Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und 
Forschungsprojekt SuKoBa
SuKoBa – Superkondensatoren zur Lebensdaueroptimierung von Batterie-Hybridspeichersystemen
Optimierung von Batteriesystemen durch Integration von Superkondensatoren für Hochleistungsanwendungen
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 (SuperCaps) 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 SuperCaps 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 fehlten bisher die Werkzeuge, die eine systematische Systemauslegung und Betriebsoptimierung unter Berücksichtigung des Einflusses der Betriebsparameter auf die Alterung erlauben.
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.
Projektergebnisse
Demonstrator für einen Hybridspeicher aus Lithium-Ionen Batterien und Superkondensatoren
Demonstrator für einen Hybridspeicher aus Lithium-Ionen Batterien und Superkondensatoren aus der Nähe.
Entwicklung eines Anwendungsübergreifenden Auslegungstools für Hybridspeicher
Im Rahmen des Projekts SuKoBa wurde ein Auslegungstool für hybride Energiespeichersysteme entwickelt, die sowohl Batterien als auch SuperCaps einsetzen. Der Schwerpunkt liegt auf der Reduktion der Batteriealterung bei gleichzeitiger Optimierung der Systemgröße und -kosten.
Das Tool integriert ein nicht-empirisches physikalisch-elektrochemisches Degradationsmodell BaSiS (Link), das eine genaue Simulation des Batterieverhaltens unter realistischen Betriebsbedingungen ermöglicht. Es kann verwendet werden, um den Einfluss verschiedener Systemkonfigurationen und Energiemanagementalgorithmen auf die Gestaltung und Kosten des hybriden Speichersystems zu untersuchen.
Entsprechend erhält dieses Auslegungstool die Lastprofile der Anwendung, die erwartete Lebensdauer, sowie die Parameter für das Kosten- und Alterungsmodell als Eingangsgrößen. Als Ergebnis bekommt man die Kosten und die Größe des Hybridspeicher-Systems mit DC-DC-Umrichter.
Entwicklung eines Managements und Regelungstools- zur Optimierung des Betriebs von Hybridspeichern
Für den Anwendungsfall „Netz“ wurde die regelungstechnische Umsetzung der Leistungsverzweigung zwischen Batterie und SuperCap durchgeführt. Für die Topologie des Hybridspeichers sind folgende Varianten bezogen auf die Leistungsregelung untersucht worden:
- Passive Kopplung von Batterie und SuperCap
- Aktive Regelung des SuperCap -Strom
- Aktive Regelung des Batterie-Stroms
- Aktive Regelung Batterie- und SuperCap -Modul
Kern-Element der Regelung des Hybridspeichersystems ist die Leistungsaufteilung zwischen Batteriespeichermodul und SuperCap-Modul. In diesem Zusammenhang wurde eine Vielzahl von Möglichkeiten der Leistungsverzweigung modelliert und ausgewertet.
Tiefergehende Informationen und konkrete Ergebnisse entnehmen Sie bitte dem Abschlussbericht. (vorraussichtlich im September 2024 zum Download bereit)
Entwicklung eines Demonstrators für den Hybridspeicher, Demonstration des Speicherkonzeptes und der Regelungsverfahren für die Anwendungsfälle Netz und Fahrzeug
Für eine Verifizierung der Auslegungsverfahren wurde ein hoher experimenteller Aufwand betrieben. Im Projekt wurden mit dem Tool ausgelegte Demonstratoren gebaut und für verschiedene Anwendungsfälle im Labor erprobt. Dabei ist die sichere Funktionserfüllung unter Einhaltung aller relevanten Randbedingungen gezeigt worden.
BaSiS: Weiterentwicklung und Integration des elektrochemischen Modells und Alterung
Im Projekt SuKoBa wurde das elektrochemische SuperCap -Modell BaSiS CAP in Zusammenarbeit mit dem Hersteller Skeleton Tech weiterentwickelt. Es erfolgte eine Kopplung an das Lithium-Ionen-Alterungsmodell BaSiS LIB. Für die Modell-Parametrisierung wurde eine große Anzahl von Messungen im Labor durchgeführt, um damit die Parameter für das BaSiS LIB Modell zu bestimmen.
Wir bedanken uns bei unseren Konsortialpartnern und dem BMWK für ein sehr erfolgreicheres Projekt.
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz
