ultraBatt – Intelligente Auslegungs- und Betriebsstrategien für ultraschnellladefähige Batteriesysteme von Elektrofahrzeugen

Motivation:

Neben der Umstellung der individuellen Mobilität auf emissionsarme batterieelektrische Antriebe ist auch ein Wandel im Nutzfahrzeug- und Transportfahrzeugsektor hin zur Elektromobilität notwendig, um die Treibhausgasemissionen signifikant senken zu können. Hohe Anforderungen an Nutzlasten und die hochfrequentierte Nutzung, die für einen wirtschaftlichen Betrieb der Fahrzeuge gefordert sind, stellen besondere Herausforderungen an den Energiespeicher dar. Neben der Verwendung von großen Energiespeichern, um hohe Reichweiten zu ermöglichen, kann ein schnellerer Ladevorgang dazu beitragen, die Akzeptanz für elektrifizierte Nutzfahrzeuge zu erhöhen. Da ein großer Energiespeicher, mit der aktuell verwendeten Batteriezelltechnologie, mit einer hohen Masse und großem Ressourcenverbrauch einhergeht, gelten die schnellladbaren Batterien als vielversprechender Lösungsweg.
Das Laden mit hohen Stromstärken führt sowohl auf Batteriezell- als auch auf Batteriemodulebene zu verschiedenen Problemen, die zu einer ungleichmäßigen Alterung der Batteriezellen im Modul und damit zu einem Kapazitätsverlust führen. Aus diesem Grund werden die Batteriezellen einerseits elektrochemisch, durch das Nutzen neuartiger Aktivmaterialien, oder durch die gezielte Optimierung der Elektroden optimiert. Andererseits werden Verbesserungspotentiale auch auf Modulebene erforscht.

Zielsetzung und Vorgehen:

Im Rahmen des Forschungsprojektes soll die Ladezeit eines Batteriemoduls auf unter 15 Minuten gesenkt werden und gleichzeitig die Lebensdauer gegenüber eines Referenzmoduls gesteigert werden. Mit Hilfe verschiedener Strategien soll das Ziel erreicht werden. Einerseits werden neuartige Ladestrategien entwickelt, da die aktuell verwendete Ladestrategien weder besonders schnell noch sonderlich schonend für den Batteriespeicher sind. Außerdem sollen zellindividuelle Daten (z.B. die Zellkapazität oder die Impedanz) genutzt werden und durch eine gezielte Anordnung der Batteriezellen im Modul die negativen Auswirkungen hoher Ladeströme reduziert werden. Darüber hinaus kann der Stromfluss im Modul durch die Zellkontaktierung beeinflusst werden und damit der Ladestrom einzelner Zellen sowie die damit entstehende Wärmeentwicklung gezielt gesteuert werden. Durch die hohe Flexibilität des Laserstrahlschweißens gegenüber anderen Fügeverfahren, kann die Schweißverbindung für jede Batteriezelle im Modul individuell gestaltet werden und damit zellindividuelle Streuungen kompensiert werden. Zur Bestimmung einer gut geeigneten Schweißnahtlänge und Form sollen Methoden der künstlichen Intelligenz genutzt werden, um die Zelldaten und Moduldaten zu verarbeiten und daraus die Schweißnahtgeometrie ableiten zu können.

Danksagung:

Der Dank des iwb gilt dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) für die Förderung dieses Projekts unter dem Förderkennzeichen 01MV21015D sowie allen beteiligten Projektpartnern.