LiKo

Entwicklung 12-V-Lithium-Ionen-Starter-Batterien mit (Lithium-)Kondensatoren zur Kaltstartverbesserung und Erhöhung der Zyklenlebensdauer (FHprofUnt2012)

Laufzeit: 01.11.2012 bis 31.10.2015
Fördersumme: 310.918,00 €
Projektvolumen: 310.918,00 €
 

ausführende Stelle:

Technische Hochschule Ingolstadt, Institut für angewandte Forschung
Paradeplatz  13
85049 Ingolstadt
zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

Technische Hochschule Mittelhessen
Wiesenstr.  14
35390 Gießen
zum Internetauftritt

Fördergeber: BMBF, Referat 515

Förderkennzeichen: 03FH059PX2

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
RE1010 Forschung an Fachhochschulen

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Ausführliche Beschreibung des Einzelprojektes

Herausforderungen und Ziele

Das wissenschaftliche und technische Hauptziel des Projekts „LiKo“ lag in der Erforschung der optimalen Kombination von Kondensatoren und Lithium-Ionen-Zellen für die Anwendung als 12-V-Starterbatterie für den Einsatz im Pkw. Dabei wurden die Nachteile der aktuell im Pkw eingesetzten Blei-Batterietechnologie gezielt vermieden. Ziel war es, eine Lehre zum technischen Handeln zu entwickeln, anhand derer die Batterie auf optimale Kaltstartfähigkeit wie auch auf optimale Lebensdauer ausgelegt werden können.

Anhand von Prototypen wurde die Eignung der zu entwickelnden technischen Lehre demonstriert und nachgewiesen. Die erarbeiteten Konzepte und Prototypen wurden dabei in Zusammenarbeit mit den Partnern aus Industrie und Forschung validiert und auf ihre Anwendbarkeit im industriellen Umfeld überprüft.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Nach dem Stand der Technik werden in Pkw Blei-Batterien als Starterbatterien eingesetzt. Diese bewährte Technologie weist zwei wesentliche Nachteile auf. Zum einen ist die Energiedichte dieser Batterien sehr gering, daher müssen sehr schwere Batterien im Fahrzeug verbaut werden, um die nötige Energie zu speichern. Typische Blei-Batterien wiegen bis zu 30 kg. Gelingt es, dieses Gewicht zu reduzieren, kann der Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs auf einfache Art reduziert werden.

Der zweite Nachteil dieses Batterietyps ist seine geringe Lebensdauer. Vor allem die Zyklenfestigkeit dieser Batterien ist nur sehr gering. Die Einführung von Start-Stopp-Systemen wie auch der Rekuperationsfunktion zur Bremsenergierückgewinnung und Einspeisung der Bremsenergie ins 12-V-Bordnetz des Fahrzeugs, führen zu einer deutlichen Kraftstoffeinsparung und damit zu einer Reduzierung des Kohlendioxid-Ausstoßes. Durch die geplante Einführung des Segelbetriebs (Abschaltung des Verbrenners während der Fahrt, wenn kein Antrieb benötigt) wird die Kohlendioxid-Emission noch weiter reduziert.

Diese Maßnahmen führen aber zu einer deutlichen Zunahme der Zyklenbelastung der Bleibatterie. Dies hat eine deutliche Reduzierung der Lebensdauer der Bleibatterie im Fahrzeug zur Folge. Je nach Fahrprofil und Fahrzeugklasse erreichen Blei-Batterien nur noch eine Lebensdauer von ein bis zwei Jahren (mit Segelbetrieb noch darunter). Durch den verfrühten Ausfall dieser Batterien entstehen sehr hohe Gewährleistungskosten beim Fahrzeughersteller bzw. Austauschkosten für den Fahrzeughalter, wie auch ein nicht unerheblicher Energieverbrauch für den Austausch und das Recycling der Bleibatterien.

Ein Ansatz, um gleichzeitig das Lebensdauerproblem wie auch das Gewichtsproblem zu lösen, ist der Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien als 12-V-Bordnetzbatterie im Fahrzeug. Die Energiedichte dieser Batterietechnologie ist um ein Vielfaches höher als die von Blei-Batterien. Die Zyklenfestigkeit liegt um mindestens den Faktor 100 über der von typischen Blei-Starterbatterien.

Der Nachteil dieser Batterietechnologie liegt in ihrer geringen Kaltstartfähigkeit, wenn energieoptimierte Zellen eingesetzt werden. Um dieses Problem zu umgehen, ist es Ziel des Projekts, eine 12-V-Bordnetz Batterie zu entwickeln, bei der Kondensatoren (Lithium-Ionen, oder Doppelschichtkondensatoren) parallel zu den Lithium-Ionen-Zellen geschaltet sind. Die Kondensatoren übernehmen die Bereitstellung der nötigen Kaltstartleistung.

