Der Schwerpunkt in der Abteilung Faseroptische Sensorsysteme des Fraunhofer Heinrich-Hertz-Instituts HHI liegt in der anwendungsorientierten Forschung und auf der Entwicklung einer neuen Generation photonischer Sensoren, welche sich durch eine extreme Miniaturisierung, hohe Netzwerk- und Kommunikationsfähigkeit sowie einen außergewöhnlich niedrigen Stromverbrauch auszeichnen. Mithilfe von Bragg-Gittersensoren wird eine optische Erfassung des Lade- und Gesundheitszustandes von Batterieeinzelzellen realisiert, die eine verbesserte Erkennung von Fehlerfällen sowie eine dezidierte Systemanalyse ermöglicht. Um Batteriezustandssensoren zielorientiert für reale Anwendungsbereiche zu entwickeln, betreibt das HHI ein Batterie- und Sensoriktestzentrum, in welchem in Kooperation mit Forschungspartnern Batterien auf Zell-, Modul- und Systemebene durch elektrische, thermische, mechanische und chemische Belastungstests allumfassend untersucht werden.

Das HHI beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung optischer Glasfasersensoren zur quereinflussfreien und elektrochemisch inerten und damit zerstörungsfreien Messung mechanischer, thermischer und chemischer Zustände im Zellinneren. Hierfür werden die Sensorstellen derartig funktionalisiert, dass Messungen in den Aktivmaterialien und im Elektrolyt über die gesamte Lebensspanne einer Zelle möglich sind. Durch die Kombination mit konventionellen Überwachungssystemen lassen sich Degradationsvorgänge klassifizieren und entsprechend signaltechnisch voneinander trennen, sodass ein wertvoller Beitrag für die umfassende und vor allem zeiteffiziente Charakterisierung neuartiger Zellmaterialien geleistet werden kann.

Projektbeteiligungen

Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM ist eine der europaweit bedeutendsten unabhängigen Forschungseinrichtungen auf den Gebieten Klebtechnik, Oberflächen, Formgebung und Funktionswerkstoffe und ist ein materialwissenschaftlich und fertigungstechnisch ausgerichtetes Forschungsinstitut. Derzeit bündeln über 700 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aus 20 Abteilungen und zahlreichen Arbeitsgruppen ihr breites technologisches und wissenschaftliches Know-how in sieben Kernkompetenzen: Metallische Werkstoffe, Polymere Werkstoffe, Oberflächentechnik, Kleben, Formgebung und Funktionalisierung, sowie Automatisierung und Digitalisierung. Dabei deckt das Fraunhofer IFAM die gesamte Wertschöpfungskette von der Materialentwicklung über das Produktdesign bis hin zur Integration in die industrielle Fertigung ab – einschließlich Pilotfertigungen und gezielten Maßnahmen zur Personalqualifizierung in neuen Technologien.Das Fraunhofer IFAM verfügt über mehr als 15 Jahre Erfahrung in der Entwicklung und Applikation polymerer und anorganischer Werkstoffe in der Energiespeichertechnologie u.a. mit Fokus auf Lithium- und Post-Lithium-Batteriekonzepten.

In der Abteilung Elektrische Energiespeicher werden gestützt auf die IFAM-Kernkompetenzen Pulvertechnologie, Formgebung, Oberflächentechnik, Klebtechnik und Grenzflächen-/ Polymerchemie materialwissenschaftlich und fertigungstechnisch motivierte Lösungen für neuartige Energiespeicher erarbeitet. Dabei wird die gesamte Wertschöpfungskette von Materialien, Komponenten, Zellen bis zum Batteriesystem und seiner Anwendung berücksichtigt. Es stehen umfangreiche Pulver- und Pastentechnologien zur Verfügung, sowie verschiedene Beschichtungs- und Extrusionstechniken für die Elektrodenherstellung. Spezifische Prozessdaten werden zur Performanceverbesserung genutzt. In einer halbautomatischen Kleinstserienfertigung können prototypisch Batteriezellen gefertigt werden. Des Weiteren bilden die Modellierung und Zelldiagnostik von Batteriesystemen einen weiteren Schwerpunkt für Alterungsprognosen und zugehörigen Betriebsstrategien. Neben Qualitätsbewertungen von Batteriezellkomponenten sind die Auslegung, Bau und Entwicklung von Testprozeduren von Zellen von besonderem Interesse. Die Erhebung von relevanten Alterungsdaten von Batteriezellen sollen zum Aufbau der Bewertungskompetenz von Material- und Zellentwicklungen und Analyse der Lebensdauereigenschaften beitragen.

Projektbeteiligungen

BeLiMIA

Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB führt angewandte Forschung und Entwicklung im Bereich leistungselektronischer Systeme durch, etwa für Elektromobilität, Luftfahrt, Industrie 4.0, Stromnetze oder auch Energietechnologie. Dabei deckt das Institut auf einzigartige Art und Weise die gesamte Wertschöpfungskette ab – vom Grundmaterial bis hin zum kompletten leistungselektronischen System.

