Battery Next Generation – Simulations- und Validierungsmethoden zur beschleunigten Ermittlung der Performanceparameter von Einzelzellen und Zellverbünden für Batteriesysteme in schweren Nutzfahrzeugen.

Das vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie geförderte Verbundprojekt BNG hat zum Ziel, neue Generationen von Batteriesystemen für batterieelektrische Nutzfahrzeuge mit einem Serienstart nach 2030 zu erforschen und zu entwickeln.

In Deutschland wird bis zu 75% des Straßengüterverkehrs mit Nutzfahrzeugen abgewickelt. Fahrdistanzen von batterieelektrischen Nutzfahrzeugen werden im Bereich von etwa 400 km liegen. Künftig sollen aber Nutzfahrzeuge mit batterieelektrischen Antrieben in Kombination mit Schnellladestationen Tagesstrecken von bis zu 800 km abdecken können. Über die gesamte Lebensdauer eines Nutzfahrzeuges hinweg müssen daher sowohl eine Vielzahl solcher Schnell-Ladevorgänge als auch zahlreiche Teil- und Vollzyklen der Batteriesysteme absolviert werden. Dies bedeutet hohe Anforderungen an die kalendarische und zyklische Lebensdauer für die Batteriesysteme. Gleichzeitig werden an diese Systeme sowohl hohe Anforderungen an die Energie- und Leistungsdichten als auch an die Sicherheit gestellt. Heute können bekannte Batteriesysteme diese Anforderungen nur eingeschränkt erfüllen.

Ziel des BNG-Projektes ist es zellspezifische Testverfahren zu entwickeln, die dazu geeignet sind valide Aussagen über das Alterungsverhalten und die Lebensdauer bei realen Anwendungen zu treffen. Tests mit überhöhten Strömen und Übertemperaturen geben schneller Auskunft über die zu erwartende Lebensdauer von Lithium-Ionen-Zellen in realen Anwendungen. Um die Versuchsdauer zu minimieren, sind starke Raffungseffekte, wie sie bei der kombinatorischen Belastung auftreten, erforderlich.

Als Alterungsmechanismen und Schadensbilder treten innerhalb der Batterie neben der Abscheidung von metallischem Lithium (anodenseitig), einer sogenannten SEI-Schicht (Solid Electrolyte Interphase), auch die Korrosion der Stromabnehmer auf. Die Folge sind reduzierte Ladungskapazitäten und eine erhöhte Impedanz der Batteriezellen. Um diese Merkmale während der Testabläufe in den Einzelzellen detektieren zu können, werden im Versuchsaufbau zerstörungsfreie Kapazitätsmessungen sowie die Elektrochemische Impedanz Spektroskopie eingesetzt.

Das Hauptziel der beschleunigten Alterung von Lithium-Ionen-Zellen im Versuch besteht darin die Alterungseffekte innerhalb einer verkürzten Versuchsdauer zu verstärken. Dieses Ziel soll mittels einer modellbasierten Extrapolation der experimentell ermittelten Alterungsergebnisse innerhalb einer kürzeren Testdauer erreicht werden.

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing Frank Opferkuch

Bearbeitung: Timur Issayenko, M. Sc.

Projektpartner: MAN Truck & Bus SE, E-T-A GmbH

Gefördert durch: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie

Zeitraum: 01.01.2023 bis 31.12.2025

Battery Next Generation (BNG) – Erforschung und Erprobung eines funkbasierten Batterie Management Systems (wireless Battery Management System, kurz wBMS) für Batteriesysteme in schweren Nutzfahrzeugen.

Das vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie geförderte Verbundprojekt BNG hat zum Ziel, neue Generationen von Batteriesystemen für batterieelektrische Nutzfahrzeuge mit einem Serienstart nach 2030 zu erforschen und zu entwickeln.

Neben den notwendigen und bereits stattfindenden Entwicklungs- und Forschungsmaßnahmen bezüglich der eigentlichen Zell- und Batteriestruktur, ist auch die spätere Überwachung und Steuerung der jeweiligen Batterie ein wesentlicher Aspekt für die Weiterentwicklung und Verbesserung der Batteriesysteme. In diesem Zusammenhang konzentriert sich ein Teilbereich des BNG-Projekts auf die Erforschung, Erprobung und Implementierung einer funkbasierten Variante eines Batteriemanagementsystems (wireless Battery Management System, kurz wBMS). Die hierbei stattfindende Funkkommunikation zwischen den Cell Monitoring Controllern (CMC) und dem Battery Management Controller (BMC) stellt speziell im Bereich von schweren Nutzfahrzeugen eine große Herausforderung dar.