Arbeitsschwerpunkte waren:
• Anforderungsanalyse und Lastenhefterstellung für das Batteriesystem
• Konzeptphase zur Erstellung und Bewertung verschiedener Konzepte zur Parallelschaltung von Lithium-Ionen-Zellen und Lithium-Kondensatoren
• Bewertung der Eignung von Lithium-Kondensatoren, Benchmark mit Doppelschicht- und Elektrolytkondensatoren, Auswahl der optimalen Kondensatortechnologie
• Technologiebenchmark für Lithium-Ionen-Zellen und Kondensatoren und Auswahl für die Verschaltung optimal geeigneter Zell- und Kondensatortypen
• Entwicklung eines Sicherheitskonzeptes für diesen Batterietyp
• Aufbau von mehreren unterschiedlichen Prototypen
• Konzeptwettbewerb zur Auswahl des besten Prototypen
• Optimierung dieses Prototyps durch eine Entwicklungsschleife
• Erprobung der Batterien im Labor
• Test der Batterien im Fahrzeug
• Impedanz-basierte Batteriemodelle zur Batteriezustandsbestimmung
• Entwicklung einer kostengünstigen Batteriemanagement-, Balancing- und Überwachungselektronik speziell für diese Anwendung
• Entwicklung von Algorithmen für die Batteriezustandserkennung für einen Verbund aus Lithium-Ionen-Zellen und Lithium-Kondensatoren
• Benchmark mit Blei-Batterien (Kosten, Lebensdauer, Gewicht und Bauraum)


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die Forschung zum Ersatz von Blei-Batterien durch neue Batterietechnologien zur Steigerung der Lebensdauer und Kaltstartleistung von Pkw-Batterien ist im Moment durch eine Vielzahl unterschiedlicher Ansätze geprägt. Auch im Bereich der Blei-Batterien werden verschiedene Ansätze verfolgt.

Zum einen wird versucht, Blei-Batterien weiter für den Einsatz im Fahrzeug zu optimieren. Ein Ansatz besteht darin, durch Zusatz von Kohlenstoff zu den Elektroden von Blei-Batterien, die Zyklenlebensdauer dieses Batterietyps zu steigern. Zum anderen gibt es verschiedene Ansätze, bei denen Blei-Batterien mit weiteren Energiespeichern kombiniert werden. Hier sind insbesondere die Parallelschaltung mit NiMH-Batterien oder Doppelschichtkondensatoren zu nennen. Um die Kosten für die Kondensatoren zu reduzieren, werden auch Ansätze zur Reihenschaltung von 12-V-Blei-Batterien und Kondensatoren verfolgt.

Ein weiterer alternativer Ansatz besteht darin, direkt alternative Batterietypen anstelle von Blei-Batterien als Starterbatterien einzusetzen. Hier ist der Einsatz von NiMH-und Lithium-Ionen-Batterien als Alternative geplant bzw. angekündigt.

Diese möglichen Alternativen und ihre Bedeutung auf das Projekt LiKo wurden zusammen mit den Industriepartnern diskutiert. Es wird angenommen, dass die Ansätze zur Kombination von Blei-Batterien mit weiteren Zellen wie auch die Optimierung von Blei-Batterien ein möglicher Weg zur Verbesserung der Lebensdauer der Batterien sind. Da aber wiederhin Blei in diesen Batterien eingesetzt wird, wird dies hinsichtlich eines gänzlichen Verbots von Blei im Automobilbau nicht als zukunftssichere Möglichkeit angesehen. NiMH-Batterien wären davon nicht betroffen, werden aber aufgrund des Einsatzes von seltenen Erden (Verfügbarkeits- und Kostenproblematik) und ihres höheren Innenwiderstands von den Industriepartnern nicht als langfristig tragbare Lösung angesehen.

Als erfolgversprechende Alternative zu dem im Projekt LiKo verfolgten Ansatz wird die Optimierung der Kaltstartleistung von Lithium-Ionen-Batterien in Kombination mit einer starken Kostenreduktion von Leistungszellen angesehen. Um dies zu untersuchen, wurde zusammen mit den Projektpartnern beschlossen, den im Projekt gewählten Ansatz weiterzuverfolgen, wobei zu den ursprünglich gewählten Zellen auch Lithiumtitanat-Zellen – aufgrund ihrer hohen Leistungsfähigkeit – für den zweiten Prototypen eingesetzt und untersucht wurden.


Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

mobil

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung


Schlagworte zum Einzelprojekt

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien

Forschungsgegenstand

Zelle

Anwendungsfelder

mobil Antriebsart BEV

mobil Antriebsart Hybrid

mobil Fortbewegungsart Land Kraftfahrzeug PKW

Projektleiter

Herr Prof. Dr. Hans-Georg Schweiger
Technische Hochschule Ingolstadt, Institut für angewandte Forschung
Paradeplatz  13
85049 Ingolstadt
zum Internetauftritt

Telefon: +49 841 9348-4500
E-Mail: Hans-Georg.Schweiger@thi.de


Presse

Frau Julia Knetzger
Esplanade 10
85049 Ingolstadt
Telefon: +49 841 9348-2131
E-Mail: presse@thi.de
zum Internetauftritt