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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.

Wissenschaftskommunikation

Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz

Referat IIB5: Energieeffizienz: Kommunikation, Energieberatung, Produkte

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie



Bundesministerium für Wirtschaft und Energie Referat IIB5: Energieeffizienz: Kommunikation, Energieberatung, Produkte

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Faseroptisches Batteriemanagementsystem

Der Einsatz von Batteriesystemen für Industrieanwendungen, welcher ein hohes Maß an Leistungsfähigkeit und Energiedurchsatz voraussetzt, wird derzeitig oftmals mit Hilfe hoher Batteriekapazitäten und Batteriewechselkonzepten realisiert. Dies führt dazu, dass batteriebetriebene Fahrzeuge im ökonomischen Vergleich gegenüber konventionell betriebenen Fahrzeugen noch nicht so konkurrenzfähig erscheinen, wie sie es sein könnten. Neuartige Hochleistungsbatterien mit Lithium-Ionen-Technik sind jedoch in der Lage, mit sehr hoher Leistung geladen zu werden, was neue Einsatzmöglichkeiten generiert.
Im Projekt MoBat wird daher ein modulares Hochleistungsbatteriesystem entwickelt, was zu einer Skalierbarkeit für verschiedene Anwendungen führen soll. Zudem soll aufgezeigt werden, dass durch Schnellladungen auf teure und aufwendige Batteriewechselkonzepte in Industrie- und ÖPNV-Anwendungen verzichtet werden kann, was einen ökonomischen Vorteil mit sich bringt. Voraussetzung für den praktischen Einsatz ist die Bereitstellung von Schnellladesystemen, das heißt Hochleistungsbatterien mit kompatibler Ladetechnik.

Des Weiteren sind für Schnellladungen hohe Stromstärken erforderlich, sodass ein leistungsfähiges Kühlkonzept der Batterie unumgänglich ist. Die Herausforderungen liegen dabei erstens im Bereitstellen hoher elektrischer Leistungen mit einer neu entwickelten, angepassten Ladetechnik, zweitens in den mit Schnellladungen verbundenen extremen elektrischen und thermischen Belastungen der Batterie sowie drittens in der damit einhergehenden Sicherheits- und Lebensdaueroptimierung.

Im Projekt soll vor allem das Zusammenwirken von vergleichsweise kleinen, aber besonders leistungsstarken Lithium-Ionen-Batterien und effizienter Ladetechnik optimiert werden. Dadurch lassen sich die Vorteile für den Einsatz einer Schnellladestrategie in Hochleistungsanwendungen, zum Beispiel für Elektrobusse und andere Heavy-duty-Anwendungen, herausarbeiten.

Entscheidend für die Anwendungsintegration wird es sein, ob permanente Schnellladungen die Batterien signifikant schädigen bzw. altern lassen. Hierfür werden sowohl an einzelnen Zellen als auch Batteriemodulen Langzeituntersuchungen zur Degradationsentwicklung bei Schnellladungen von Batteriesystemen durchgeführt, um wissenschaftlich fundierte Ergebnisse zu erzielen. Zur Erhöhung der Sicherheit soll zudem eine in die Batterie integrierbare Sensorik entwickelt werden, die es ermöglicht, bereits frühzeitig eine individuelle Anomalie einer Batteriezelle zu erkennen, um diese über ein elektronisches Batteriemanagementsystem rechtzeitig abzustellen. Damit soll gewährleistet werden, dass im Worst Case ein Abbrennen einer Zelle verhindert wird.
Des Weiteren sind die bisher im Bereich von Bussen verwendeten konduktiven Ladesysteme für die Verwendung in industriellen Anwendungen noch zu großbauend. Es bedarf daher einer kompakteren Bauform bei gleichzeitig höheren Strombelastungen, um Schnellladungen gewährleisten zu können. Die dafür nötige Technik muss somit vollkommen neu konstruiert und evaluiert werden. Dazu werden Ladegerät, Ladetechnik, Batteriesystem und Sicherheits- bzw. Messtechnik in einem Gesamtsystem integriert und deren Funktion unter industriellen Bedingungen simuliert, getestet und optimiert.
Neben der technischen Auslegung ist für die tatsächliche Umsetzung v. a. die Wirtschaftlichkeit des gewählten Ansatzes von ausschlaggebender Bedeutung. Die hierfür notwendigen Parameter wie Leistungsfähigkeit der Batterien, Lebensdauern, Energie- und Ladeinfrastrukturkosten usw. werden im Rahmen des Projekts ermittelt, um sie im weiteren Projektverlauf zu nutzen und einen Business Case zu erstellen. Dieser ist im Kontext zweier verschiedener Anwendungsfälle zu untersuchen. Zum einen wird die Einführung einer Elektro-Buslinie betrachtet, zum anderen wird die Übertragbarkeit des Ansatzes auf einen innerbetrieblichen Werksverkehr evaluiert.

