Lithium-Booster

Herausforderungen an die Elektromobilität

© Foto Fraunhofer ISIT

Zellfertigung am ISIT

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Elektrodenfertigung am ISIT

Straßenfahrzeuge werden während der überwiegenden Zeit ihrer Betriebsdauer im Teillastbereich betrieben. Für kurzzeitige „leistungshungrige“ Aktivitäten wie etwa Überholen oder Einfädeln in die Autobahn müssen erhebliche zusätzliche Leistungsreserven bereitgestellt werden. Daraus ergibt sich für reine Verbrennungs-fahrzeuge ein Zielkonflikt zwischen Leistung und Reichweite, welcher zu deutlichen Effizienzeinbußen führt. Für rein batterieelektrisch betriebene Fahrzeuge ist ein weiterer Zielkonflikt zwischen Belastung und Lebensdauer noch ungelöst. Dieser führt bei starker Leistungsbeanspruchung zu einer beschleunigten Alterung der Batterie.

Beide Zielkonflikte sollen im Rahmen von FSEM II durch den Einsatz einer Hochleistungsbatterie („Li-Booster“) aufgelöst werden. Diese kommt immer dann zum Einsatz, wenn kurzeitige Leistungsspitzen (< 1min) auftreten und ist darüber hinaus aufgrund ihrer speziellen Charakteristik besonders effektiv bei der Rückspeisung von Bremsenergie (Rekuperation) in das Antriebssystem.

Anforderungen an Hochleistungsbatterien

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Elektrodenfertigung am ISIT

 

Um die gestellten Projektziele erreichen zu können, ist der Einsatz von Lithiumakkumulatoren mit besonders hoher Leistungsdichte notwendig.

Gleichzeitig soll jedoch eine hohe Eigensicherheit, Zykelstabilität und geringe Alterung sichergestellt werden. Für Anwendungen in Fahrzeugen ist darüber hinaus eine Funktionsfähigkeit in einem weiten Temperaturbereich zu gewährleisten.  

Die besondere Herausforderung für die Batterieelektronik liegt in der Schnellladefähigkeit des Systems. Zum einen wird eine wesentlich höhere Reaktions- und damit Messgeschwindigkeit gefordert, zum anderen ist die umgesetzte Leistung mit Spitzenwerten von über 10 Kilowatt bei Strömen von bis zu 100A eine große Herausforderung, da klassische Verfahren zum Cell-Balancing nicht mehr angewendet werden können.

Forschungsschwerpunkte

Die Forschungsarbeiten für die Entwicklung des Boosters werden sich im Wesentlichen auf zwei Schwerpunkte konzentrieren. Der erste ist die Entwicklung und die Assemblierung hochleistungsfähiger Akkumulator-Zellen. Die Leistungseigenschaften von Lithiumakkumulatoren werden dabei durch verschiedene Material- und Prozessparameter beeinflusst. Basierend auf vorhandenem Know-how konnte bereits eine Vorauswahl an Materialien getroffen werden, die sich durch eine besonders hohe Lebensdauer und Sicherheit auszeichnen und gleichzeitig das Potential für eine sehr gute Belastbarkeit bieten. Im laufenden Projekt sollen die Materialien und Verarbeitungsprozesse sowie das Zelldesign auf eine optimale Kombination dieser Eigenschaften unter Maximierung der Leistungsdichte hin entwickelt werden.

Der zweite Schwerpunkt betrifft die Batterieelektronik. Für diese soll ein spezielles Konzept entwickelt werden, dass eine Angleichung der Ladezustände in der Ruhephase mit der kompletten Abschaltung gealterter leistungsschwacher Zellen kombiniert.

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