Bei Automobilanwendungen besteht der Batterieaufbau aus mehreren auf einer Ebene liegenden Zellmodulen, welche am Chassis des Autos verbaut werden. Im Gegensatz dazu ist der Batterieaufbau im Nutzfahrzeugbereich über mehrere übereinanderliegende Ebenen gestaltet. Hierdurch ergibt sich der sogenannte „Battery-Pack“, welcher die Anzahl der benötigten Zellmodule auf mehrere Ebenen sogenannten „Layern“ verteilt, wobei pro Ebene mehrere Zellmodule verbaut sind. Diese Ebenen sind größtenteils voneinander abgetrennt, wodurch nur schmale Verbindungsstellen für die Funkkommunikation vorhanden sind. Dies führt zu erschwerten Einsatzbedingungen für ein wBMS, welches den hohen und neuen Anforderungen an Daten- und Ausfallsicherheit gerecht werden muss.

Um den potenziellen Einsatz eines wBMS zu überprüfen und um Kennnisse über die Funkwellenausbreitung innerhalb eines „Battery-Packs“ zu erhalten, wird die angestrebte, hochfrequente Funkkommunikation sowohl simulativ als auch messtechnisch am realen System erforscht und erprobt. Die aus diesem Projekt gewonnenen Erkenntnisse werden anschließend in der Konzeptionierung und dem Aufbau des wBMS sowie in der Konstruktion des „Battery-Packs“ berücksichtigt.

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Frank Opferkuch, Prof. Dr.-Ing. Armin Dietz

Bearbeitung: Andre Merx, M.Sc.

Projektpartner: MAN Truck & Bus SE, E-T-A GmbH

Gefördert durch: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie

Zeitraum: 01.07.2023 bis 31.12.2025

Bildungs- und Stabilisierungsmechanismen von Defekten in Kohlenstoff-dotierten und selbstdotierten Titanat-Nanoröhren.

In dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt werden Details zur Defektstruktur von Titanat-Nanoröhren untersucht. Solche Nanoröhren haben Anwendungspotenzial in der Wasserstofftechnologie. Das Material könnte beispielsweise als Katalysatorträger, das heißt als Substrat für die Platinpartikel in PEM-Brennstoffzellen dienen. Dafür sollte es eine hohe spezifische Oberfläche aufweisen und elektronisch leitfähig sein. Bisher wird als Katalysatorträger Ruß eingesetzt, der diese Anforderungen zwar erfüllt, aber auf Dauer unter den elektrochemischen Bedingungen in einer Brennstoffzelle nicht stabil ist. Die Zersetzung des Katalysatorträgers führt zur Agglomeration oder sogar zum Austrag der Platinpartikel, wodurch in der Zelle aktive Oberfläche verloren geht. Die Lösung könnte daher ein Material sein, dass eine ausrechend hohe spezifische Oberfläche bietet, elektronisch leitfähig und zusätzlich stabil gegen Oxidationsprozesse ist. Von einer japanischen Arbeitsgruppe konnte Ende der 90er Jahre gezeigt werden, dass sich aus Titandioxid über einen relativ einfachen Prozess ein röhrenförmiges Nanomaterial, soganannte Titanat-Nanoröhren herstellen lässt, das aufgrund der Form eine hohe spezifische Oberfläche hat. Da das Material bereits in oxidierter Form vorliegt, ist zu erwarten, dass es im Vergleich zum Ruß in der Brennstoffzelle eine verbesserte Stabilität hat. Ohne weitere Modifizierung sind die Titanat-Nanoröhren jedoch nicht ausreichend leitfähig. An der TH Nürnberg wurde daher ein Verfahren entwickelt um in die Struktur Kohlenstoff einzubringen ohne die hohe spezifische Oberfläche zu verlieren. Elektrische Charakterisierungen zeigen, dass die Nanoröhren eine signifikant verbesserte Leitfähigkeit zeigen, die bezogen auf die Größenordnung dem für Brennstoffzellen geforderten Bereich liegt.

