Entwicklung von Batterie- und Batteriemanagementsystemen

Elektrische, elektrochemische und thermische Charakterisierung von Einzelzellen, Batteriemodulen und Batteriespeichern bis hin zu hohen Leistungen

Egal ob Einzelzelle, Heimspeicher oder Großspeicher für Netzdienstleistungen, wir erstellen in Absprache mit unseren Kunden die passenden Testpläne und charakterisieren in unserem umfassend ausgestatteten Batterylab alle Speichertechnologien.

 

Batterieentwicklung – Aufbau von Batteriemodulen und -systemen

Für verschiedene Technologien – Schwerpunkte, derzeit   Lithium-Ionen- Blei und Redox-Flow-Batterien – entwickelt das Fraunhofer ISE Stacks, Module und Systeme mit den notwendigen Sicherheitskonzepten für die unterschiedlichsten Anwendungen. Die Module werden an die jeweiligen Anforderungen der Zellen und der Applikation angepasst und stellen so die notwendige mechanische Stabilität sowie Zuverlässigkeit sicher, unabhängig davon ob mit Flüssigkeit oder Luft gekühlt wird. Wir können Systeme bis in den MW / MWh-Bereich aufbauen. Zur Unterstützung dieser Aktivitäten werden thermische, elektrische und elektrochemische Modelle von der Zelle bis zum System entwickelt und eingesetzt. Anwendungen sind z. B

  • PV-Inselsysteme
  • Heimspeicher zur Eigenverbrauchserhöhung sowie für Netzdienstleistungen
  • Batteriegroßspeicher für Windkraftanlagen und PV-Kraftwerke
  • Mobile Speichersysteme für tragbare Geräte
  • Elektromobilität

 

Thermisches Management und Kühlsysteme

Für den sicheren und zuverlässigen Betrieb eines Batteriespeichers, besonders in Verbindung mit einer hohen Lebensdauer der eingesetzten Zellen, kommt dem thermischen Management eine besondere Bedeutung zu. Allerdings benötigt die Kühlung zusätzliche Energie, weshalb die Effizienz in der praktischen Anwendung häufig deutlich unter den optimalen Werten liegt. Das Fraunhofer ISE entwickelt daher hocheffiziente Kühlkonzepte und -systeme, die effizienzoptimiert sind und dennoch sämtliche Anforderungen an Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer erfüllen. Hierzu werden modernste simulationsbasierte Verfahren zur optimierten Auslegung des Kühlsystems und zur Entwicklung bestmöglicher Betriebsführungsstrategien eingesetzt. Die dabei eingesetzten Modelle werden mit Messdaten aus dem Batterielabor parameterisiert und validiert. Zur thermischen Untersuchung und Überprüfung stehen beispielsweise hochgenaue Kalorimeter und Wärmebildkameras zur Verfügung.

 

Batterie- und Energiemanagementsysteme

Die Steuerung in Geräten und Anlagen benötigt kontinuierlich Informationen über den Zustand des Batteriespeichers. Auch bei den fortschrittlichsten Batterietechnologien hat der Nutzer keine  direkten Informationen über den internen Zustand der Batterie: Wie ist ihr Ladezustand (SOC)? In welchem Alterungszustand befindet sich beispielsweise die Batterie (SOH)? Wann muss sie ausgetauscht werden? Das Fraunhofer ISE kann modellbasiert den Ladezustand (SOC) und die Alterung der Batterie (SOH) in Echtzeit erfassen und den Benutzer informieren. Modelle zur Alterungsvorhersage, ebenfalls auf die Batteriemanagement (BMS)-Hardware implementierbar, ermöglichen Aussagen über den Einfluss von Betriebsstrategien auf die Lebensdauer des Batteriespeichers. Wir entwickeln intelligente Lade- und Betriebsführungsstrategien, die problemlos in Mikrocontroller von Ladereglern, Gerätesteuerungen sowie Batterie- und Energiemanagementsystemen integrierbar sind. So können z. B. das Kühlsystem geregelt, Fehlerzustände diagnostiziert und angeschlossene Ladegeräte optimal angesteuert werden um z. B. eine batterieschonende Schnelladung zu ermöglichen.

 

Elektrische Sicherheitskonzepte

Moderne Batteriesysteme, z. B. auf der Basis von Lithium-Ionen-Batterien, benötigen zum sicheren Betrieb Batteriemanagementsysteme, die die Batteriezellen jederzeit in einem sicheren Zustand halten. In Fehlersituationen muss eine Abschaltung jederzeit gewährleistet sein. Hier ist auch die funktionale Sicherheit des Batterieystems in Zusammenspiel von Hard- und Software ausschlaggebend. Das Fraunhofer ISE berät und erstellt ein entsprechendes Gesamtkonzept, das die Grundlage für die Zertifizierung des Batteriesystems darstellt.

Unsere FuE-Leistungen in diesem Arbeitsgebiet umfassen:

  • Elektrische, elektrochemische und thermische Charakterisierung von Einzelzellen, Batteriemodulen und Batteriespeichern bis hin zur MW-Klasse
  • Entwicklung von Batteriemodulen und -systemen
  • Thermisches Management und Kühlsysteme
  • Entwicklung von Batterie- und Energiemanagementsystemen
  • Sicherheitskonzepte für Batteriesysteme