Projekt »HYBAT« startet Entwicklung der nächsten Generation von Hochvoltspeichersystemen

25. August 2020

Für eine erfolgreiche Energiewende mit zunehmend fluktuierender Erzeugung spielen Batteriespeichersysteme eine zentrale Rolle. Durch die Entwicklung des Massenmarkts für Lithium-Ionen-Batterien fallen die Kosten für den Systemaufbau immer stärker ins Gewicht. Das Verbundprojekt »HYBAT« will durch die Kombination von 1500 V- Systemtechnik, innovativem Thermomanagement, Online-Zustandsdiagnostik und optimierender Betriebsführung eine kostengünstige und leistungsstarke hybride Lithium-Ionen-Batteriespeicherlösung entwickeln. Projektpartner sind die AKASOL AG, die HYDAC International GmbH, die TU Dresden und das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE.

© Fraunhofer ISE/Foto: Dirk Mahler
Das Zentrum für Leistungselektronik und nachhaltige Netze am Fraunhofer ISE.

»Die Überführung der 1500 V Systemtechnik – wie sie in der Photovoltaik bereits seit einigen Jahren erfolgreich angewandt wird –  in ein Batteriesystem bietet entscheidende Vorteile. Zum einen erreicht man dadurch eine gesteigerte Leistungsdichte bei geringeren Gesamtkosten und zum anderen wird man dem steigenden Leistungsbedarf von Energie- und Verkehrswende gerecht«, erklärt Dr.-Ing. Björn Eberleh von der AKASOL AG, die das Projekt koordiniert.

Durch die »Hochvoltfähigkeit« könne eine Kostenreduktion von 30 Prozent beim Batteriesystem sowie eine Verbesserung des Leistungsgewichts um 20 Prozent erreicht werden. Die Projektpartner nutzen dafür einen ganzheitlichen Lösungsansatz, der Entwicklungen in der Batteriesystemtechnik und Hybridspeichertechnik miteinander verzahnt. Die zu entwickelnde hybride Speicherlösung soll für eine breite Palette von Multi-Use- und Second-Life-Batterieanwendungen geeignet sein.

Einsparungen durch erhöhte Systemspannung

Die Erhöhung der Batteriespannung von bisher maximal 1000 auf 1500 Volt führt bei gleicher Leistung zu einer Reduktion der Stromstärke um 33 Prozent, was die Kosten der Gleichstrominfrastruktur senkt und die Leistungsdichte der Elektronik erhöht.

Im Rahmen von HYBAT entwickelt das Fraunhofer ISE einen Umrichter, der im Lade- und Entladebetrieb bis zu einer Spannung von 1500 V bidirektional und hocheffizient betrieben werden kann. Das Fraunhofer ISE setzt dabei auf die neuesten Halbleitertechnologien in Verbindung mit hohen Taktfrequenzen zur Steigerung von Leistungsdichte und -gewicht.

Der Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batteriespeicher, ebenfalls mit einer maximalen Systemspannung von 1500 V, wird dabei vom Projektpartner AKASOL entwickelt. Bauelemente wie Ableiterstrukturen, Sicherungen, Stecker und Schutzelemente müssen für diese Spannungsklasse neu gestaltet werden, wodurch Materialeinsatz, Kosten und Gewicht reduziert werden können.

Ein weiterer Ansatz zur Kostenreduktion, der in dem Projekt demonstriert werden soll, ist die intelligente und bedarfsgerechte Abführung von Verlustleistungen aus Leistungselektronik und Batteriesystem durch ein kombiniertes Thermomanagementsystem, das von der HYDAC International GmbH entwickelt wird. Dies gewährleistet die Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit der Systemtechnik und führt zu einer effizienteren Nutzung der Leistungselektronik und des Speichers.

Neuartiges hybrides Speichersystem

Die Hybridisierung, also die Entkopplung von Leistungs- und Energiebedarf, sorgt in Verbindung mit intelligenten Betriebsstrategien für eine weitere Kostenreduzierung und eine erhöhte Leistungsfähigkeit bei gleicher Lebensdauer. Dies unterstützt auch den sicheren und effizienten Einsatz von Second-Life-Batterien.

Im Projekt HYBAT entwickelt die TU Dresden ein neuartiges, leistungsfähiges Systemkonzept zur Kopplung von Lithium-Ionen-Batteriespeichern.

Der Hybridansatz wird für verschiedenste Anwendungen aus den Bereichen Eigenverbrauchs- und Stromkostenoptimierung, Pufferung von Ladestationen für Elektrofahrzeuge, unterbrechungsfreie Stromversorgung, Netzqualitätssteigerung, Regelleistung sowie mobile Ladelösungen demonstriert. Die Zusammenführung der thermischen und elektrischen Zustandsdiagnose erlaubt eine verbesserte Gesamtzustandsschätzung und steigert die Leistungsfähigkeit und Betriebssicherheit, u.a. durch neue Schnelllademöglichkeiten, homogene Temperaturverteilung oder verbesserte Alterungsdetektion.

In den Labors des Fraunhofer ISE werden sämtliche Funktionalitäten der neuen Speicherlösung für eine breite Palette von Anwendungen mit emulierten, synthetischen und realen Last- und Erzeugerprofilen erprobt.

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unterstützt und läuft bis Dezember 2022.

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