Auf Grund der rasanten Entwicklung von starken Märkten wie Wearables, Internet of Things und Medizin steigt Nachfrage nach Batterien und Energielösungen, verlangt aber auch nach noch kleineren, intelligenteren, stärkeren und zuverlässigeren Produkten. Batterien sind die Schlüsselkomponenten für Anwendungen im 21. Jahrhundert. Den Prognosen zufolge wird 2028 fast ein Drittel des Umsatzes in der Gesundheitsbranche durch digitale Produkte erwirtschaftet werden. Immer häufiger werden kleine sowie leistungsstarke Komponenten in zunehmend kompakteren Geräten und Produkten eingesetzt. Die Lithium-Ionen Technologie ist die ideale Energielösung für moderne elektronische Geräte wie True-Wireless Bluetooth-Headsets, Wearable-Technologien, medizinische Geräte und vieles mehr. Durch kleinste Zelltypen und einer hervorragenden mechanischen Stabilität können Entwickler ihre Geräte stets minimieren. Durch die erhöhte Energiedichte der neuen Generation der Lithium-Ionen Zellen sind noch längere Laufzeiten möglich.

Der Markt für Lithium-Zellen ist sehr dynamisch. Teils kommt dies von der Vielzahl der verschiedenen Zellchemie-Entwicklungen, teils von unterschiedlichen Marktanforderungen. Diese Dynamik erhöht jedoch die Gefahr von unerwünschten Obsoleszenzen. Es empfiehlt sich, neue Zellen mit bewährten Produkten zu vergleichen. Um jedoch die dafür notwendigen Aufwände zu minimieren, wird eine systematische vergleichende Erfassung verschiedener Zellchemien und deren kritischen Parametern durchgeführt. Dadurch lassen sich einfacher potentiell interessante Produkte erkennen. Vergleich von Lithiumtechnologien: Folgende Zellen gleicher Bauform (18650) wurden mit elektrochemische Impedanzspektrometrie (EIS) und konventionellen Stresstests charakterisiert: - Panasonic 18650 FK (Lithium Cobalt Oxid [LCO]): 2,3Ah (Referenzzelle) - LG INR18650 MH1 (Lithium NMC [NMC]): 3,2 Ah - SONY FTC (Lithium Eisen Phosphat [LFP]): 1,1 Ah - SONY VTC6 (NCA/Gr+SiO): 3,12 Ah - Samsung INR18650-20R (Lithium Mangan Oxid [LMO]): 2,0 Ah Testmethoden: - Entladungstests von voll geladenen neuen Zellen mit verschiedenen C-Raten: o Gegenüberstellung in Ragone- und Peukert-Diagrammen - Ermittlung der Impedanz bei 25°C über einen SOC-Bereich von 100% bis 50% - Vergleich der Impedanzanalysen mit den elektrischen Belastungstests Um die Leistung und Energie einer Zelle zu bestimmen, wird sie nach normgemäßer Voll-Ladung mit jeweils verschiedenen konstanten Strömen über eine elektronische Last bis zur Entladeschlußspannung entladen. Die Meßwerte können in einem Peukert-Diagramm (Darstellung der Kapazität Q [Ah] über der C-Rate) oder in einem Ragone-Diagramm (Darstellung der Energie [Wh] über Leistung [W]) visualisiert werden. Daraus kann erkannt werden, ab welcher C-Rate merklich weniger Kapazität freisetzen kann. Funktionsprinzip Elektrochemische Impedanzspektroskopie: EIS ist ein aktives Meßverfahren, bei dem durch die selektive Stromanregung wird die Spannungsantwort frequenzabhängig erhalten wird /3/. Elektrochemische Elemente wie Li-Ionen-Zellen bestehen mindestens aus 2 verschiedenen Elektroden und dem Elektrolyt, deren Reaktion auf unterschiedlichen Frequenzbereichen erfolgt. Das Leistungsranking bei elektrischer Belastung ergibt: 1: LMO 2. NMC 3. NCA/SiO 4. LFP 5. LCO Dies wird auch bei der Impedanzdarstellung in Abb.9 deutlich, nur ist der Aufwand für die Impedanzmessung deutlich geringer. Ein Vergleich der Impedanzen von verschiedenen Lithiumzellen bei Voll-Ladung erlaubt nach geeigneter Umrechnung in pseudo-Kapazität und spezifische Energie eine effiziente Beurteilung der Reaktion auf elektrischen Stress. Damit lassen sich neue Zellen relativ zu bekannten Zellen in wesentlich kürzerer Zeit bewerten. Das Resultat wurde auch durch konventionelle Entladungstests bestätigt.