Bisher ist jedoch noch nicht im Detail erforscht, worauf diese Leitfähigkeit zurückzuführen ist. Eine Vermutung ist, dass sich während des Herstellungsprozesses Ti⁴⁺ zu Ti³⁺ reduziert wird, das durch Kohlenstoff stabilisiert wird. Im Rahmen des Projekts soll durch gezielte Veränderung des Materials und über den Vergleich zwischen Kohlenstoff-haltigen und reinen, undotierten Titanat-Nanoröhren untersucht werden, ob solche Defektzustände vorliegen und ob diese die elektronische Leitfähigkeit bewirken. Als Untersuchungsmethoden kommen die Röntgenbeugung, Rasterelektronenmikroskopie, Methoden der Thermoanalyse sowie spektroskopische Verfahren zum Einsatz. Die Laufzeit des Projekts beträgt drei Jahre (2021-2024). Die Bearbeitung erfolgt durch einen Doktoranden. Der wissenschaftliche Mitarbeiter wird durch studentische Hilfskräfte unterstützt, die so gleichzeitig die Möglichkeit erhalten bereits in einem frühen Studienabschnitt Einblick in die Forschung und Entwicklung.

Projektleiterin: Prof. Dr. Uta Helbig

Bearbeitung: Dominik Eitel, M. Sc.

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft

Zeitraum: 03/2021 - 03/2024

Mikro- und nanostrukturierte Funktionswerkstoffe

In dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt werden neue Geräte zur erkenntnisorientierten Forschung unterstützt. Mit dieser Großgeräteförderung wird die Beschaffung eines Mehrzweck-Pulverdiffraktometers mit Wechselröhren sowie eines gekoppelten AFM-Ramanmikroskops mit mehreren Anregungswellenlängen und Detektoren gefördert. Die Anlagen sollen beispielsweise für die chemisch-strukturelle Analytik von Nanomaterialien für Brennstoffzellen und Stählen für die Wasserstofftechnologie eingesetzt werden.

Zuvorderst steht dabei die Entwicklung und Untersuchung von alternativen Elektroden- und Katalysatorträgermaterialien für die Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEM-BZ). Neben den Materialien für die PEM soll der Einfluss von Eigenspannungen in Bezug auf die Versprödung von Stählen untersucht werden. Stahl wird bei der Verteilung und Speicherung von Wasserstoff eine wichtige Rolle spielen, z. B. als Behälterwerkstoff. Wasserstoff führt bekanntermaßen zu einer Versprödung des Stahls, so dass anzunehmen ist, dass Eigenspannungen im Stahl einen Einfluss auf die Stabilität des Werkstoffes haben werden.

Neben der Materialentwicklung von Brennstoffzellen bieten die beiden neuen Geräte auch einen Mehrwert in der Medizintechnik, beispielsweise um Spannungen in Implantaten zu analysieren und Fehler im Material zu erkennen. Darüber hinaus wird die Weiterentwicklung von bioaktiven Gläsern oder von recyclingfähigen Siliconen durch beide Anlagen unterstützt.

Die Geräte sollen 2023 beschafft werden und stehen voraussichtlich ab Mitte 2024 zur Verfügung.

Projektleiterin: Prof. Dr. Uta Helbig

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft

Smartes Monitoring der Alterung und Regenerierung von Truck-H2-Brennstoffzellen mittels neuronaler Netze und Impedanztomographie.

In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt SMART.H2 wird die Alterung und Regenerierung von Truck-H2-Brennstoffzellen untersucht. Wasserstoff/Luft-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEM-BZ) bieten ein vielversprechendes Potenzial für den Antrieb von Elektromotoren in Schwerlastfahrzeugen. Im Vergleich zu batterieelektrischen Antriebssystemen weisen PEM-BZ eine längere Laufleistung pro Kraftstoffladung und eine kürzere Tankzeit auf. Darüber hinaus sind sie skalierbar für hohe Motorleistungen und haben einen höheren Systemwirkungsgrad als Verbrennungsmotoren. PEM-FC-basierte Elektromotoren sind frei von lokalen Schadstoff- und Treibhausgasemissionen. Die Alterung und Regenerierung von PEM-BZ zu untersuchen, erhöht nicht nur das Verständnis der zugrundeliegenden Deaktivierungsprozesse unter realistischen Betriebsbedingungen, sondern wird auch helfen, die Lebensdauer der PEM-BZ zu verbessern und somit die die Technologie konkurrenzfähig im Vergleich zu konventionellen Verbrennungsmotoren zu machen.

