Restlebensdauerbestimmung von Traktionsbatteriemodulen zur applikationsspezifischen Kombination von gemischt aufgebauten stationären Energiespeichern

In wenigen Jahren werden größere Mengen gebrauchter Traktionsbatterien aus Elektroautos verfügbar sein. Die Weiterverwendung dieser Batteriemodule in stationären Energiespeichern birgt große Herausforderungen. Dieses Promotionsvorhaben entwickelt einen ganzheitlichen Ansatz zur messtechnischen Bewertung gebrauchter Batteriemodule und deren Verwendung in stationären Energiespeichern. Angestrebt werden folgende Projektziele:

Strukturierung des aktuellen Stand der Wissenschaft und Technik beginnend bei a) modularen Batteriedesigns und Designmaßnahmen zur besseren Wiederverwendbarkeit und Recycelbarkeit über b) datengetriebene und messtechnische Verfahren zur Restlebensdauerbestimmung von Batteriemodulen und c) Konzepte zur applikationsspezifischen Konfiguration von Energiespeichern aus gebrauchten und neuen Batteriemodulen und d) Methoden des Recyclings. Ein besonderes Augenmerk soll dabei auf die besonderen Herausforderungen bekannter Ansätze gelegt werden um darauf aufbauend die diesem Promotionsvorhaben zu Grunde gelegten Forschungsbedarfe zu bestätigen und die anvisierten Lösungsideen weiter zu konkretisieren.

Entwicklung und Erforschung eines Konzeptes zur Restlebensdauerbestimmung von aus dem Feld zurückkehrenden Batteriemodulen a) auf Basis von während der Nutzungsphase gesam-melten Informationen und b) auf Basis eines mit einer zu entwickelnden Messvorrichtung bestimmten Qualitätszustandes. Ermittelt sollen dabei elektrische Parameter um auf den Zustand der Zellchemie zu schließen, thermische Parameter um die Intaktheit wärmeleitender Schich-ten sicherzustellen sowie mechanische Parameter um z.B. den Zustand von Swelling-Pads zu prüfen. Wissenschaftliche Schwerpunkte liegen auf der Entwicklung eines kombinierten Messsystems bestehend aus einer elektrischen Impedanzmessung mit zwischengelagerten Lade-und Entladeimpulsfolgen sowie der Näherung elektrischer Ersatzschaltbildern mit alterungsabhängigen Parametern. Über eine im Vorfeld entwickelte und parametrierte Modellfunktion ist vorgesehen daraus verschiedene SOH-Kenngrößen zu berechnen, auf deren Basis ein Sortieralgorithmus die aus dem Feld zurückkehrenden Batteriemodule zur Weiterverarbeitung in mehrdimensionale Qualitätsklassen clustert. Ein weiteres Ziel ist es Batteriemodule, die nicht für eine Weiterverwendung geeignet sind sicher zu erkennen und auszusortieren. 

Entwicklung und Erforschung eines Algorithmus zur Konfiguration von stationären Energie-speichern aus gebrauchten Batteriemodulen unterschiedlicher Qualitätsklassen sowie neuen Modulen um applikationsspezifische Anforderungen mit einer bestmöglichen Wiederverwen-dungsquote zu erfüllen. Als Applikationen betrachtet werden sollen öffentliche Gebäude, Mehr familienhäuser, Wohnblocks, Industrie- und Handwerksbetriebe aber auch Batteriespeichercontainer für Windparks und Photovoltaikfelder. Ziel ist es auf Basis von applikationstypischen Lastgängen eine Speicherkonfiguration zu berechnen, die neben den Applikationsanforderungen auch die aktuell in den Qualitätsklassen verfügbaren Batteriemodule berücksichtigt und einen möglichst wirtschaftlichen Fertigungsprozess sicherstellt. Ein weiterer Schwerpunkt gilt Maßnahmen zur kontinuierlichen Verbesserung der Genauigkeit der Lebensdauervorhersage für einen Batteriespeicher. Hierzu soll für einzelne Batteriespeicher ein Digital Twin entwickelt und dessen Alterung mit Daten aus der realen Batteriespeicherapplikation verglichen werden. Dabei soll auch der Mehrwert von Methoden der künstlichen Intelligenz untersucht werden.

Erarbeitung eines ganzheitlichen Ansatzes zur Gewährleistung eines nachhaltigen Produktle-benszykluses für Batteriemodule, beginnend bei deren Design über die eine erste Nutzungsphase in Elektrofahrzeugen, einer zuverlässigen Überprüfung auf Wiederverwendbarkeit und einer applikationsspezifischen Konfiguration in stationäre Batteriespeicher bis hin zum Recycling nicht weiterverwendbarer Module. In diesem Kontext soll auch eine tiefgründige technische Vergleichsbetrachtung von Verfahren zum Recyceln von Batteriemodulen sowie eine Be-wertung der Passgenauigkeit zu in Unternehmen aktuell etablierten Prozessen erfolgen.