Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren ergänzen sich gut: Gekoppelt in einem hybriden Speichersystem, versprechen sie eine reduzierte Batteriealterung und niedrige Gesamtkosten. Das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE hat nun mit den Partnern Skeleton Technologies und AVL im Forschungsprojekt „SukoBa“ Simulationswerkzeuge für die Auslegung solcher Hybridsysteme entwickelt. Deren Herzstück ist ein Degradationsmodell zur Vorhersage der Batteriealterung, das auf der vom Fraunhofer IEE entwickelten Simulationsumgebung BaSiS fußt. Mithilfe der BaSiS Software lässt sich die Lebensdauer der Batterien in hybriden Speichersystemen um bis zu 20 Prozent steigern, zeigt das Forschungsprojekt.
Superkondensatoren, auch Supercaps genannt, können innerhalb kürzester Zeit sehr viel Leistung aufnehmen und bereitstellen, ohne dass ihre Lebensdauer leidet. Allerdings ist ihre Energiedichte gering, die Kapazität ist also schnell ausgeschöpft. Lithium-Ionen-Batterien dagegen weisen eine hohe Kapazität auf, kommen aber mit kurzzeitigen Lastspitzen nicht gut zurecht. Denn dabei entsteht Hitzestress, der sie schneller altern lässt. In vielen Anwendungen – etwa bei elektrischen Transport- und Baumaschinen – kann es deshalb sinnvoll sein, beide Speichertechnologien zu kombinieren: die Batterien für den Dauerbetrieb, die Superkondensatoren für Spitzenlasten wie die Rekuperation, also das Rückgewinnen von Bremsenergie.
Allerdings war es bislang nur schwer möglich, verlässlich zu prognostizieren, wie sich die Koppelung mit einem Superkondensator auf die Lebensdauer der Batterie auswirkt – was die Entscheidung für ein solches System und auch dessen Auslegung erschwert. „Dieses Defizit haben wir nun mit unserem gemeinsamen Forschungsprojekt beseitigt: Unser Werkzeugkasten liefert aussagekräftige Daten, mit denen potenzielle Anwender ihre Entscheidung für oder gegen eine Kopplung der beiden Technologien auf gesicherter Grundlage treffen können“, sagt die Projektleiterin Dr. Wei Wei Shan beim Fraunhofer IEE.
Exakte Vorhersagen der Batteriealterung
Das im Projekt entwickelte Degradationsmodell ermöglicht es, verschiedene Konfigurationen und Regelungsalgorithmen zu analysieren, um die mit Blick auf Lebensdauer und Kosten beste Kombination von Superkondensatoren und Batterien für ein konkretes Systemdesign und unterschiedliche Betriebsszenarien zu finden. Dazu simuliert das Modell unter anderem das Verhalten der Batterie in einem Hybridsystem unter realistischen Betriebsbedingungen. Daraus leitet die Software eine exakte Vorhersage ihrer Alterung ab – die Voraussetzung, um durch die passgenaue Auslegung des Hybridsystems sowie maßgeschneiderte Regelungsstrategien deren Lebensdauer zu verlängern. Ebenso lässt sich mit dem Werkzeug ermitteln, ob und wenn ja in welchem Maße sich die Größe der Batterie in einem solchen System reduzieren lässt, um Kosten zu sparen.
Die Toolbox ist so flexibel gestaltet, dass neue Trends bei Batterien, Superkondensatoren und Leistungselektronik berücksichtigt werden können.
Modell basiert auf Simulationsumgebung BaSiS des Fraunhofer IEE
Dem Degradationsmodell liegt die vom Fraunhofer IEE entwickelte Software BaSiS (Battery Simulation Studio) zugrunde, eine hochpräzise Simulationsumgebung für dynamische Prozesse und Alterungseffekte elektrochemischer Energiespeicher. BaSiS kommt seit vielen Jahren in der Entwicklung, Prüfung und Optimierung von Zellen, Batterien, Packs, Komponenten und Managementsystemen im mobilen und stationären Bereich zum Einsatz.
Das BaSiS-Modell muss für die jeweils verwendete Batterietechnologie parametrisiert werden, um verlässliche Vorhersagen liefern zu können. Die Fraunhofer-Forscher leiten die Parameter des Batteriemodells aus konstruktiven Daten und experimentellen Messungen von Batteriezellen ab, unabhängig vom Hersteller der Batterie.
