Lithium-Ionen-Akkus – Second-Life-Nutzung dank innovativem Prüfverfahren
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FERCHAU Automotive treibt die E-Mobilität mit effizienten Lösungen voran. Dabei hat das Unternehmen unter anderem die Batterieentwicklung im Fokus.
Symbolbild. Hier sind die einzelnen Lithium-Ionen Akkuzellen der Batterieeinheit im Elektroauto Nissan e-NV200 zu sehen.
Mehr als 2.400 Mobilitätsspezialisten treiben mit maßgeschneiderten Lösungen Innovationen in den Bereichen E-Mobilität, autonomes Fahren, Connectivity, Security und Komfort voran und gestalten so die Mobilität der Zukunft. Dabei richtet sich das Unternehmen ganz nach den Anforderungen der Kunden, um die Konzepte für jeden Fahrzeugtyp zielsicher auf die Straße zu bringen. FERCHAU Automotive ist deutschlandweit mit Niederlassungen an allen Standorten der Automobilhersteller und Zulieferer vertreten. Die Kompetenzcenter umfassen eigene Projektflächen sowie Werkstatt- und Versuchseinrichtungen, in denen komplexe Entwicklungs- und Absicherungsumfänge auf Basis von Werk- und Dienstverträgen umgesetzt werden.
Boomende Elektromobilität
gelten als die große Hoffnung für eine saubere Fortbewegung. Mit steigender Nachfrage nach ebendiesen Elektrofahrzeugen steigt auch der Bedarf an den dafür notwendigen Traktionsbatterien. Aktuell bewegen sich rund 83.000 E-Autos in Deutschland. (Kraftfahrt-Bundesamt: Jahresbilanz des Fahrzeugbestandes am 1. Januar 2019, online: https://www.kba.de/DE/Statistik/Fahrzeuge/Bestand/b_jahresbilanz.html?nn=644526)
Da ist es nur sinnvoll, die Lebenszyklen der Akkus auszureizen. Bislang ist das Recycling ein Kreislauf mit vielen Bruchstellen. Recycling im herkömmlichen Sinne ist aufwendig und bereits jetzt wirtschaftlich ineffizient – die Rohstoffe in den Batterieneinheiten, etwa Lithium, Nickel und Kobalt, sind nur in geringen Mengen enthalten. Zudem spricht gegen die weitere Verwendung von Akkus, dass sich die verbliebene Kapazität der Batterien schwer bestimmen lässt.
Ziel: Second Life
Aufgrund dieser ökologischen und ökonomischen Faktoren suchen Fahrzeughersteller nach einer Möglichkeit der Zweitverwertung. Im sogenannten „Second Life“ der Lithium-Ionen-Batterie kann diese mit der ihr verbliebenen Restladekapazität beispielsweise als Pufferspeicher für regenerative Energien eingesetzt werden. Die dabei benötigte Leistungskapazität ist nicht zu unterschätzen. Beim Einsatz als stationärem Energiespeicher müssen die Akkus mindestens 7.000 Ladezyklen überstehen können, ohne einen merklichen Kapazitätsverlust zu erleiden.
Die Herausforderung ist es, schnell und wirtschaftlich effizient auszuweisen, wie viel Ladekapazität noch in gebrauchten Batterien steckt. Bislang war es nur mittels aufwendiger Tests möglich, Aussagen über die Leistungsfähigkeit zu treffen. Die verbleibende Restnutzungsdauer, das sogenannte „Remaining Useful Life“, ist konventionell mit einem Zeitaufwand von rund zehn Stunden pro Akku zu ermessen und somit für eine massenhafte Überprüfung kaum geeignet.