Das IISB forscht für Auftraggeber aus der Industrie als auch im Rahmen von öffentlich geförderten Projekten. Als eine der führenden Forschungseinrichtungen im Bereich Leistungselektronik hat sich das Institut das Ziel gesetzt, seinen Industriepartnern mit umfassendem Know-How den Rücken zu stärken und neue technologische Maßstäbe zu setzen.

Auf seinen beiden Geschäftsfeldern Halbleitertechnologie und Leistungselektronik liefert das IISB innovative Ansätze und maßgeschneiderte Lösungen für:

• Materialentwicklung
• Halbleitertechnologie und -fertigung
• Elektronische Bauelemente
• Aufbau- und Verbindungstechnik & Zuverlässigkeit
• Fahrzeugleistungselektronik
• Energieelektronik und Energieversorgungssysteme

Ergänzt wird dieses Spektrum durch weitere, breit angelegte Aktivitäten, beispielsweise Tests zu Lebensdauer und Zuverlässigkeit, numerische Simulation, elektrische Charakterisierung sowie spezielle Messtechnik.

Neben der klassischen Siliziumtechnologie ist das IISB auch auf Halbleiter mit großer Bandlücke ausgerichtet, insbesondere Siliziumkarbid. Für die Verarbeitung von SiC verfügt das Institut über die komplette technologische Prozesskette, beginnend bei den Materialwissenschaften über Bauelemente und Module bis hin zur Integration in hocheffiziente leistungselektronische Systeme.

Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB betreibt angewandte Forschung und Entwicklung für intelligente Energiesysteme und Technologien, mit Anwendungsbereichen in der Elektrifizierung mobiler Systeme (z. B. Elektromobilität), Industrie 4.0 (z.B. Data Analytics, Artificial Intelligence, Machine Learning) sowie der Energietechnik (z.B. Batteriesystementwicklung, Brennstoffzellenentwicklung) und Netztechnik (z.B. DC-Netze, HVDC).Dabei deckt das Institut vom Grundmaterial über die Halbleitertechnologie bis hin zum vollständigen leistungselektronischen System die gesamte Wertschöpfungskette ab. Nachhaltige Energieversorgung und Mobilität als Schlüsselelemente bei der Bewältigung der globalen Herausforderungen bestimmen den Fokus des IISB, mit dem Ziel, technologisch führende Lösungen mit einem umfassenden Blick auf das Gesamtsystem zu erarbeiten. Das Fraunhofer IISB hat im Jahr 2016 das Open Source Batteriemanagementsystem foxBMS® veröffentlicht. Seitdem haben sich mehr als 100 Firmen und Forschungseinrichtungen für den Einsatz der foxBMS® Plattform entschieden und Produkte auf dieser Basis entwickelt. Im Bereich Batteriesystemauslegung und Bauraumoptimierung implementiert das IISB innovative Simulationslösungen z. B. für Anwendungen mit speziellen Anforderungen in Industrie, Transport und Avionik.

Projektbeteiligungen

SimBAS

Das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg entwickelt im Auftrag der Industrie Werkstoffe und Verfahren für eine Vielzahl von Anwendungsbereichen und Branchen und leistet mit seinen ressourcenschonenden Werkstofflösungen essentielle Beiträge für Energieversorgung, Klimaschutz, saubere Umwelt, Biomedizin und adaptive Systeme. Materialschwerpunkte sind Glas, Hybridpolymere, Smart Materials sowie Werkstoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe. Für zukunftsweisende Batteriematerialien und Konzepte für effiziente stationäre und mobile Energiespeicher steht das Forschungs- und Entwicklungszentrum für Elektromobilität Bayern FZEB, das im Fraunhofer ISC beheimatet ist. In Zusammenarbeit mit Industrie- und Forschungspartnern werden Elektrodenmaterialien, Elektrolyte und andere Zellkomponenten sowie Verfahren zu deren Herstellung und Verarbeitung bis in den Technikumsmaßstab entwickelt.

Arbeitsschwerpunkte des FZEBs sind die Optimierung etablierter Batteriesysteme, Material- und Verfahrenskonzepte für Festkörperbatterien, Alterungsuntersuchungen und die Entwicklung von neuen Verfahren und Sensorik für die nichtinvasive Zellüberwachung. Innerhalb des Kompetenzclusters BattNutzung koordiniert das Fraunhofer ISC das Vorhaben MADAM4Life. In MADAM4Life wird das Fraunhofer ISC mittels operando Ultraschalluntersuchungen in Transmission (UT) an Batteriezellen die Voraussetzungen schaffen ein alternatives End-of-Life (EoL) Kriterium im Vergleich zu 80 % SoH abzuleiten. Dieses soll eine verlässlichere Vorhersage des Übergangs von der linearen zur nicht-linearen Alterung ermöglichen um die Energienutzung bei gleichbleibendem Belastungsprofil der Batterie zu optimieren.

