Modulare Hochleistungsbatteriesysteme in Verbindung mit sicherer Schnellladetechnik

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.