IKEBA

Integrierte Komponenten und integrierter Entwurf energieeffizienter Batteriesysteme

Teilprojekt 1

Zustandsanalyse von Lithium-Ionen-Zellen und -Batterien durch elektrochemisch-thermische Untersuchungen und Modellierung

Laufzeit: 01.05.2013 bis 30.04.2016

Fördersumme: 985.495,00 €

Projektvolumen: 985.495,00 €
 

ausführende Stelle:

Karlsruher Institut für Technologie - Institut für Angewandte Materialien - Angewandte Werkstoffphysik
Hermann-von-Helmholtz-Platz  1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen

zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

Sondervermögen Großforschung beim Karlsruher Institut für Technologie

zum Internetauftritt

Fördergeber: BMBF, Referat 523

Förderkennzeichen: 16N12515

Projektträger: PT-VDI/VDE

Leistungsplansystematik:
GC3020 Gesamtsystem Elektrofahrzeug mit Fokus auf Fahrzeugelektronik und Energiemanagement Fahrzeugkonzepte und Herstellungsverfahren

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR 

Kurzbeschreibung des Teilprojektes

  • Erforschung des elektrochemischen und thermischen Verhaltens von Lithium-Ionen-Zellen beim regulären und sachgemäßen Gebrauch (Raumtemperatur)
  • Bestimmung von Batterie-Leistungsparametern, Zyklen-Lebensdauer und Effizienz
  • Erforschung der Batteriestabilitäten bei regulärem Gebrauch aber bei Umgebungstemperaturen, die von der Raumtemperatur abweichen sowie bei unsachgemäßem Gebrauch und mechanischer Einwirkung
  • Erarbeitung grundlagenwissenschaftlicher Erkenntnisse und des tiefen Verständnisses der in den oben genannten Punkte durch elektrochemische, thermodynamische und werkstoffwissenschaftliche Modellierungen und Simulationen
  • Finite-Element-Modellierung und –Simulation zur Modellierung des Wärmetransports in den Zellen (Wärmeentwicklung, Wärmeableitung)
  • Entwicklung eines vertieften Verständnisses der elektrochemisch-thermischen Prozesse in realistischen Zellgeometrien, das für ein verbessertes thermisches Management und Batterie-Management auch unter ungünstigen Betriebsbedingungen genutzt werden kann


Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Die in Elektrofahrzeugen eingesetzten Lithium-Ionen-Batterien (LIB) haben noch deutliche Reserven, was die Ausnutzung der gespeicherten Energie und die mögliche Energieeinspeisung betrifft. Das wichtigste wissenschaftliche Ziel dieses Teilprojektes ist daher, die gekoppelten elektrochemischen, thermischen und thermodynamischen Daten beim Betrieb von LIB zu ermitteln und die zugrundeliegenden Reaktionsmechanismen und Wärmeleitungsvorgänge aufzuklären. Die experimentell ermittelten Daten gehen in Finite-Element-Modellierungen bzw. äquivalente Schaltkreismodelle ein.
Als technisches Ziel sollen die gemessenen Ergebnisse als Eingangsdaten für die Modellierung des gesamten Batteriemanagementsystems (BMS) verwendet werden. Die kombinierten elektrochemisch-kalorimetrischen Messmethoden sollen standardisiert und für „Routinemessungen“ in Forschung und Industrie weiterentwickelt werden (pränormative Entwicklung der Methodik und der Spezifikationen) als wichtiger Beitrag zur Qualitätssicherung von LIB.
Das wissenschaftlich-methodische Ziel ist es, in speziellen adiabatischen Batteriekalorimetern die kalorimetrischen Daten simultan mit den elektrochemischen Kennwerten beim Betrieb der LIB quantitativ zu messen. Mit kalorimetrischen und thermographischen Methoden werden orts- und zeitaufgelöste Temperatur- und Wärmeentwicklungen im Inneren und auf der Zelloberfläche bei verschiedener kalendarischer und zyklischer Alterung bestimmt.

Zusammengefasst werden im Teilprojekt folgende Ziele verfolgt:
1. Erforschung des elektrochemischen und thermischen Verhaltens von LIB beim sowie bei unsachgemäßem Gebrauch und mechanischer Einwirkung
2. Erarbeitung grundlagenwissenschaftlicher Erkenntnisse und des tiefen Verständnisses der Vorgänge beim Betrieb von LIB durch elektrochemische und thermodynamische Modellierungen und Simulationen (Finite-Element-Modellierung, Äquivalente Schaltkreise), für verbessertes thermisches Management und Batterie-Management auch unter ungünstigen Betriebsbedingungen


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Es werden Grundlagenuntersuchungen zur messtechnisch abgesicherten Zustandsanalyse der LIB bei definierten thermischen Bedingungen mit Hilfe von Batteriekalorimetern, Thermokameras, sowie kombinierten Modellierungen der elektrochemischen und der thermischen Prozesse beim Betrieb unter verschiedenen Belastungen und Umgebungstemperaturen durchgeführt. Diese Daten erlauben es, Lade- und Entlademanagement für das BMS stetig weiter zu optimieren und auf die Zellen zuzuschneiden. Besonders wichtige Daten sind Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität sowie die ortsaufgelöste Temperatur- und Wärmeentwicklung an der Oberfläche der LIB.
Vorgaben zur Bestimmung und Optimierung der Leistungsfähigkeit und Sicherheit bei regulärem Gebrauch aber variierenden Einsatz- und Umgebungsbedingungen werden abgeleitet. Aus simultanen Messungen elektrochemischer und kalorimetrischer Kennlinien der LIB bei unterschiedlichen Temperaturen sowie verschiedenen Lade- und Alterungszuständen werden Aussagen zur Langzeitzyklierung und Erhöhung der Batterie-Effizienz für verbesserte BMS abgeleitet. Insbesondere wird die erzeugte Wärme in reversible und irreversible Anteile separiert. Des Weiteren wird das Sicherheitsverhaltens beim Missbrauch (thermal runaway, Überladen, interner/externer Kurzschluss, mechanische Einwirkung wie Impakt, Crash, Zerstörung z. B. bei Autounfall) untersucht.
Ausgewählte Zellen mit verschiedener kalendarischer und zyklischer Alterung werden zur Post-Mortem-Analyse in Gloveboxen geöffnet, um mithilfe von werkstoffwissenschaftlichen Analysemethoden fundamentale Werkstoff- und Systemreaktionen, die in LIB beim Betrieb stattfinden, aufzuklären.
Alle experimentellen Daten gehen in die Simulation des Zellverhaltens ein, die mit Finite-Element-Modellierungen (Comsol Multiphysics) bzw. äquivalenten Schaltkreismodellen erfolgt (Matlab-Simulink). Die Validierung des gekoppelten Modells erfolgt mit ausgewählten Lastprofilen (NEFZ, Artemis).


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Eine genauere Kenntnis des Verhaltens der LIB ist Voraussetzung für die Entwicklung verbesserter Batteriemanagementsysteme. Das charakteristische Verhalten von Strömen und Spannungen der Batteriezellen in Abhängigkeit vom Ladezustand und der Temperatur ist eine Voraussetzung für Entscheidungen hinsichtlich der Anforderungen an die Hardware von BMS-Chips und die Software hinsichtlich Genauigkeitsanforderungen, der Wahl zu messender Größen und der einzusetzenden Lade- und Entladealgorithmen. Es werden Grundlagenuntersuchungen durchgeführt, die in künftigen Generationen von BMS Berücksichtigung finden müssen. Neu an diesem Ansatz ist die:
1. simultane elektrochemisch-kalorimetrische Messung des Gesamtsystems LIB in Kombination mit weiteren thermodynamischen und werkstoffwissenschaftlichen Analysen (Experiment und Modellierung),
2. simultane Bestimmung von elektrochemischen und kalorimetrischen Kennlinien und die Herstellung des Bezugs zur Sicherheit („thermal runaway“, Impaktverhalten, Kurzschluss (Überladung und Tiefentladung)),
3. Verwendung genau bestimmter quantitativer experimenteller Daten für die Modellierung.
Darauf basierend erarbeiten die Projektpartner neue Verfahren, um zuverlässigere mikroelektronische Schaltungen für das BMS zu entwickeln. Dabei stehen virtuelle Entwurfs- und Simulationsverfahren im Mittelpunkt. Sie ermöglichen es, BMS zu etablieren, die den Batteriezustand genauer ermitteln und kritische Situationen früher erkennen. Einflussfaktoren wie Temperatur, Ladezustand oder Alterung sollen damit zuverlässig registriert werden. Durch darauf abgestimmte Lade- und Entladealgorithmen wird die gespeicherte Energie besser genutzt und so die Dauer bis zum nächsten Aufladen eines Elektrofahrzeugs signifikant erhöht. Auch die Lebensdauer einer Batterie verlängert sich durch ihre optimierte Nutzung. Außerdem erkennt das BMS rechtzeitig fehlerhaftes Verhalten und Ausfälle einzelner Zellen, wodurch LIB zuverlässiger und sicherer funktionieren.


Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.05.2013 bis 30.04.2016
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 4.422.400,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: keine Angabe

Teilprojekt 1: Zustandsanalyse von Lithium-Ionen-Zellen und -Batterien durch elektrochemisch-thermische Untersuchungen und Modellierung

Förderkennzeichen: 16N12515

Karlsruher Institut für Technologie - Institut für Angewandte Materialien - Angewandte Werkstoffphysik
76344 Eggenstein-Leopoldshafen

Teilprojekt 2: Systemmodelle von integrierten Batterieüberwachungsschaltungen 

Förderkennzeichen: 16N12514K

Atmel Automotive GmbH
74025 Heilbronn

Teilprojekt 3: Entwurfsmethoden für verbesserte robuste Batteriemanagementsysteme 

Förderkennzeichen: 16N12440

Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen, Außenstelle Entwurfsautomatisierung
01069 Dresden

Teilprojekt 4: Funktionsdemonstrator eines effizienten Batteriesystems 

Förderkennzeichen: 16N12512

Hella KGaA Hueck & Co., Geschäftsbereich Elektronik
59552 Lippstadt

Fördergeber: BMBF, Referat 523

Projektträger: PT-VDI/VDE

Leistungsplansystematik:
GC3020 Gesamtsystem Elektrofahrzeug mit Fokus auf Fahrzeugelektronik und Energiemanagement Fahrzeugkonzepte und Herstellungsverfahren
GC3020 Gesamtsystem Elektrofahrzeug mit Fokus auf Fahrzeugelektronik kund Energiemanagement Fahrzeugkonzepte und Herstellungsverfahren

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR 

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Die Einführung von Elektrofahrzeugen erfordert die Nutzung einer Batterie als Energiespeicher, wobei die mit einer Batterieladung erreichbare Reichweite noch zu gering ist. Die heute verwendeten Lithium-Ionen-Batterien besitzen zwar ein hohes Potenzial, um größere Reichweiten zu erzielen, ohne allerdings den benzin- oder dieselgetriebenen Autos bereits auf diesem Sektor gewachsen zu sein. Bei maximaler Ausnutzung der gespeicherten Energie und maximal möglicher Energieeinspeisung in die Batterie sind aber noch bedeutende Reserven vorhanden.

Die Partner von IKEBA wollen in diesem Verbundvorhaben dazu neue Systemarchitekturen für die Steuerung der Batterieladung und -entladung erforschen, entsprechende Verfahren für den Entwurf dieser Systeme und Schaltungen bereitstellen und gleichzeitig Zuverlässigkeit und Sicherheit beim Betreiben der Batterien verbessern.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Grundlagenuntersuchungen zum elektro­chemischen Verhalten von Lithium-Ionen-Zellen und -Batterien und damit verbundene experimentelle Studien im Rahmen des Vorhabens werden mit dem Ziel durchgeführt, eine bessere Charakterisierung des Batterie­zustands in Abhängigkeit von Temperatur, Lade­zustand, Betriebsprofilen und Alterung sowie für das rechtzeitige Erkennen von fehlerhaftem Verhalten und Ausfällen zu ermöglichen. Damit werden Reserven zur Reichweitenerhöhung  beim Nutzen der Batterien aufgedeckt.

