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Forschungsprojekt BaSyMo: Batteriesystem für Modularität

Forschungsprojekt BaSyMo: Batteriesystem für Modularität
Energieversorgung aus dem Baukasten

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Im Verbundprojekt BaSyMo entwickeln fünf Unternehmen und zwei Institute ein einheitliches Batteriemodul für den mobilen und stationären Einsatz. Ein von Zellchemie unabhängiges Batteriesystem könnte den Aufwand für Logistik, Kosten und Handling vereinfachen.

Nikolaus Fecht
Fachjournalist aus Gelsenkirchen, im Auftrag der Forschungsvereinigung Antriebstechnik GmbH

Das Projekt Batteriesystem für Modularität – kurz: BaSyMo – leitet Heinrich Rot, der beim Automobilzulieferer Elring Klinger Batteriemodule entwickelt. Das Unternehmen beteiligt sich an BaSyMo, weil das Projekt laut Rot „uns bei Weiterentwicklungen etwa beim Aufbau und der Verschaltung von Batteriemodulen im Zusammenspiel mit dem Batteriemanagementsystem unterstützt“. Für ihn als Entwickler ist es eine „Technologieplattform für neue Verspann- und Verschaltungskonzepte unterschiedlicher Zellformate.“

Elring Klinger kümmert sich im Projekt um das Batteriegehäuse und um seinen inneren Aufbau: Im Mittelpunkt steht das Verschalten der einzelnen Zellen zum Zellmodul. „Wir steuern beim Inneren zwei Varianten bei, die auf unsere Anforderungen zugeschnitten sind“, erklärt der technische Projektleiter. „Der innere Aufbau kann später frei gestaltet werden.“ Das geschieht auch im Hinblick auf die Normierungsarbeit in der Deutschen Kommission Elektrotechnik (DKE), die nur eine Festlegung und Standardisierung der äußeren Dimensionen und Schnittstellen vorsieht.

Vorteile: Module eines standardisierten Batteriesystems lassen sich flexibel an Anwendungs-Aforderungen anpassen

Interessant ist BaSyMo für Hersteller, die ihre mobilen und stationären Produkte elektrifizieren oder auf neuartige Speichertechnologie umrüsten wollen. Für das Konzept spricht, dass sich Module eines standardisierten Batteriesystems flexibel an die Anforderungen von Anwendungen anpassen lassen, etwa wenn in kritischer Umgebung der Einsatz von Schutzspannung unter 60 V gefordert wird: Hier lassen sich die Batteriesystemmodule problemlos auf eine beliebige Spannung einstellen.

Geplant sind für typische Leistungsanforderungen zwei Gehäusevarianten: Maximal rund 10 kg wird die kleinere Variante von der Größe einer Pkw-Starterbatterie mit circa 1,1 kWh wiegen und bis zu 18 kg bringt die größere Ausführung mit etwa 2,3 kWh in der Dimension einer Lkw-Starterbatterie auf die Waage.

Eine Hauptrolle für die Flexibilität bei BaSyMo spielt die Steuerungstechnik: Sie stammt von der Firma Sensor-Technik Wiedemann aus Kaufbeuren. Die Herausforderungen waren beachtlich: Der DC-/DC-Wandler sollte im Gleichspannungsbereich von 24 bis 60 V arbeiten – bis zu einem maximalen Gleichstrom von 80 A. Gleichzeitig sollte das System je nach Einbausituation auch verhindern, dass die Zellen im Stack in Überkopflage betrieben werden. Zudem sollte die Lösung bezahlbar sein und daher nur preiswerte, bewährte Leistungselektronik aus dem Katalog zum Einsatz kommen.

Anwender haben hohe Erwartungen an das Forschungsprojekt BaSyMo

So entstand im Allgäu auf einer Platine ein dynamisch geregelter DC/DC-Wandler mit integriertem 3D-G-Sensor gegen den Überkopf-Einsatz, der wegen der hohen Dauerlast mit zwei oder vier Kanälen arbeitet, jeder mit 20 A in beide Richtungen. „Die Kanäle müssen aber nicht zwangsläufig parallel arbeiten, sondern sie lassen sich auch einzeln ansteuern“, erläutert Chief Technology Officer (CTO) Hans-Georg Hornung. Das System arbeitet nach der Einstellung des Gegensteckers per Smartphone-App automatisch. Viele weitere Funktionen, wie Diagnose, kann der Anwender dank integrierter CAN-Bus-Schnittstelle nutzen.

Und die Anwender wie etwa Alfred Kärcher, haben hohe Erwartungen. Dank des neuen DC/DC-Wandlers und der integrierten Leistungselektronik lassen sich Batteriemodule leichter kaskadieren, denn es entfällt die sonst übliche, elektronisch aufwendige Überwachung bei einer Parallelschaltung von einzelnen Speicherelementen.