FERCHAU-Prototyp ist bereits einsatzbereit
Die Experten von FERCHAU Automotive haben ein Verfahren entwickelt, bei dem die Messung der Innenwiderstände der Akkus im Fokus steht. Der Widerstand wird umso größer, je länger die Batteriezellen den chemischen Prozessen der Lade- und Entladevorgänge ausgesetzt sind. Ist der Akku nicht mehr in der Lage, seine Nennkapazität abzugeben, lassen sich gezielt einzelne Module vor dem Second-Life-Zyklus entfernen.
Der FERCHAU-Prüfstand kann diese Messungen, verglichen mit herkömmlichen Methoden, in nur etwa einem Zehntel der Zeit durchführen. Dabei wird der individuelle Ladezustand, der sogenannte State of Charge (SoC), gemessen. Jedes Modul wird unter die Messspitzen gefahren, um den Eingangszustand über die Spannung zu bestimmen. Das daraufhin folgende Balancing, das Aufladen der Zellen auf ein einheitliches Niveau von rund 60 Prozent SoC, erfolgt innerhalb einer Stunde. Eine zweite Messplatte bestimmt den Innenwiderstand nach dem Vierleiter-Messprinzip. Eine Ampel zeigt an, ob die Zelle noch einsatzfähig ist oder nicht.
Die voll automatisierte Kontaktierung der Zellen im Modul sowie die Optimierung der Symmetrierungsdauer waren die größten Herausforderungen für das interdisziplinäre Team. Die Auswahl der geeigneten Messmethoden sowie die Entwicklung der Gesamtautomation waren für die FERCHAU Automotive-Entwickler wichtige Meilensteine. Schließlich konnten sie das Projekt mit einem arbeitsfähigen Prüfstand erfolgreich beenden. Damit sind die Entwickler jetzt in der Lage, ein Modul mit 13 Zellen voll automatisiert zu kontaktieren und Innenwiderstandsmessungen sowie das Balancing durchzuführen. Das System sortiert defekte und zu stark gealterte Module aus und erkennt dabei zuverlässig Tiefenentladungen und Überspannungen.
Auch neue Akkus profitieren
Dieser Prototyp liefert darüber hinaus wichtige Erkenntnisse für die Serienreife. In dem Zusammenhang arbeiten die FERCHAU Automotive-Experten gerade daran, Messadapter zu entwickeln, die eine möglichst große Bandbreite von Modulgrößen abdecken können. Das besondere Potenzial hierbei: Das Verfahren wird sowohl für gebrauchte als auch für neue Batterien wirtschaftlich anwendbar sein. Bei der Lagerung von neuen Akkus entladen sich Zellen, und Spannungen laufen auseinander. Die Symmetrierung kann somit auch im „First Life“ ein Plus an Qualität liefern.
FERCHAU GmbH Automotive
FERCHAU positioniert sich mit dem Bereich Automotive als leistungsstarker und kompetenter Partner der Mobilitätsbranche. Von alternativen Antriebskonzepten über autonomes Fahren bis hin zur Car-IT entwickeln die mehr als 2.400 Mitarbeiter weltweit exzellente Mobilitätslösungen. Der Ausbau von FERCHAU Automotive mit speziellen Kompetenz-Niederlassungen inklusive eigener Werkstatt und Versuchsbereiche in Stuttgart, Weissach, Ingolstadt und München sowie einer erweiterten Projektfläche in Wolfsburg ermöglicht eine stärkere Konzentration auf die Anforderungen von Großkunden aus der Automobilbranche.
Über zwei Millionen Euro wurden dabei allein in die neu aufgebauten Automotive-Standorte investiert. Die Expansion hält weiter an. Mit dem 2019 eröffneten Standort in Köln entsteht ein weiteres Kompetenzzentrum mit Fokus auf die Bereiche Fahrzeug-IT, -Elektrik und -Elektronik. FERCHAU beschäftigt mehr als 8.450 Ingenieure, IT-Consultants, Techniker und Technische Zeichner an über 100 Niederlassungen und Standorten und wurde wiederholt als Top-Arbeitgeber ausgezeichnet.