Der Schwerpunkt des Projekts liegt in der Entwicklung von beschleunigten Alterungstests sowie instrumentell-analytischen und theoretischen Methoden zur Identifikation von kausalen Zusammenhängen zwischen spezifischen Betriebsbedingungen in Schwerlastfahrzeugen und den Degradationsprozessen in Brennstoffzellen. Das Vorhaben verfolgt dabei drei Ziele:

1) Die Entwicklung und der Betrieb eines Laborprüfstands, auf dem Einzelzellen und kleine Stacks bis 2,5 Kilowatt Leistung betrieben und verschiedene Alterungseinflüsse systematisch untersucht werden können. Durch Vergleich mit synchron in Industrieprüfständen durchgeführten Versuchen an Brennstoffzellsystemen von bis zu 100 Kilowatt sollen beschleunigte Alterungstests sowie Regenerierungsmaßnahmen entwickelt werden.

2) Die Entwicklung und der Einsatz eines Verfahrens für die ortsaufgelöste Charakterisierung der Alterung von Brennstoffzell-Membraneinheiten mit dem Ziel, daraus ein Verfahren für das Onboard-Monitoring von Brennstoffzellsystemen im Fahrzeug zu entwickeln.

3) Die Modellierung der Alterung mit Methoden des maschinellen Lernens und die Simulation von Zellen im realen Fahrbetrieb mit dem Ziel der Diagnose von Alterungszuständen im Fahrzeug, einer effizienten Regelung der Zellen im Fahrbetrieb und der Entwicklung von Regenerationszyklen und -verfahren für bereits gealterte Zellen.

Projektleiter: Prof. Dr. Maik Eichelbaum

Projektpartner: MAN Truck & Bus SE, Prof. Dr. Frank Opferkuch (TH Nürnberg), Prof. Dr. Raimund Horn (TU Hamburg), Prof. Dr. Marc-Georg Willinger (TU München)

Gefördert durch: Bundesministerium für Bildung und Forschung

Zeitraum: 01.10.2022 bis 30.04.2027

SynchronBlow – Entwicklung eines innovativen Querstromfahrtwindgebläses mit einer Ausblasgeschwindigkeit von 180 km/h

Themenbeschreibung:

Für Fahrsimulationen an KFZ-Prüfständen werden Fahrtwindgebläse eingesetzt, um den Einfluss von entstehendem Fahrtwind auf das Fahrzeug zu simulieren. Einsatzgebiete sind Abgasprüfungen, Rollenprüfstände oder Klimakammertests. Dabei ersetzt das Fahrtwindgebläse den fehlenden Fahrtwind bei Leistungsprüfständen und Fahrsimulationen. Der erzeugte Fahrtwind wird auf den Fahrzeugkühler und unter das Fahrzeug geleitet. Hierdurch wird der kühlende Effekt des Fahrtwindes auf die Motortemperatur der geprüften Fahrzeuge simuliert. Aktuelle Fahrtwindgebläse erreichen aufgrund der beengten Platzverhältnisse und limitierter Auslassquerschnitte in den Fahrzeugprüfständen, nur eine simulierte Geschwindigkeit von maximal 160 km/h, wobei eine Simulation der Fahrtwindgeschwindigkeit von 180 km/h dringend benötigt wird, um hierdurch den Einfluss höherer Fahrgeschwindigkeiten auf das Fahrzeug und einzelner Komponenten simulieren zu können. Für den Antrieb des Querstromfahrtwindgebläses werden aktuell Asynchronmotoren verwendet. Zum Erreichen einer höheren Energieeffizienz wird im Projekt der Einsatz einer Synchronreluktanzmaschine favorisiert.

Projektziele:

Hauptziel des Kooperationsprojektes SynchronBlow ist die Entwicklung eines Querstromfahrtwindgebläses mit einer Ausblasgeschwindigkeit von 180 km/h bei einer sehr kompakten Bauform durch den Einsatz eines innovativen und optimierten Synchronreluktanzmotors. Die Entwicklung des neuen Querstromfahrtwindgebläses übernimmt dabei der Projektpartner WMB. Für den Synchronreluktanzmotor wird ein optimierter Stator und Rotor sowie der Gesamtaufbau entwickelt, um die Drehzahl von 2300 rpm bei einer gleichzeitigen Steigerung des Wirkungsgrades zu erreichen. Die mechanische Auslegung, fertigungstechnische Umsetzung sowie die Untersuchungen zum Schwingungsverhalten des Synchronreluktanzmotors obliegt dem Projektpartner BEN Buchele. An der Technischen Hochschule Nürnberg erfolgt die elektromagnetische Auslegung und Berechnung der Synchronreluktanzmaschine sowie eine Optimierung auf die geforderten Zielgrößen mit Hilfe des institutseigenen Berechnungsprogramms für elektrische Maschinen. Dabei erfolgt sowohl eine analytische Berechnung unter Verwendung von Reluktanznetzwerken, als auch der Einsatz von numerischer FEM zur gezielten Optimierung.