Der von der Bundesregierung bis zum Jahr 2050 geplante Umbau der deutschen Energieversorgung beinhaltet das Ziel, den Anteil erneuerbarer Energien im Verkehrssektor zu erhöhen. Hierfür ist es jedoch erforderlich, die Akzeptanz der Elektromobilität zu steigern, wofür es deren technischer Reife und wirtschaftlicher Anwendung bedarf. Bei der Realisierung dieser Ziele nehmen Batteriesysteme eine tragende Rolle ein, da diese eine begrenzte Zahl von Lade- und Entladevorgängen aufweisen und den Großteil der Kosten für die Elektrifizierung des Antriebsstranges ausmachen. Weiterhin werden vor allem im privaten Mobilitätsbereich die begrenzten Reichweiten von Elektrofahrzeugen bemängelt.
Dennoch erscheint es bereits heute möglich, Batteriesysteme durch geeignete Betriebsstrategien kosteneffizient in Hochleistungsanwendungen einzusetzen. Gerade im Bereich räumlich begrenzter Anwendungen (Transportfahrzeuge an Industriestandorten oder liniengebundener ÖPNV) besteht die Möglichkeit, kleine und hochleistungsfähige Batteriesysteme zu verwenden. Schwerlastfahrzeuge bzw. Busse oder auch Müllsammler bieten aufgrund ihrer Fahrprofile und der klar definierten Einsatzorte hervorragende Voraussetzungen für einen erfolgreichen Einsatz batterie-elektrischer Antriebsstränge in Kombination mit Schnellladungen. Voraussetzung hierfür sind jedoch Batteriesysteme hoher Leistungsdichte mit kompatibler Ladetechnik, welche Schnellladungen im Minutenbereich ermöglicht. Des Weiteren besteht in der Öffentlichkeit eine gewisse Sensibilisierung bezüglich der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien, sodass diese nicht nur den effizienten und ökonomischen Betrieb im Allgemeinen, sondern auch deren zweifelsfreie Sicherheit unter Beweis stellen müssen.

Durch die genannten Projektinhalte kann somit ein Grundstein für die gewerbliche Durchdringung der Elektromobilität im Nutzfahrzeugsegment und der besseren Ausschöpfung des Potenzials erneuerbarer Energien gelegt werden.

Modulare Hochleistungsbatteriesysteme in Verbindung mit sicherer Schnellladetechnik

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Energie-Forschungszentrum Niedersachsen

Presse- und Öffentlichkeitsarbeit

Das Teilprojekt der TU Clausthal hat zum Ziel, neuartige Schnellladealgorithmen für Hochleistungsbatterien zu identifizieren und sie hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf das prognostizierte Alterungsverhalten, und damit auf die Lebensdauer, von Batteriesystemen hin zu bewerten. Hierzu sind die ausgewählten Ladeverfahren in verschiedensten Tests auf Zell-, Modul- und Systemebene anzuwenden. 
Die TU Clausthal übernimmt dabei die Koordination des Gesamtvorhabens. Im Arbeitspaket III übernimmt sie zudem die Teilaufgaben 'Evaluation verschiedener Ladealgorithmen bezüglich Ladedauer und Alterungseinfluss' (AP III.l1), 'Laboruntersuchungen von Einzelzellen hinsichtlich maximaler Ladeleistung und thermischem Verhalten (AP III.2) sowie 'Skalierung der Ladealgorithmen und Tests auf Batterieebene (AP III.3). Im Arbeitspaket V bearbeitet das EFZN die Teilaufgaben 'Langzeituntersuchungen von Zellen, Modulen und Systemen' (AP V.1), 'Übertragbarkeit von Lebensdaueraussagen der Zelltests auf die Modul- und Systemebene' (AP V.2) sowie die 'Modellierung von Alterungsprozessen für das Batteriesystem' (AP V.3). Ferner unterstützt das EFZN die Projektpartner im Arbeitspaket IV bei Aufbau und Betrieb des Gesamtsystems.

Quelle: https://www.enargus.de/pub/bscw.cgi/?op=enargus.eps2&q=%2201172334/1%22&v=10&id=413353 (jüngster Zugriff: 11.03.2025)

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Technische Universität Clausthal

Stabsstelle Presse, Kommunikation und Marketing

Evaluation und Test von Ladealgorithmen sowie Lebensdaueruntersuchungen von Hochleistungsbatteriesystemen

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Arbeitseinheit ESN5: Brennstoffzelle Wasserstoff Mobilität

Projektträger Jülich Arbeitseinheit ESN5: Brennstoffzelle Wasserstoff Mobilität

Projektträger Jülich

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[verbundprojekt]

[Verbundprojekt]

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Faseroptische Sensorsysteme

Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut HHI Faseroptische Sensorsysteme

Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut HHI

Um die Projektziele zu erreichen wird die Schunk Bahn- und Industrietechnik GmbH eine schnellladefähige, konduktive Ladetechnik entwickeln und fertigen. Die Herausforderungen liegen dabei in einer hohen Strombelastung der Kontakte trotz kompakter Bauweise, um auch industrielle Anwendungen bedienen zu können. Die Schunk Bahn- und Industrietechnik GmbH ist hauptverantwortlich für das Arbeitspaket IV, sichere Schnellladetechnik, und wird die Teilaufgaben APIV.1 bis APIV.7 bearbeiten. Hierbei soll die Ladetechnik im Hinblick auf eine mögliche Feldumgebung konzeptioniert, abgestimmt und gefertigt werden. Die gefertigten Komponenten werden im Anschluss zu einem Demonstrator aufgebaut, in Betrieb genommen und im Zusammenspiel mit dem Batteriesystem optimiert.

Quelle: https://www.enargus.de/pub/bscw.cgi/?op=enargus.eps2&q=%2201172334/1%22&v=10&id=413421 (jüngster Zugriff: 11.03.2025)

Schunk GmbH
Schunk Bahn- und Industrietechnik GmbH

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Schunk Transit Systems GmbH

Sichere Schnellladetechnik

Die Stöbich technology entwickelt in dem Projekt MoBat brandsichere Batteriemodule, die den Fehlerfall zuverlässig beherrschen. Der Fehlerfall wird dabei als eine Zelle, die sich aufgrund von thermischer oder mechanischer Einwirkung (beispielsweise durch einen Unfall) oder durch andere Auslöser wie Dentritenbildung (Alterung) selbst so lange erhitzt bis sie thermisch durchgeht (thermal runaway) definiert. Dieser Vorgang kann unter Umständen nicht rechtzeitig vom Batteriemanagementsystem erkannt oder, beispielswiese bei einem Unfall, nicht verhindert werden. Es wird daher ein Konzept für das Batteriemodul entwickelt, welches den maximal möglichen Schaden auf eine einzelne durchgehende Zelle minimieren soll. Dabei werden weiterhin die entstehenden Gase betrachtet, da diese im Havariefall ebenfalls keine Gefahr für Personen und die Umwelt darstellen dürfen. Ein weiteres Ziel der Stöbich technology GmbH ist der Schutz des Batteriemoduls vor externen Bränden. Abhängig von dem Ort der Installation des Moduls im Fahrzeug muss dieses brandschutztechnisch abgesichert werden, sodass externe Brände innerhalb einer definierten Zeitdauer nicht auf den Speicher übergreifen können. Die entwickelten Module werden anschließend durch die Stöbich technology GmbH getestet.

Quelle: https://www.enargus.de/pub/bscw.cgi/?op=enargus.eps2&q=%2201172334/1%22&v=10&id=413453 (jüngster Zugriff: 11.03.2025)

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Stöbich technology GmbH

passive Sicherheitssysteme für wassergekühlte, modulare Lithium-Batteriemodule in mobilen Anwendungen

Die Wolfsburg AG wird den Betrieb der modularen Batteriesysteme im Kontext zweier verschiedener Anwendungsfälle untersuchen. Neben der technischen Auslegung ist für die tatsächliche Umsetzung vor allem die Wirtschaftlichkeit des gewählten Ansatzes von ausschlaggebender Bedeutung. Die hierfür notwendigen Parameter wie Leistungsfähigkeit der Batterien, Lebensdauern, Energie- und Ladeinfrastrukturkosten usw. werden im Rahmen des Projekts ermittelt, um sie im weiteren Projektverlauf zu nutzen. Die Wolfsburg AG übernimmt im Arbeitspaket I die Teilaufgaben 'Auslegung hinsichtlich Energieinhalt und Leistungsfähigkeit' (AP I.2). Hierzu wird der Betrieb modularer Batteriesysteme im Kontext zweier verschiedener Anwendungsfälle untersucht. Im Arbeitspaket V, Lebensdaueruntersuchungen, wird die Teilaufgabe V.4 ' Business Case im Anwendungskontext' bearbeitet.