Für immer mehr Anwendungen werden heute Lithium Polymer Zellen eindesigned. Der Vorteil liegt klar auf der Hand, leichter als Hard Case Zellen und deutlich flexibler in Hinsicht auf verschiedene Größen. Ein Werkzeug für eine neue LiPolymer Zelle kostet nur wenige Tausend US$, ein Werkzeug für eine Hard Case Zelle liegt im Bereich von einigen Zig Tausenden US$. Das ist ein klarer Kostenvorteil. Wenn es dann darum geht möglichst dünne Zellen < 3mm zu haben, dann geht kein Weg mehr an LiPolymer Zellen vorbei. Auch wenn es darum geht möglichst kleine Zellen vergleichbar mit Knopfzellen einzusetzen, dann sind LiPolymer Zellen eine mögliche Wahl. Es wurden weiterhin Li-Polymer Zellen entwickelt und in Produktion genommen, die verbesserte Hochstrom und Temperatur Eigenschaften aufweisen speziell entwickelt für diese außergewöhnlichen Anwendungsbedingungen. Der weite Bereich der Formen, der verschiedenen Größen sowie die Technologie und die Performance von Hochstrom sowie Hoch- und Tieftemperatur Li-Polymer Zellen und Batterien werden behandelt.

Die Rasterakustikmikroskopie (Scanning acoustic microscopy - SAM) ist eine Methode, die in der Batteriegemeinschaft noch relativ unbekannt ist. Diese schnelle und zerstörungsfreie Charakterisierungsmethode ist eine ideale Ergänzung zur üblichen elektrischen Messung. Defekte innerhalb flacher Batteriezelle können lokalisiert und identifiziert werden. Typische Defekte sind Elektrolytleckage, fehlerhafte Elektroden und Gasansammlungen. Diese Fehler sind durch die lokale atypische Reflexion von Schallwellen an fehlerhaften Materialgrenzflächen erkennbar. Individuelle Bilder werden aus den reflektierten Wellenfronten erzeugt, die mit bestimmten Zeitverzögerungen empfangen werden und zusätzlich Informationen über die Tiefe der untersuchten Fehler ermöglichen. Diese Methode kann zur Qualitätskontrolle von Batteriezellen während der Produktion verwendet werden und trägt zu einem schnellen und wirtschaftlichen Screening neuer Materialien oder neuer Produktionsschritte bei. Auch bei der Auswahl repräsentativer Stellen der Batterie für die Post-Mortem Analysen leistet SAM einen wertvollen Beitrag.

Für die Simulation von Batteriesystemen und insbesondere für die Auslegung des dazugehörenden Thermomanagements ist man auf dezidierte Daten der eingesetzten Batteriezellen angewiesen. Bisher werden Zellen thermisch meist durch ihre Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit in die drei Raumrichtungen beschrieben. In diesem Vortrag wird zum einen die messtechn. Bestimmung des therm./elektr. Verhaltens von Batteriezellen mit Hilfe einer speziell dafür entwickelten Prüfapparatur erläutert und zum andern die Möglichkeit aus diesen Daten einen Digitalen Zwilling der vermessenen Batteriezelle abzuleiten dargelegt. Die Messapparatur erfasst dabei räumlich aufgelöst die Oberflächentemperatur und den übertragenen Wärmestrom, welcher von der Zelle unter gegebenen Strombelastungen beim Laden bzw. Entladen erzeugt wird. Mit Hilfe einer Systemidentifikation wird daraus ein LTI System abgeleitet, welches das gemessene Zellverhalten mathematisch beschreibt, ein digitaler Zwilling sozusagen. Mit diesen Daten ist es möglich mittels bekannter Simulationsumgebungen eine Batterie samt Thermomanagement gesamthaft zu simulieren. Unter Nutzung von Optimierungsstrategien ist es darüber hinaus möglich Systemverbesserungen im Voraus beurteilen zu können, bevor ein Prototyp gebaut wird.

Die Fähigkeit von Energiespeichern, mehrere Anwendungen simultan zu bedienen, macht sie zu einer vielversprechenden Technologie, um eine nachhaltige Energiewende zu ermöglichen. Die Investitionskosten stellen noch immer eine Hürde für die Anschaffung eines Lithium-Ionen Speichersystems dar. Hinzu kommt, dass derzeit nur wenige Anwendungsfälle einen profitablen Betrieb erlauben. In diesem Beitrag wird gezeigt, dass durch die Erschließung mehrerer Einnahmequellen mithilfe des simultanen Bedienens von Anwendungen ein profitabler Betrieb unter den aktuellen regulatorischen Gegebenheiten möglich ist. Das entwickelte Optimierungsframework, welches zwischen „front-of-the-meter“ und „behind-the-meter“ Anwendungen unterscheidet, ist in der Lage Energie und Leistung separat den einzelnen Anwendungen zuzuweisen. Durch die Kombination von Peak-Shaving und Regelenergie wird ein Kapitalwert von 1,00 pro investierten Euro erreicht. Durch das Hinzufügen des Arbitrage-Handels auf dem Intraday-Markt wird dies auf den Wert 1,24 erhöht.