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Armin Dietz

Projektbearbeiter: Michael Schmidt (M. Eng.)

Projektpartner: BEN Buchele Elektromotoren GmbH, WMB Ventilatoren GmbH

Projektträger des BMWi ZIM-Kooperationsprojekte

Laufzeit: 2,5 Jahre

V²-DoRR - Variable Venturi-Düse zur präzisen Dosierung von Reaktanten bei Wasserstoffantrieben für hohe Regelgüte unter hochdynamischen Betriebsbedingungen

Sowohl bei Brennstoffzellenantrieben oder H₂-Motoren als auch allgemein in thermochemischen Reaktionen besteht ein großes Bestreben den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen. Eine der essenziellen Aufgaben in diesen Maschinen und Prozessen ist es, die Reaktionsgase hochpräzise, dynamisch und möglichst verlustfrei in die Reaktionsvolumina zu dosieren. Bisher eingesetzte Technologien sind hierfür meist bei stationären Punkten kalibriert und weisen deshalb im transienten Betrieb teilweise unbekanntes Verhalten auf. Durch hochdynamische strömungstechnische Effekte können die physikalischen Gegebenheiten nur schwer linearisiert dargestellt werden – was jedoch die Grundlage der gängigen System-Kalibrierungen bildet.

Ein bereits über BayPAT zum europäischen Patent angemeldetes Dosierungssystem basiert auf dem Prinzip einer variablen Venturi-Düse und beinhaltet eine Vorrichtung zur schnellen Veränderung des effektiven Strömungsquerschnitts. Dieses Dosierungssystem soll hierbei:

1. Einen höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu konventionellen Technologien bieten. Dies soll mithilfe der Diffusortechnologie realisiert werden, die eine teilweise Rückgewinnung der Druckverluste ermöglicht. Zusätzlich bietet eine strömungstechnisch optimierte Formgebung von vornherein geringere Verluste.
2. Eine deutlich höhere Dynamik bieten und damit die Möglichkeit auch transiente Betriebsbedingungen präzise steuern zu können. Die Umsetzung mittels einer variablen Venturi-Düse verspricht gleichzeitig hohe Dynamik und Präzision welche Grundvoraussetzung für den Einsatz im transienten Bereich vieler Anwendungen bildet.
3. Durch eine anwendungsspezifische Auslegung und Dimensionierung eine Last- bzw. Massenstromanforderung bieten und – mittels einer Übertragungsfunktion – einem effektiven Strömungsquerschnitt zugeordnet werden. Es wird angestrebt ein lineares Aktuatorverhalten zu erzielen, wodurch eine simultane Nutzung des Aktuators als Rückmeldesensor des Massenstromwertes möglich sein kann.
4. Durch die Entwicklung vereinfachter parametrierbaren Gleichungsstrukturen und den Einsatz von echtzeitfähigen Parameterschätzmethoden, zur Bestimmung unbekannter Parameter, werden physikalisch interpretierbare Echtzeitmodelle (digitale Zwillinge) entwickelt. Diese sind in der Lage, ihre Parameter stets während des Betriebes anzupassen, wodurch die Regelgüte erhöht wird. (Stichworte: Alterungsverhalten, Komponentenspiel, Umgebungsbedingungen)

Im Rahmen der Validierungsförderung der Bayern Innovativ GmbH und gefördert durch das Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie wird dem Team um Prof. Bikas ermöglicht, das Dosierungssystem auf seine Dynamik, Präzision und Wirkungsgrad zu untersuchen. Der Hauptfokus liegt hierbei auf dem Nachweis der Vorteile gegenüber Konkurrenzprodukten in den Bereichen Dynamik, Strömungsverluste, Regelgüte und Robustheit der Kalibrierung.

Projektleiterin:            Prof. Dr.-Ing. Georgios Bikas

Bearbeitung:               Thomas Untheim, B. Eng., Peter Weigand, M. Sc.

Projektpartner:            Bayerische Patentallianz GmbH, Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG, UltraZohm, Vectoflow GmbH

Gefördert durch:         Bayern Innovativ

Zeitraum:                    01/2023 - 06/2024