Quelle: https://www.enargus.de/pub/bscw.cgi/?op=enargus.eps2&q=%2201172334/1%22&v=10&id=413485 (jüngster Zugriff: 11.03.2025)

Wolfsburg AG

Übertragbarkeit und Wirtschaftlichkeit für konkrete Anwendungen

AKASOL wird im Rahmen von MoBat zunächst ein Kopfelement (HV Verteilbox) entwickeln, welches mehrere parallele Batteriestränge verbinden und steuern kann, um somit die Skalierbarkeit für verschiedenste Anwendungen zu ermöglichen. Ziel ist auch die Verbesserung der wirtschaftlichen Wettbewerbsfähigkeit eines batterieelektrischen Fahrzeugkonzeptes mit einer kleinen schnellladefähigen Batterielösung durch technologische Optimierung der Batterie selbst sowie durch eine verbesserte Betriebsführung während der Nutzung.
AKASOL übernimmt zudem die Teilprojektleitung im Arbeitspaket I 'Modulares Hochleitstungsbatteriesystem'. Dabei werden die Teilaufgaben 'Entwicklung des modularen Batteriesystemaufbaus' (AP I.1), 'Auslegung hinsichtlich Energieinhalt und Leistungsfähigkeit' (AP I.2), 'Fertigung der Batteriemodule' (AP I.3), 'Sicherheitsrelevante Sensorik / Schutzeinrichtungen' (AP I.4) sowie 'Fertigung des Gesamtsystems' (AP I.6) bearbeitet. Des Weiteren fallen die Teilarbeitspakete 'Konzept zur Integration des BMS in die Konstruktion' (AP II.3), 'Überprüfung der Modulsicherheit im Fehlerfall' (AP III.5), 'Bewertung und Optimierung des Sicherheitsverhaltens' (III.6), 'Konzeptionierung der Ladetechnik für die geforderte Leistung' (AP IV.1), 'Abstimmung der Schnittstelle Batterie/Ladegerät' (AP IV.2), 'Installation des Gesamtsystems in der Laborumgebung (AP IV.5), 'Inbetriebnahme und Funktionsprüfung' (AP IV.6) und 'Optimierung des Gesamtsystems' (AP IV.7) in den Aufgabenbereich von AKASOL.

Quelle: https://www.enargus.de/pub/bscw.cgi/?op=enargus.eps2&q=%2201172334/1%22&v=10&id=413518 (jüngster Zugriff: 11.03.2025)

Akasol AG

BorgWarner Akasol GmbH

Entwicklung, Aufbau und Optimierung eines modularen Hochleistungsbatteriesystems

Duration	01/11/2016 - 31/07/2020
Executing unit	FhG • HHI • FS
City	Goslar
Amount of funding	765.935,00 €
Total budget	765.935,00 €
Sponsor	BMWE

Project

MoBat

Modulare Hochleistungsbatteriesysteme in Verbindung mit sicherer Schnellladetechnik

Project management as

Faseroptische Sensorsysteme

Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.

Funding

This project is part of the joint project

MoBat

Other sub-projects of the joint project

Sub-project 1

Duration:

Funding code:

Energie-Forschungszentrum Niedersachsen

Sub-project 3

Duration:

Funding code:

Schunk Transit Systems GmbH

Sub-project 4

Duration:

Funding code:

Stöbich technology GmbH

Sub-project 5

Duration:

Funding code:

Wolfsburg AG

Sub-project 6

Duration:

Funding code:

BorgWarner Akasol GmbH

Sub-project lead

Faseroptische Sensorsysteme

Sub-project manager

Press contact

Joint-project management

Energie-Forschungszentrum Niedersachsen

Joint-project coordinator

Press contact

Final reports and other publications at the TIB - Leibniz Information Centre for Science and Technology and University Library