Hybride Energiespeicher für mehr Leistung und Reichweite

Die Elektrifizierung von Fahrzeugantrieben und Drohnen macht gleichermaßen hochleistungsfähige wie ausdauernde Energiespeicher notwendig – und ähnlich wie bei den Muskelfasern des menschlichen Körpers gibt es auch bei den Lithium-Ionen Zellen nur das eine oder das andere. Was ist also naheliegender als hochstromfähige Zellen und solche mit besonders guter Energiedichte in einem hybriden Batteriesystem zu kombinieren, um allen Anforderungen hinsichtlich Leistung und Reichweite gerecht zu werden? In einem vom BMWi geförderten Verbundforschungsprojekt arbeiteten die Forscher*innen des LBF gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft an einem direktgekoppelten Hybridspeicher, dessen Wirkprinzip auch einmal für das elektrische Fliegen interessant werden könnte.  

Akzeptanz und Marktdurchdringung von Elektrostraßenfahrzeugen sind stark von Kosten und Leistungsfähigkeit der Energiespeicher abhängig. Die heute genutzten Sekundärzellen mit Kathoden aus Lithium-Metalloxiden besitzen eine vergleichsweise hohe Energiedichte und erlauben annehmbare Reichweiten bei geringen bis mittleren Leistungsanforderungen. Bei länger andauernden Betriebsphasen mit hohen Lastströmen wie sie bei Steigungs- und Autobahnfahrten, aber auch an Schnellladesäulen auftreten, kommt diese Elektrochemie schnell an ihre Grenzen. Hierfür besser geeignete Hochleistungszellen – oftmals solche mit Kathoden aus Lithium-Eisenphosphat oder Lithium-Titanoxid – sind aber deutlich schwerer.

Hybride Energiespeichersysteme können einen Ausweg aus den oftmals sehr gegensätzlichen Verhältnissen hinsichtlich Leistungs- und Energiedichte unterschiedlicher Zellen aufzeigen und damit den Anforderungen von Elektrofahrzeugen perfekt entsprechen.

In dem vom BMWi geförderten Projekt »HyPowerRange« wurde das Ziel verfolgt, Leistung, Kapazität, Kühlleistungsbedarf und Kosten von Energiespeichern zu optimieren und dafür ein direktgekoppeltes, d.h. auf der Gleichstromseite verschaltetes Hybridspeichersystem zu entwickeln. Hier belegen die hohen Stromlasten vorrangig die durch einen besonders geringen Innenwiderstand charakterisierten Hochleistungszellen, wodurch die Stromwärmeverluste des gesamten Systems und damit der Kühlleistungsbedarf verringert werden.

Betriebsnahe Entwicklungs- und Erprobungsumgebung

Ein in dieser Art optimiertes Energiespeichersystem macht die genaue Kenntnis der im Fahrbetrieb auftretenden Leistungs- und Lastdaten sowie eine sehr betriebsnahe Entwicklungs- und Erprobungsumgebung notwendig. Speziell vor dem Hintergrund der heute nicht vollständig möglichen rechnergestützten Simulation elektrochemischer Vorgänge in direktgekoppelten Energiespeichern wurde die am LBF verfügbare, multiphysikalische Systemerprobung zu einem maßgeblichen Erfolgsfaktor für das gesamte Projekt. Der Energiespeicher wurde im Hinblick auf die Einbausituation im späteren Fahrzeug-Versuchsträger genau untersucht und mittels angepasster Anbindungssteifigkeiten für die Integration in die Laborerprobungsumgebung vorbereitet. Dabei wurden auch die Eigenschaften der karosserieseitigen, durch den Projektpartner Abt E-line entwickelten Längsrahmenstütze berücksichtigt, was ein deutlich erweitertes Sensorik-Konzept für die hochgenaue Übertragung der relevanten Bewegungsgrößen im Versuch notwendig machte. Neben der Schwingungsanregung aus dem Fahrbetrieb sowie Außentemperaturen bis +35°C wurde das Energiespeichersystem mit einem transienten Stromprofil sehr betriebsnah erprobt und konnte hinsichtlich seines Leistungs- und Temperaturverhaltens detailliert untersucht werden.

Analyse der Anforderungen, konzeptionelle Entwicklung innovativer Lösungen, wirklichkeitsgerechte Erprobung und Optimierung

Ein System ist sehr viel mehr als die Summe seiner einzelnen Komponenten – das gilt gerade für moderne Energiespeichersysteme in der Elektromobilität, die sehr unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich Leistung, Gewicht und Kapazität gerecht werden müssen. Experten und Expertise der LBF-Fachgruppe „Future Mobility“ stehen für die genaue Analyse der Fahrzeuganforderungen, für die konzeptionelle Entwicklung innovativer Produktlösungen sowie für die wirklichkeitsgerechte Erprobung und Optimierung zur Verfügung.

Förderung und Partner

BMWi, Förderkennzeichen 03ET6114F

Verbundpartner: Fraunhofer Institut IEE, ABT Sportsline GmbH, Bertrandt Ingenieurbüro GmbH, BMZ Germany GmbH, Fraunhofer Institut LBF, Hochschule für angewandte Wissenschaften Kempten und Konvekta AG