Die Gruppe der Batteriesystemtechnik spannt in ihrer Arbeit und Forschung den Bogen von der Charakterisierung von Zellen über die Entwicklung von Batteriemodulen und Batteriemanagementsystemen bis hin zur Anwendung des Speichers in seiner Einsatzumgebung. Zu den Aufgabenfeldern zählen:

  • die grundlegenden Untersuchungen des elektrochemischen, elektrischen, thermischen und mechanischen Verhaltens von Batterien,
  • die Entwicklung von dynamischen Verhaltensmodellen und entsprechenden Simulationsumgebungen
  • die Entwicklung von Algorithmen und Software zur Batteriezustandsschätzung, das Batteriemanagement, die Diagnose, die Laderegelung und das Energiemanagement,
  • der dynamische, effiziente, langlebige Einsatz von Batterien in mobilen und stationären Systemen
  • die Evaluation von Batterieanwendungsfällen und Kostenentwicklungen.

Ansprechpartner

Joaquin Klee Barillas
+49 (0)731 95 30-534
Zelle

// Die Zelle

Die Zelle bildet die Grundeinheit eines jeden Batteriespeichers und wird daher detailliert und umfassend in ihrem elektrochemischen, elektrischen, thermischen und mechanischen Verhalten charakterisiert.

Die Analyse erfolgt im Zeit- und Frequenzbereich (z.B. Pulsmessungen und elektrochemische Impedanzspektroskopie). Das entwickelte Verständnis über das kurzfristige dynamische Verhalten der Zelle und über die langfristigen Alterungserscheinungen wird in mathematische, parametrierte Modelle übersetzt und in entsprechende Simulationsumgebungen implementiert.

Zudem werden die erworbenen Kenntnisse über das Verhalten der Zelle für die Entwicklung von modellbasierten Algorithmen der Batteriezustandsschätzung, der Leistungs-, Energie- und Lebensdauerprognose sowie der Laderegelung genutzt.

Prismatische Lithium-Ionen-Zelle nach DIN-Standard. Quelle: ZSW
Prismatische Lithium-Ionen-Zelle nach DIN-Standard. Quelle: ZSW
Modul

// Das Batteriemodul

Das Batteriemodul stellt einen Verbund von Einzelzellen dar und bildet zusammen mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) eine funktionsfähige Einheit zur Speicherung von elektrischer Energie.

Die Arbeiten auf der Modulebene richten ein besonderes Augenmerk auf die Streuung der Zellen im Serien-Parallel-Verbund in ihrem Lade- und Alterungszustand und auf entsprechende Modelle der Abbildung und Maßnahmen des Betriebs (z.B. Zellsymmetrierung).

Für das BMS werden Algorithmen, Software und Elektronik zur Batterieüberwachung, zur Batteriezustandsschätzung, zur Diagnose und Prognose sowie zur Laderegelung entwickelt.

Die prototypischen, konstruktiven Arbeiten rund um ein Batteriemodul umfassen Modulkonstruktion, Zellverbinder, mechanische Verspannung, Sensorik und Kühlung. Sie dienen u.a. der Demonstration und Evaluation der Batteriemodelle (z.B. elektrische Verhaltensmodelle, Wärmeflussmodelle), der Batteriemanagementalgorithmen sowie Betriebs- und Kühlstrategien.

Konstruktionszeichnung des ZSW-Batteriemoduls. Quelle: ZSW/ECA
Konstruktionszeichnung des ZSW-Batteriemoduls. Quelle: ZSW/ECA
System

// Das System

Batterien finden Einsatz in sehr unterschiedlichen Anwendungsumgebungen mit sehr unterschiedlichen Anforderungen an Leistung, Energie und Lebensdauer  z.B. als Hybrid- oder Traktionsbatterie in einem Elektrofahrzeug oder als PV-Batteriespeicher in einem Gebäude.

Die erste Aufgabe der Systemtechnik ist hierbei die modellbasierte Auslegung und -dimensionierung des Speichers für einen wirtschaftlichen und zuverlässigen Einsatz als elektrischer Energiespeicher. Hinsichtlich Steuerung, Regelung und Kommunikation muss das Batteriemanagementsystem in das Energiemangement des Gesamtsystems eingebunden sein. Ziel der Batteriesystemtechnik ist die Entwicklung von optimalen und effizienten Betriebsführungsstrategien der Batterie in Wechselwirkung mit Leistungselektronik, Messtechnik (z.B. Smart Meter) und dynamischen Lasten sowie der sichere Betrieb über die gesamte Nutzungsdauer.

Darstellung eines a) DC-gekoppelten und b) AC-gekoppelten PV-Batteriespeichers. Quelle: ZSW/ECA
Darstellung eines a) DC-gekoppelten und b) AC-gekoppelten PV-Batteriespeichers. Quelle: ZSW/ECA