Mit modularen Lithium Ionen Akkumulatoren können durch Serienschaltung beliebig hohe Batteriespannungen erzeugt werden. Ein weiterer Vorteil der Modularisierung ist die Vermeidung von allen Hochspannungsproblemen. Durch Parallelschaltung über DC-DC- Wandler können dann mehrere Hochspannungsstränge auf die gewünschten Ströme gebracht werden. Die 24 V-Akkus von PMS verfügen über einen galvanisch getrennten CAN- Bus und einer ebenfalls galvanisch getrennten Alarmleitung. Mit zum Beispiel 20 in Serie geschalteten Batteriemodulen erhält man eine 500V- Batterie für diverse automotive und stationäre Anwendungen. Mit PMS- Konfigurierungstools können die Bus-Systeme und die Batterie Management Systeme (BMS) für die verwendeten Batteriezellen konfiguriert werden. Die Modul-BMS‘en erfassen die Zellspannungen und Zelltemperaturen von den 6 Lithium-Ionen-Zellen der Module, den Lade- und Entladestrom, führen eine passive Balancierung durch und berechnen alle Batteriedaten wie Ladezustand (SOC), Alterung (SOH), gespeicherte Energie und den maximalen Lade- und Entladestrom für zum Beispiel das Schnell-Laden. Eine Strang- BMS erhält über den CAN Bus alle Daten von den Modul-BMS’en und stellt diese via UDS- Diagnose über CAN oder Ethernet für zum Beispiel die Antriebsstrang-ECU oder ein SCADA- System zur Verfügung. Die Eigendiagnose der PMS- BMS’en überwachen alle Aspekte der Batterie und können Fehler und Alterungsprozesse gemäss den AutoSAR Standards überwachen, speichern und melden. Durch einen einfachen Modultausch können gealterte oder defekte Module ausgetauscht werden. Zur Einhaltung der Functional-Safety-Standards der Automations-, Automotive- und Flugzeug- Industrien wird der 32- Bit ARM Cortex M4 Controller durch einen zusätzlichen Watchdog-Controller in Form eines ARM Cortex M0 überwacht.

Wenn sich Konstrukteure, Forscher und Unternehmer von Energiespeichersystemen treffen, sprechen und diskutieren sie gewöhnlich über Rohstoffe, Zellchemie, Systemarchitektur und Sicherheit, Marktaussichten, Kosten und Preise. Eine der wichtigsten Komponenten in Batteriesystemen wird dabei häufig übersehen - die elektrischen Anschlüsse. Sei es der große Leistungsverbinder an der Vorder- oder Rückseite des Batteriemoduls, die kleine Printklemme auf der Leiterplatte des Batteriemanagementsystems oder der Datenanschluss für die Systemkommunikation. Aber wenn diese unscheinbaren Teile nicht richtig funktionieren, kann es im besten Fall zu Effizienzverlusten und im schlimmsten Fall zu Systemausfällen oder sogar zu Bränden kommen! In dem vorliegenden Vortrag werden die verschiedenen elektrischen Schnittstellen in Energiespeichersystemen identifiziert sowie die Funktion und alternative Möglichkeiten der Verbindung von Strom-, Signal- und Datenleitungen beschrieben. Die Vor- und Nachteile von Schraub-, Steck-, Klemm- und anderen Verbindungstechniken sowie kundenspezifischen Lösungen werden aufgezeigt und abschließend ein Überblick über die aktuellen internationalen Normungsaktivitäten gegeben.

Unsere zukünftige Mobilität wird flexibel, unabhängig, digital, vernetzt aber auch immer kabellos sein. Kabellose Energieübertragung und -ladung wird immer mehr in der Öffentlichkeit sichtbar z.B. durch die elektrische Zahnbürste und das Laden von Smartphones und Tablets. Welche Technologien stecken dahinter? Welche Anwendungen nutzen sie heute? Was sind die Grenzen und Bedenken? Was wird die Zukunft sein? Welche Standards treiben die Technologie an? Was sind die Chancen und Herausforderungen? Was wird sich im Nutzerverhalten und in den Elektroleichtfahrzeugen ändern, wenn sich die Technologien breiter etablieren werden? Wird die Vision einer kabellosen Welt eine Chance haben um Realität zu werden ? Die Präsentation wird versuchen Fakten, Antworten und Meinungen zu diesen Fragen zu geben. Es wird die Vision einer kabellosen Welt des öffentlichen Nahverkehrs als Paradigmenwechsel aufgezeigt und diese Vision mit dem Publikum diskutiert.

Detaillierte Informationen zum Basisseminar finden Sie unter Home.

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