Untersuchungen zu robusten hochintegrierten Schaltungen zielen auf eine präzisere Messung von Strömen, Spannungen und Temperaturen an den einzelnen Zellen eines Batteriesystems ab. Diese Erkenntnisse werden bei der Entwicklung neuer Lade- und Entladealgorithmen für Batteriemanagementsysteme (BMS) genutzt, um eine bessere Nutzung der in einer Batterie gespeicherten Energie und eine längere Lebensdauer, abgestimmt auf unterschiedliche Batteriecharakteristiken, zu erreichen.

Für eine  Entwurfsumgebung werden Modelle, Modellierungsmethoden und schnelle Algo­rith­men entwickelt, die umfangreiche Variantenuntersuchungen und Analysen in Folge fehlerhaften Verhaltens von Komponenten ermöglichen. Ziel ist es auch, mit der Entwurfsumgebung die Entwicklung von  Batteriemanagementsystemen sowohl im Hoch- als auch im Niedervolt­bereich zu unterstützen, um damit in Zukunft die Vielfalt vom E-Fahrrad bis zum E-Bus abdecken zu können.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Das Karlsruher Institut für Technologie führt Untersuchungen zur genaueren Charakterisierung und Modellierung von Lithium-Ionen-Zellen durch. Die Atmel Automotive GmbH untersucht Konzepte für robuste hochintegrierte Microchips mit geringer Verlustleistung zur präziseren Strom-, Spannungs- und Temperaturmessung an Lithium-Ionen-Zellen. Die Hella KGaA Hueck & Co. erarbeitet Lösun­gen für die Elektronik des Batteriemanagementsystems und erforscht Lade- und Entladealgorithmen, die eine effektivere Nutzung der Batteriekapazität und längere Lebensdauer der Batterie ermöglichen. Die beteiligten Institute der Fraunhofer-Gesellschaft entwickeln, untersuchen und erproben Modellierungsmethoden und Algorithmen für die Entwurfsumgebung und in Zusammenhang mit der Stressanalyse an Halbleiterschaltungen eines Batteriemanagementsystems.

Indem der Zustand von Batteriezellen durch die Software von Batteriemanagementsystemen genauer erfasst und berücksichtigt wird, können Batterien für die Elektromobilität effektiver genutzt werden, ihre Lebensdauer erhöht sich und sie funktionieren sicherer. In Verbindung mit innovativen Lösungen für die Mikrochips eines Batteriemanagementsystems wird die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems erhöht. Das konzipierte Entwurfssystem gewährleistet bessere Entscheidungen zur Architektur von Batteriemanagementsystemen, Auswahl und Wiederverwendung von Komponenten und deren festgelegten Parametern sowie zur eingesetzten Batteriemanagementsoftware.


Galerie

IKEBA_Projektuebersicht_170216

Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Ionen-Batterien

Anwendungsfelder

mobil

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung, Industrie

schwarze Schlagworte: charakterisieren das Teilprojekt
graue und schwarze Schlagworte: charakterisieren das komplette Verbundprojekt


Schlagworte zum Teilprojekt

Energiespeichertyp

Metall-Ionen-Batterien Lithium-Ionen-Batterien

Forschungsgegenstand

Batteriepack/Batterie BMS

Zelle

Anwendungsfelder

mobil

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung außeruniversitäre Einrichtung

Teilprojektleiter

Herr Prof. Dr. Hans Jürgen Seifert
Karlsruher Institut für Technologie - Institut für Angewandte Materialien - Angewandte Werkstoffphysik
Hermann-von-Helmholtz-Platz  1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen

Telefon: +49 721 608-23 896
E-Mail: hans.seifert@kit.edu


Verbundprojektleiter

Herr Werner Brugger
Atmel Automotive GmbH
Lise-Meitner-Str. 15
89081 Ulm
Telefon: +49 731 5094-248


Pressekontakt für Teilprojekt

Herr Prof. Dr. Hans Jürgen Seifert
Telefon: +49 721 608-23 896
E-Mail: hans.seifert@kit.edu


Pressekontakt für Verbundprojekt

Herr Werner Brugger
Lise-Meitner-Str. 15
89081 Ulm
Telefon: +49 731 5094-248
E-Mail: werner.brugger@atmel.com

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