Batterie-Check in Sekunden

Batterien müssen nicht immer direkt ersetzt werden. Eine neue Methode bestimmt den State of Health in Sekunden und zeigt, ob eine Second-Life-Nutzung möglich ist. Das spart Ressourcen und könnte die Lebensdauer von Energiespeichern verlängern.

Temperaturstabilität ist ebenso entscheidend. Jeder Sensor wird während der Produktion individuell über einen breiten Temperaturbereich kalibriert, und die Geräte wurden nach verschiedenen Qualitäts- und Sicherheitsstandards von AEC, IEC, ISO und ASPICE qualifiziert. Dies unterstreicht das Engagement und die strategische Ausrichtung von Dukosi, seinen Kunden sichere, zuverlässige und vertrauenswürdige Lösungen für alle Anwendungsbereiche zu bieten, sodass jede Entwicklung vom DKCMS System profitieren kann.

Dies gewährleistet ein gleichbleibendes, vorhersehbares Verhalten auch bei alternden Komponenten – eine wesentliche Eigenschaft für Traktionsbatterien in Elektrofahrzeugen, die aber gleichermaßen relevant ist bei langlebigen Batteriespeichersystemen, bei denen Zuverlässigkeit über Jahrzehnte hinweg unerlässlich ist.

Obwohl jeder DK8102 mehrere Funktionen in einem einzigen Chip integriert und idealerweise jede Zelle eines Akkupacks damit ausgestattet ist, überwiegen die Systemvorteile von DKCMS die Implementierungskosten bei Weitem. Durch den Wegfall von Modulplatinen, aufwendiger Verkabelung, zusätzlicher Schutzschaltungen und separater Sensorsysteme reduziert DKCMS die Bauteilanzahl um bis zum Faktor zehn und ermöglicht gleichzeitig eine automatisierte und reproduzierbare Akkupack-Montage. Für Elektrofahrzeuge bedeutet dies eine vereinfachte Produktion, geringeres Gewicht und außerordentliche Flexibilität bei der Gehäusegestaltung. Für Batteriespeichersysteme (BESS) verbessert es die Skalierbarkeit und die langfristige Wartungsfreundlichkeit.

Darüber hinaus unterstützt diese integrierte Intelligenz präzise Diagnosen, die Nachverfolgung von Garantieansprüchen und die Einhaltung von Vorschriften wie dem EU-Batteriepass, und vereinfacht gleichzeitig die Bewertung und das Recycling von Batterien im Zweitlebenszyklus. Anwendungsübergreifend wird jede Zelle zu einem nachvollziehbaren, datenreichen Gut – und bildet damit die Grundlage für sicherere, effizientere und nachhaltigere Batteriesysteme.

Kia Europe hat kürzlich als erster OEM die Initiative ergriffen und die Branche im Vorfeld der europäischen Batteriepass-Verordnung, die 2027 in Kraft tritt, öffentlich getestet. Dazu rüstete Kia seinen EV3 mit Dukosi Cell Monitors (DKCMS) aus und untersuchte die Möglichkeiten der Nutzung statischer und dynamischer Daten, wie beispielsweise des Batteriezustands. Ziel ist es, wichtige Eigenschaften der Fahrzeugbatterie über ihre gesamte Lebensdauer zu speichern, abzurufen und zu verfolgen. Dies verbessert die Wartungs- und Reparaturfähigkeit, stärkt das Vertrauen in die Batterielebensdauer und führt letztendlich zu einem höheren Wiederverkaufswert. Da die EU-Batteriepass-Verordnung in nur zwei Jahren in Kraft tritt, bestätigt dieser wichtige Test die Marktreife von DKCMS und ist damit der Konkurrenz Schritte voraus.

Marktentwicklung und regulatorische Anforderungen

Während DKCMS für eine breite Palette von Hochvoltbatterieanwendungen geeignet ist, bei denen Leistung, Sicherheit, Zuverlässigkeit und Rückverfolgbarkeit über den gesamten Lebenszyklus von entscheidender Bedeutung sind, wird diese Technologie von Sektoren mit schnelleren Entwicklungszyklen und weniger Einschränkungen durch Altlasten entscheidend vorangetrieben.

In Bereichen wie Flughafen-Bodenabfertigungsgeräten (GSE) und fahrerlosen Transportsystemen (FTS) stehen Hersteller unter Druck, Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Wartungsfreundlichkeit mit schneller Entwicklung und Kosteneffizienz in Einklang zu bringen. Ein aktuelles Beispiel hierfür ist CAMY, das DKCMS in seinem neuen KUINETIC-Akkupack für elektrische GSE-Fahrzeuge einsetzt. Ein kontaktloser Ansatz auf Zellebene verkürzt die Entwicklungszyklen, verbessert die Skalierbarkeit und unterstützt die hohen Sicherheits- und Zuverlässigkeitsstandards, die im Flughafenbetrieb erforderlich sind.

Mit der Zeit werden auch Märkte mit längeren Entwicklungszyklen nachziehen. Tier-1-Zulieferer und OEMs im Automobilsektor (xEV und BESS) evaluieren bereits DKCMS und erkennen dessen Potenzial, die Validierung zu vereinfachen, die Rückverfolgbarkeit zu verbessern und die Systemkosten zu senken, während gleichzeitig die steigenden Sicherheits- und Nachhaltigkeitsanforderungen zugleich adressiert werden.

Fazit: Neue Maßstäbe in der Batterieentwicklung

Da die Leistungsanforderungen an Hochvoltbatterien stetig steigen und gleichzeitig der Bedarf an vereinfachter, skalierbarer Fertigung wächst, benötigen Entwickler und Batteriebetreiber neue Lösungen.

Herkömmliche Batteriearchitekturen, ob kabelgebunden oder drahtlos (wBMS), stoßen bei der Erfüllung dieser Anforderungen an ihre Grenzen. Durch die Integration von Intelligenz direkt auf Zellebene, das Ermöglichen synchroner Messung mit geringer Latenz und die Rückverfolgbarkeit über den gesamten Lebenszyklus hinweg, demonstriert DKCMS, wie ein kontaktloser, speziell entwickelter Ansatz diese Lücke schließen kann.

Von industriellen Mobilitätslösungen bis hin zu xEVs und BESS ermöglicht es Betreibern und Entwicklern, Batteriepacks für jede Anwendung zu optimieren, ohne Kompromisse bei Effizienz oder Herstellbarkeit einzugehen, und setzt damit einen neuen Maßstab für die Entwicklung von Hochvoltbatterien in einem zunehmend anspruchsvollen Markt. (bs)