„Es ließe sich jedes einzelne Batteriesystemmodul – unabhängig von seinem Ladezustand – in den Speicherverbund hineinbringen oder auch wieder herausholen“, erklärt Michael Schütz, Entwicklungsingenieur Energiespeichersystem bei Kärcher. Hinzu kommt die einfache Einstellung auf die drei bei Kärcher gängigen Gleichspannungen 24, 36 und 48 V. So lasse sich zum Beispiel ein Modul aus einer 24-Volt-Maschine nehmen, um es in ein 36-Volt-Produkt einzusetzen. Außerdem könne sich der Endanwender mithilfe eines BaSyMo-Batteriepools seine Energieversorgung flexibel aus dem Baukasten zusammenstellen. Erleichtert wird diese Flexibilität auch durch das von Phoenix Contact entwickelte, standardisierte Steckersystem.

Ergonomisches Modul im Batteriesystem erleichtert Arbeit für Mitarbeitende

Im Normalfall müssen Batteriehersteller von Lithium-Ionen-Batterien relativ oft auf abgekündigte oder geänderte Zellen für Lithium-Ionen-Batterien reagieren – mit aufwendigen neuen Tests, Zertifizierungen und konstruktiven Änderungen. „Wir hoffen auf die Standardisierung durch BaSyMo, die uns den Einsatz einer gleichbleibenden Modultechnik ermöglicht, die keine Anpassungen benötigt“, sagt Schütz. Ebenfalls interessant empfindet er die Projektbeiträge des Instituts für Konstruktionstechnik und Technisches Design (IKTD) der Universität Stuttgart, die ein ergonomisches Modul ermöglichen, das auch weniger kräftige Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter handhaben können.

Das Unternehmen HIT Hafen- und Industrietechnik testet das modulare Batteriesystem innerhalb seiner Produktsparte move-e-star-Flurförderzeuge. Die Norddeutschen erstellten eigens für die BaSyMo-Tests einen zusätzlichen move-e-star, der Lasten von zwei bis 120 t heben kann. Neben dem Handbetrieb mit einer Funkfernbedienung ist der move-e-star auch in automatisierten Produktionsprozessen im Einsatz. „Bei den BaSyMo-Tests nehmen wir die Modularität und dabei vor allem die einfache steckbare Erweiterbarkeit der benötigten Kapazität unter die Lupe“, sagt Michael Mauritz, Leitung Technik. „Besonders interessieren uns die spannungsvariabel einstellbaren Ausgangskanäle, weil im move-e-star mehrere Spannungsebenen vorhanden sind und wir so zusätzliche Netzwandler zum Beispiel von 48 auf 24 V einsparen können.“ Es stehen außerdem Handling- und Zyklustests an, bei denen HIT produktionsähnliche Fahrten simuliert.

Mehrere Kanäle des Batteriesystems ermöglichen paralleles Laden und Entladen

Das modulare Konzept in einer Anwendung als stationäre Heimspeicherlösung untersucht das DLR-Institut für Vernetzte Energiesysteme aus Oldenburg. Dabei werden leistungselektronische Sicherheitsprüfungen im funktionalen Proof of Concept mit mehreren parallel verschalteten BaSyMo Systemmodulen durchgeführt. „Im Rahmen meiner Doktorarbeit wurde dazu eine thermische Simulation eines Lithium-Ionen Batteriepacks validiert und es wird ein Kühlkonzept für das Batteriemodul entwickelt, dessen Wirksamkeit auch in Worst-Case Szenarien bewährt ist“, erklärt Doktorand Gerd Liebig. „Zum Einsatz kommen im kleineren Modul runde Batteriezellen und im großen Modul prismatische Zellen.“

Ein herausragendes Merkmal ist die Mehrkanaligkeit des Batteriemoduls, weil diese Funktionalität unter anderem gleichzeitiges Laden und Entladen ermöglicht. „Das erhöht die Flexibilität der Batterie in sich aktuell erweiternden Anwendungsbereichen von Batterien mit hoher Leistung erheblich“, ergänzt der wissenschaftliche Mitarbeiter Thomas Poppinga.

Als zentrale Eigenschaft für die Flexibilität des Batteriesystems bezeichnet er, dass eine Anwendung eine Spannung vorgeben kann und das Batteriesystemmodul diese automatisch einstellt: „Eine Anpassung ist nicht mehr notwendig. Ein Anwender muss keine Parametrierungen am Modul vornehmen.“


Die BaSyMo-Projektpartner

An dem Verbundprojekt des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie beteiligen sich als Entwickler: ElringKlinger AG, Sensor-Technik Wiedemann GmbH, Phoenix Contact GmbH & Co. KG und das Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design (IKTD, Universität Stuttgart).

Die Anwendungsseite vertreten: Alfred Kärcher SE & Co. KG, HIT Hafen- und Industrietechnik GmbH (HIT) und das Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) – Institut für Vernetzte Energiesysteme.

Unterstützt werden sie von den beiden assoziierten Partnern Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. und Deutsche Kommission für Elektrotechnik DKE.

Mehr Infos unter: www.basymo.de

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