Elektrische Speicher

Entwicklung von neuartigen Lithium-Ionen- Batterien

Das Ziel der Zellentwicklung am Fraunhofer ISC ist es, eine elektrochemische Zelle mit einer Kombination aus Lithium-Ionen-Batterie und Doppelschichtkondensator (EDLC) zu entwickeln. Der hybride Ansatz ermöglicht die Herstellung von Elektroden, die über das gesamte Leistungsspektrum der Zelle ideal aufeinander angepasst sind. Dieses Konzept wird umgesetzt durch die Entwicklung maßgeschneiderter Li4Ti5O12- (LTO) und LiFePO4/C (LFP/EDLC) Kompositelektroden. Der Funktionsnachweis erfolgt zunächst in Labor-Halbzellen und später großformatigen Folienzellen. Für die Evaluierung der Zellen werden galvanostatische Untersuchungen bei Raumtemperatur durchgeführt und die Zellspannung, die Ladung (Kapazität), die Ladeeffizienz und die Lebensdauer ermittelt. Anhand weiterer Parameter wie dem Gewicht und der Größe wird ein Datenblatt mit den wesentlichen Eigenschaften einer jeden Zelle erstellt.

Nach diesen Vorarbeiten wird die Zellfertigung vom Fraunhofer ISC im Weiteren soweit automatisiert, dass eine große Anzahl Elektroden und Zellen für die Laboruntersuchung und die Demonstratoren gefertigt werden können. Aus den Zellen wird ein Demonstratormodul am Fraunhofer IISB aufgebaut und dieses unter realen Bedingungen getestet.

Ansprechpartner Lithium-Ionen-Batterien

Contact Press / Media

Dr. Henning Lorrmann

Leiter Zentrum für Angewandte Elektrochemie ZfAE

Fraunhofer-Institut für Silicatforschung
Neunerplatz 2
97082 Würzburg 

Telefon +49 931 4100-519

Spezifikation, Entwicklung und Inbetriebnahme eines großen und leistungsfähigen stationären Batteriesystems

60kWh elektrischer Energiespeicher für den stationären, industriellen Einsatz.

Durch den Einsatz von geeigneter Batteriezelltechnologie welche speziell für diesen Anwendungsbereich ausgewählt wurde erreicht das Batteriesystem  eine sehr hohe Lebensdauer von über 15.000 Vollzyklen (bis nur noch 80% der ursprünglichen Kapazität zur Verfügung stehen). Dieser Aspekt ist sehr eng mit ökonomischen und ökologischen Vorteilen verbunden.

Der gesamte elektrische Energiespeicher besteht aus 3 identisch aufgebauten Batterieschränken welche zusammen in das DC-Netz aus TF1 integriert sind. Ein Batterieschrank besteht aus 14 Einzelmodulen und einem zusätzlichen Modul für das Batteriemanagement, der „Battery Junction Box“ (BJB). Diese BJB beinhaltet das zentrale Batteriemanagement (BMS), Sicherheitskomponenten (Hauptsicherung, Isolationsüberwachung sowie Haupt- und Vorladeschutz), Netzteile für die Spannungsversorgung (BMS, Isolationsüberwachung und Schutzeinrichtungen) und ein „Manual Service Disconnect“ (MSD). Das MSD ist eine mechanische Einheit zum Auftrennen des Laststromkreises bei Wartung oder Umbau des Batterieschranks. Die Isolationsüberwachung ist eine weitere Sicherheitseinrichtung zum Schutz von Mensch und Batteriesystem. Damit wird der Isolationswiderstand der Batterieleitungen (positiv und negativ) gegen das Batteriegehäuse überwacht um einen Fehler in der Leitungsisolation zu erkennen.

Die aktive Luftkühlung der einzelnen Batteriemodule sorgt in Kombination mit einer niedrigen Modulspannung von < 60 V zu einer Erhöhten Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit des Energiespeicher. Eine eigens entwickelte Überwachungselektronik misst permanent Einzelzellspannung und Temperatur für jedes Modul. Durch eine redundante Auslegung dieser Elektronik wird der 24/7 Betrieb gewährleistet was zu einer deutlich erhöhten Robustheit und Fehlertoleranz gegenüber herkömmlichen Systemen führt.

Durch eine Serienschaltung von bis zu 14 Einzelmodulen (15s2p Konfiguration) kommt der Batterieschrank auf folgende Eckdaten:

  • Energieinhalt:                                20 kWh
  • maximale dauerhafte Leistung:    100 kW
  • Nennspannung:                           483 V

Ansprechpartner stationäres Batteriesystem

Vincent Lorentz

Contact Press / Media

Dr.-Ing. Vincent Lorentz

Abteilungsleiter

Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB
Schottkystraße 10
91058 Erlangen, Deutschland

Telefon +49 9131 761 - 346

Fax +49 9131 761 - 360

Neuartiger DC/DC Wandler für die Anbindung des Energiespeichers an das DC-Netz

Hocheffizienter, bidirektionaler SiC DC/DC Wandler für den Energietransfer des Energiespeichers.

Innenansicht des SiC DC/DC-Wandlers.

Für die Anbindung der Batterieschränke mit dem DC-Netz wird eine spezielle bidirektionaler Buck-Boost-Wandler Topologie entwickelt. Diese DC/DC-Wandler ermöglichen es, Energie vom DC-Netz in die Batterien zu speisen und umgekehrt. Der Fokus bei der Spezifizierung der Wandler liegt auf einem hohen Wirkungsgrad, sowie einer hohen Zuverlässigkeit.

Um die Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer zu gewährleisten, werden die Komponenten daraufhin dimensioniert und ausgewählt. So kommen beispielsweise statt Elektrolytkondensatoren langlebige Folienkondensatoren, sowie sogenannte Megacap-Keramikkondensatoren zum Einsatz, die durch ihren Aufbau besonders widerstandsfähig gegenüber Brüchen sind. Durch einen Wirkungsgrad von 99 % in weiten Teilen des Betriebsbereichs wird das Ziel der hohen Effizienz bestätigt.

Der Wandler ist mit einer Vielzahl von Sicherheitsfunktionen ausgestattet um im Fehlerfall schnell und sicher abzuschalten. Dazu gehören Über- und Unterspannungsabschaltung, Überstromabschaltung, Übertemperaturabschaltung, ein temperaturgeregeltes Deratingverhalten, eine Schmelzsicherung sowie ein mechanisches Schütz.

Ansprechpartner DC/DC-Wandler

Contact Press / Media

Dr.-Ing. Stefan Zeltner

Gruppenleiter

Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB
Schottkystraße 10
91058 Erlangen, Deutschland

Telefon +49 9131 761-140

In Kooperation mit: