Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB
SmartBMS
Forschungsprojekt, »Smartes Batteriemanagementsystem und intelligente Datenanalyse im Zellproduktionsprozess«
Das Forschungsprojekt SmartBMS hat das Ziel, das innovative Verfahren des Eta-Levelings in Batterie-Management-Systeme (BMS) zu integrieren und dessen Potenzial zur Steigerung der Produktions- und Betriebseffizienz im Batteriezellproduktionskontext umfassend zu validieren. Das Eta-Leveling zielt auf die Optimierung des Ladeprozesses ab, indem es Unterschiede in der Lade- und Entladeleistung einzelner Batteriezellen gezielt ausgleicht. Das Ziel des Projektes ist ferner die Ermittlung der maximal zulässigen Toleranzfenstererweiterungen in der Batteriezellfertigung. Dies wird durch die detaillierte Entwicklung eines Ursache-Wirkmodells realisiert. Eine Erweiterung der Toleranzfenster führt zu einer Steigerung der Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Produktion, da die Produkte nicht vorzeitig als Ausschuss definiert werden.
Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung einer Eta-Box mit speziellem Ladealgorithmus und zusätzlich die Entwicklung eines Demonstrators, welcher an ein BMS angeschlossen wird und dadurch die SoC-Verluste von Zellen in Batteriemodulen ausgleichen kann. Da moderne Batteriesysteme in einer Vielzahl von Anwendungen wie Elektrofahrzeugen, erneuerbaren Energien und mobilen Geräten eine zentrale Rolle spielen, ist die genaue Abstimmung der einzelnen Zellen entscheidend, um optimale Leistung und Langlebigkeit zu gewährleisten.
Arbeitsplan
Der Arbeitsplan besteht aus sechs Arbeitspaketen:
AP1 Validierung des Eta-Levelings und Analyse der möglichen Diskrepanzen zwischen Zellen im Labormaßstab: AP1 validiert im Labor die Machbarkeit und Effizienz des Eta-Levelings, untersucht dessen Einfluss auf Zell-Lebensdauer und -stabilität, ermittelt kompensierbare Qualitätsunterschiede zwischen A- und B-Grade-Zellen und definiert die physikalischen sowie algorithmischen Einsatzgrenzen.
AP2 Datenstrukturierung und -auswertung zur Ursache-Wirkzusammenhangs-Identifikation: AP2 implementiert die Datenakquise und Rückverfolgbarkeit, entwickelt und validiert ein datenbasiertes Ursache-Wirk-Modell kritischer Prozessparameter und analysiert statistisch bestehende Toleranzfenster, um deren Erweiterungsempfehlungen abzuleiten.
AP3 Bewertung der Produktionseffizienz: AP3 testet in realen Produktionskampagnen schrittweise erweiterte Toleranzfenster und erfasst die gemessenen Produkt- und Produktionsparameter. Darauf basierend werden Effekte auf Effizienz und Qualität bewertet und konkrete Prozessoptimierungen abgeleitet.
AP4 Entwicklung der Eta-Box mit MATLAB-Modul: AP4 entwickelt die MATLAB-basierte Softwarearchitektur für das adaptive Zellenausgleichsverfahren, integriert sie in ein skalierbares Hardwaregehäuse und kombiniert beides zu einem funktionsfähigen Demonstrator.
AP5 Systemintegration und Validierung der Systemlebensdauer/-performance sowie Kosteneinsparung: AP5 integriert alle Hard- und Softwarekomponenten, prüft in umfangreichen Testszenarien Lebensdauer, thermische Stabilität und Performance und erstellt ein Kostenmodell, das Einsparpotenziale durch reduzierten Ausschuss und verlängerte Systemlebensdauer quantifiziert.
AP6 Projektmanagement und Breitentransfer: AP6 koordiniert als Gesamtprojektmanagement Termine, Berichts- und Finanzcontrolling sowie Risikomanagement, stellt interne und externe Kommunikation sicher und bereitet die Projektergebnisse zielgruppengerecht für Wissenschaft, Industrie und Politik auf.
Ergebnisverwertung
Das Forschungsprojekt SmartBMS wird zeigen, dass das adaptive Eta-Leveling technisch umsetzbar ist und die Zellspannungshomogenität sowie Lebensdauer von Lithium-Ionen-Systemen nachweislich verbessert. Auf Basis eines modularen Data-Frameworks entstehen datengetriebene Ursache-Wirk-Modelle, mit denen sich kritische Prozessparameter identifizieren und Fertigungstoleranzen erweitern lassen, ohne die Produktqualität zu beeinträchtigen. Produktionskampagnen in der FFB PreFab validieren diese erweiterten Toleranzfenster unter realen Bedingungen, und ein MATLAB-basiertes Eta-Box-Demonstratorgerät belegt die Praxistauglichkeit der entwickelten Hardware- und Softwarekomponenten. Begleitend liefert eine Kostenmodellierung belastbare Zahlen zu Einsparpotenzialen durch reduzierte Ausschussraten und den wirtschaftlichen Einsatz von B-Grade-Zellen.
Die gewonnenen Erkenntnisse sind nicht nur für die beteiligten Projektpartner relevant, sondern bieten das Potenzial, in der gesamten Batterieindustrie eingesetzt zu werden. Dies gilt insbesondere für Unternehmen, die in der Serienproduktion von Batteriezellen tätig sind, da mit den entwickelten Technologien durch erweiterte Toleranzfenster erhebliche Einsparungen möglich werden. Ebenso lassen sich die innovativen Eta-Leveling-Algorithmen auf BMS-Systeme in der Elektromobilität, in stationäre Energiespeicher sowie in hybride Batteriearchitekturen übertragen. Dort werden die Forschungsergebnisse zu längeren Lebenszeiten der Speichersysteme beitragen und so eine nachhaltigere Nutzung der Ressourcen ermöglichen. Damit steigert das Projekt die Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit der Industrie und leistet einen Beitrag zu einer nachhaltigen, technologisch fortschrittlichen Zukunft.
