Forschungsprojekt SuKoBa

SuKoBa – Superkondensatoren zur Lebensdaueroptimierung von Batterie-Hybridspeichersystemen – Auslegungsmethoden und Regelungsalgorithmen

Partner
SKELETON Technologies, AVL Deutschland GmbH
Förderung Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)
Laufzeit 01.01.2021 - 31.12.2023
Bearbeitende Fraunhofer IEE Weiwei Shan, Tatjana Dabrowski, Matthias Wecker

Werden elektrische Batteriesysteme für Anwendungen mit kurzzeitigen hohen Leistungsspitzen eingesetzt, so lassen sich diese aufgrund physikalisch begründeter Relationen zwischen Kapazität und Maximalleistung in vielen Fällen nur schwierig wirtschaftlich auslegen. In solchen Anwendungsfällen ist es sinnvoll, die Batterien mit Superkondensatoren zu kombinieren, um erstere von den Leistungsspitzen zu entlasten. Ziel ist es, zu einer vorteilhafteren Auslegung in Bezug auf Baugröße, Lebensdauer und Kosten des Speichersystems zu kommen. 

Beispielhafte Anwendungsfälle, in denen solche Hybridspeichersysteme sinnvoll zum Einsatz kommen können:

  • Stationäre Speicher, die u.a. zur transienten Netzstützung für schnelle Primärregelung und synthetische Trägheit eingesetzt werden
  • Elektrofahrzeuge, insbesondere Nutzfahrzeuge, mit begrenzter Reichweite und häufigen Anfahr- und Bremsvorgängen.

Es ist qualitativ bekannt, dass in solchen Anwendungsfällen durch Kombination mit Superkondensatoren die Lebensdauer der Batterien deutlich verbessert werden kann, wodurch sich wiederum eine Verringerung der erforderlichen Batteriekapazität und eine Verbesserung der Systemkosten über die Gesamtlebensdauer (Total Cost of Ownership) ergibt. Jedoch fehlen bisher die Werkzeuge, die eine systematische Systemauslegung und Betriebsoptimierung unter Berücksichtigung des Einflusses der Betriebsparameter auf die Alterung erlauben.

Demonstrator für einen Hybridspeicher aus Lithium-Ionen Batterien und Superkondensatoren
Demonstrator für einen Hybridspeicher aus Lithium-Ionen Batterien und Superkondensatoren aus der Nähe.

Zielsetzung des vorgeschlagenen Verbundvorhabens ist es daher, eine geeignete Methodik und darauf basierende Auslegungswerkzeuge und Regelungsverfahren für den anwendungsübergreifenden Einsatz von Hybridspeichersystemen zu entwickeln. Übergeordnete Zielsetzung ist es, den Einsatz von Batteriespeichersystemen für Hochleistungsanwendungen zu erschließen, in denen bisher eine wirtschaftliche Anwendung nicht möglich war.

Die Struktur des im Projekt zu entwickelnden Auslegungstools. Zentrales Element ist ein Modell des Hybridspeichersystems bestehend aus Batteriemodulen, Superkondensatoren, der erforderlichen Leistungselektronik sowie des ggf. erforderlichen Kühlsystems. Das Modell bekommt das jeweilige Anwendungsprofil vorgegeben. Basierend auf einer anwendungsspezifischen Performance-Bewertung erfolgt die automatisierte Bestimmung der optimalen Systemauslegung. Ein dabei zentrales Element ist die rechnerische Bestimmung und Maximierung der Lebensdauer abhängig vom den Betriebsparametern und der Systemauslegung. Parallel zur Systemauslegung bzw. Dimensionierung soll eine Optimierung des Systembetriebs über eine optimale Parametrierung des Management- und Regelungssystems erfolgen. Dafür werden im Projekt ein parametrierbares Managementsystem sowie eine Anzahl von anwendungsspezifischen Regelungsmodulen entwickelt. 

Für die Verifizierung des beschriebenen Auslegungsverfahrens muss ein hoher experimenteller Aufwand betrieben werden. Im Projekt sollen mit dem Tool ausgelegte Demonstratoren gebaut und für verschiedene Anwendungsfälle im Labor erprobt werden. Dabei ist die sichere Funktionserfüllung unter Einhaltung aller relevanten Randbedingungen zu zeigen. 

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz

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