Fraunhofer optimiert Batterielebensdauer in Hybridsystemen

Für Hybridsysteme aus Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren hat das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) ein System entwickelt, das verlässliche Prognosen zur Batteriealterung liefert.

Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren ergänzen sich für ein Stromspeichersystem ganz gut. In solch einem hybriden System kombiniert, versprechen sie eine verlängerte Lebensdauer und reduzierte Gesamtkosten. Das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) hat gemeinsam mit Skeleton Technologies, einem Hersteller von Superkondensatoren, und dem Fahrzeugbauer AVL im Rahmen des Forschungsprojekt „SukoBa“ neue Simulationswerkzeuge entwickelt, um derartige Hybridsysteme optimal auszulegen.

Im Kern des Projekts steht ein Degradationsmodell, das die Alterung der Batterien präzise vorhersagt. Dieses Modell basiert auf der vom Fraunhofer IEE entwickelten Simulationsumgebung Basis (Battery Simulation Studio). Erste Ergebnisse des Projekts zeigen, dass sich in hybriden Speichersystemen die Lebensdauer der Batterien um bis zu 20 % steigern lässt.

Superkondensatoren tragen im hybriden Speichersystem die Spitzenlasten

Superkondensatoren, kurz Supercaps genannt, können große Mengen Energie in vergleichsweise kurzer Zeit aufnehmen und abgeben, ohne dabei an Lebensdauer einzubüßen. Ihre Kapazität ist jedoch begrenzt. Lithium-Ionen-Batterien hingegen haben eine hohe Energiedichte, leiden jedoch unter kurzzeitigen Lastspitzen, die ihre Lebensdauer verkürzen. Die Kombination beider Technologien bietet in Anwendungen wie elektrischen Fahrzeugen oder Baumaschinen großes Potenzial: Batterien für den Dauerbetrieb, Supercaps für kurzfristige Spitzenlasten, zum Beispiel für die Rückgewinnung von Bremsenergie (Rekuperation).

Bisher, so das IEE in einer Mitteilung, fehlte es aber an zuverlässigen Prognosen, wie sich diese Kombination auf die Lebensdauer der Batterie auswirkt. Das erschwerte in der Praxis die Entscheidung für hybride Systeme im Vergleich zu reinen Batteriesystemen, für die derartige Prognosen schon gut möglich sind. Ein Beispiel dafür ist das Basis-Modell des IEE. Die Lücke bei hybriden Systemen schließt jetzt das neue Werkzeug von IEE und seinen Partnern.

Flexibles Werkzeug für hybride Systeme

Das im Projekt unter Leitung von Skeleton Technologies entwickelte Degradationsmodell ermöglicht es, verschiedene Konfigurationen und Regelungsalgorithmen zu simulieren. So lässt sich die optimale Kombination aus Batterie und Superkondensator für unterschiedliche Anwendungen und Betriebsszenarien bestimmen. Die Software analysiert das Verhalten der Batterie unter realistischen Bedingungen und prognostiziert präzise deren Alterung. Diese Informationen sind entscheidend, um die Lebensdauer des Systems zu verlängern und die Kosten durch eine passgenaue Auslegung zu senken.

Darüber hinaus hilft das Tool, die Größe der Batterie zu optimieren, um Materialkosten zu reduzieren, ohne die Systemleistung zu beeinträchtigen. Die Toolbox ist zudem flexibel: Zukünftige Entwicklungen in der Batterietechnologie, bei Superkondensatoren und in der Leistungselektronik lassen sich jederzeit integrieren. Mit der Simulationsumgebung Basis, die im SukoBa-Projekt weiterentwickelt wurde, können laut IEE-Meldung künftig noch präzisere Vorhersagen zur Batteriealterung getroffen werden als bisher. Dies ermögliche es, hybride Speichersysteme noch effizienter und kostengünstiger zu gestalten.