Online Sicherheitsbewertung von Lithium-Ionen-Systemen im Betrieb

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Stephan Bihn

Abteilungsleitung Batteriesystemtechnik und Fahrzeugintegration

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  Das ISEA befasst sich vorrangig mit der Impedanzbasierten Temperaturdetektion. Diese soll auf einem BMS implementiert werden. Das ISEA befasst sich vorrangig mit der Impedanzbasierten Temperaturdetektion. Diese soll auf einem BMS implementiert werden.

Im Projekt Online Sicherheitsbewertung von Lithium-Ionen-Systemen im Betrieb (OSLiB) sollen von der Zelle bis hin zum System sicherheitskritische Zustände für Lithium-Ionen-Batterien untersucht werden. Die Untersuchungen starten ausgehend von eigens gefertigten Zellen mit abweichenden Produktionsparametern, wie z.B. einer unvollständigen Elektrolytbenetzung oder fehlerhafter Elektrodenpositionierung, um alterungsbedingte Effekte in der Zelle nachzubilden, die sicherheitsrelevante Auswirkungen, wie z.B. Lithium-Plating, nach sich ziehen. Neben den eigens gefertigten Zellen sollen auch kommerziell erhältliche Zellen, die als Referenz dienen, untersucht werden. In einem ersten Schritt wird das Zellverhalten in verschiedenen Betriebsphasen (Laden, Pausen, Zyklisierung) und Bedingungen (Temperatur, Druck) untersucht. Dabei werden zum einen Diagnoseverfahren angewandt, die für den online Einsatz auf eine zusätzliche Anregung und Hardware angewiesen sind. Zum anderen sollen online Diagnoseverfahren untersucht werden, die lediglich auf „klassischen“ Batteriemanagementsystem-Daten (Spannung, Strom, Temperatur) und daraus abgeleiteten Größen beruhen. Ziel der Untersuchungen auf Zellebene sind die Diagnose von sicherheitskritischen Zuständen, wie Lithium-Plating, kritische Temperaturen und die Detektion von Fein-/Kurzschlüssen. Dabei soll ebenfalls untersucht werden, wie sich sicherheitskritische Zustände einfach mit kommerziellen Zellen nachbilden lassen. In einem zweiten Schritt sollen die Auswirkungen der sicherheitskritischen Zustände von der Zellebene auf Systemebene skaliert und betrachtet werden. Hier soll vor allem die Lokalisierung von sicherheitskritischen Zellen in einem parallelen oder seriellen Verbund durch das Aufdecken einer Inhomogenität (Temperatur, Stromaufteilung, etc.) unter den Zellen untersucht werden. Dabei spielt nicht nur die Inhomogenität an sich eine Rolle, sondern auch die Rate mit der sich diese ändert. Die Lokalisierung der Inhomogenität soll letztendlich den gezielten Einsatz der Diagnoseverfahren, die auf Zellebene ansetzen, erleichtern. In einem dritten Schritt gilt es, die diagnostizierten Zustände zu validieren. Dazu werden (Post-Mortem) Analysen herangezogen, die die Auswirkungen in den Zellen untersuchen. Dabei soll unter anderem die Menge und Art des Lithium-Plating bestimmt werden. Final sollen die nötigen Anforderungen an das Batteriesystem und das BMS erarbeitet werden, um die Diagnoseverfahren im Betrieb anwenden zu können. Im Fokus liegen die Anforderungen an die Messsysteme, die Anwendbarkeit auf unterschiedliche Systemverschaltungen, das Zellformat und die Zellchemie, sowie der Betriebszustand und Randbedingungen. Ebenfalls soll die Fehleranfälligkeit der Diagnoseverfahren beurteilt werden. Mit den onlinefähigen Detektionsmethoden für Lithium-Plating, Temperaturanomalien und Feinschlüsse können die gängigsten sicherheitskritischen Ereignisse im Betrieb erkannt werden. Somit können neue Zellkonzepte zeitnah in Systemprototypen im Betrieb auf ihre Sicherheitseigenschaften untersucht und ohne aufwändige Post-Mortem Untersuchungen bewertet werden. Dies ermöglicht kurzfristige Rückmeldungen an die Zellentwicklung und eine schnelle Weiterentwicklung von neuartigen Zelldesigns. Zudem können Sicherheitsmargen aufgrund der verbesserten online Diagnostik reduziert werden. Damit liegt OSLiB sehr nahe am Ziel der Innovationspipeline – einer Technologie die bereit für die Industrie ist - und will dies auch mit dem Einsatz von kommerziellen Zellen und einem BMS Demonstrator veranschaulichen. Durch den Einsatz von standardmäßig erhältlichen Daten für die Diagnose werden wenig neue Systemkomponenten benötigt. Durch die Onlinefähigkeit können sicherheitskritische Zustände frühzeitig erkannt werden, wodurch sich vorzeitige Systemausfälle und folglich vermehrte Entsorgungskosten vermeiden lassen.

 

Laufzeit

01. November 2021 – 31. Oktober 2023

 
 

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Förderung

 

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) – Förderkennzeichen 03X90330A

Bundesministerium für Bildung und Forschung
 
 

Partner

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