Projektbeteiligungen

MADAM4Life

Die Weiterentwicklung bestehender Batterie-Zellsysteme sowie die Erforschung und Adaption neuartiger Ansätze für wieder aufladbare Batterien sind seit über 20 Jahren ein wesentliches Arbeitsgebiet der Gruppe „Batteriesysteme für Spezialanwendungen“ am ISIT. Im Fokus stehen dabei neue Materialien bzw. Materialrezepturen für Elektroden, neue Elektrolytsysteme und neue Separatoren. Ebenso sind weiterentwickelte Fertigungsprozesse, die zu einer Verbesserung der Zellperformance, einer Kostensenkung und/oder einer Verringerung umweltbelastender Emissionen führen, Gegenstand der Forschungsarbeiten.

Das ISIT hat über die Jahre eine flexible Fertigungsplattform aufgebaut, welche die praktische Umsetzung der Zellentwicklung ermöglicht. Neben der eigentlichen Zelltechnologie beschäftigt sich das ISIT bereits seit vielen Jahren auch mit der Integration von Zellen in Module und Batteriesysteme.

Wesentliches Ziel dieses Teilvorhabens ist die Beobachtung von Alterungsmechanismen mit verschiedenen Methoden, besonders jedoch durch die Nutzung von zellinternen Sensoren. Hierdurch werden die im Projekt entwickelten bzw. angewandten Untersuchungsmethoden evaluiert und ein Einblick in den Ablauf der Alterungsvorgänge gewonnen. Ein weiterer Teil dieses Arbeitspaketes befasst sich mit den Vorgängen bei einer forcierten Alterung durch Belastungen außerhalb des Arbeitsbereiches der Zelle. Damit kann auch ein Vergleich des Einflusses verschiedener zellinterner bzw. zellexterner Einflussgrößen auf die Alterung getroffen werden. Es sollen so die Grundlagen für eine zukünftige Analyse und Auflösung der verschiedenen Vorgänge bei der realen Zellalterung gelegt werden.

Projektbeteiligungen

MADAM4Life

BetterBat

SimBAS

BeLiMIA

NUBase

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) bringt teilweise jahrzehntelange Erfahrung im Bereich der Batteriesystemtechnik, der Betriebsführung, Batteriealterung und Post-mortem Analyse in das Projekt ein. In den vergangenen Jahren wurden in diesem Themenumfeld am Fraunhofer ISE zahlreiche F&E-Projekte durchgeführt, darunter die Untersuchung von Batteriezellen und -systemen für die Eignung für Second-Life-Anwendungen und die Entwicklung innovativer zerstörungsfreier Charakterisierungsmethoden für die Alterung der Batteriezellen sowie die Untersuchung per Post -mortem Analyse von Batterieelektroden mit analytischen Methoden. Im Jahr 2021 ist die Eröffnung des neuen Batterietechnologiezentrums des Fraunhofer ISE terminiert. Diese Erweiterung der Laborflächen wird eine Vervielfachung der Testmöglichkeiten mit sich ziehen.

Das Ziel des Projekts OrtOptZelle ist das Finden von Korrelationen zwischen ortsaufgelösten Alterungsprozessen, Inhomogenität der Ausdehnung an einer Pouchzelle und die gezielte Kompression zur Verlangsamung bestimmter Degradationstypen. Es ist beabsichtigt sich stark mit anderen Themenfeldern innerhalb des Kompetenzclusters zu vernetzen. Bei der Modellierung für die Bestimmung einer idealen Kompression der Zelle können wir mit Schwerpunkt A1 kooperieren. Mit der Entwicklung neuartiger Messmethoden für die zerstörungsfreie Quantifizierung der lokalen Ausdehnung oder Druckaufbau werden wir Ergebnisse für den Schwerpunkt A2 generieren. Wir können die beschleunigten Alterungstests und geeignete End-of-Life-Kriterien definieren und den Schwerpunkten B2 und B3 für die Alterung unseren orts-aufgelöste komprimierten Zellen zur Verfügung stellen.

Gleichzeitig liefern wir Messwerte für die Validierung von Modellierungsparametern. Die Bewertung der ort-spezifisch komprimierten Zellen auf Batteriemodul und –Systemebene soll in Schwerpunkt C2 zur Diskussion stehen. Die Nachjustierung der Kompression an der Zelle für eine Zweitverwertung soll mit einer Kooperation mit Schwerpunkt C3 berücksichtigt werden. Im Rahmen des Projektes würde es sich weiterhin anbieten die in der FFB hergestellten Zellen bezüglich der vorgeschlagenen Methodik zu untersuchen und in Kooperation Strategien zur Lebensdauerverlängerung durch Geometrie und Druckverhältnisoptimierung zu erarbeiten.

Projektbeteiligungen

OrtOptZelle

BetterBat

Das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI forscht für die Praxis und versteht sich als unabhängiger Vordenker für Gesellschaft, Politik und Wirtschaft. Unsere Kompetenz im Bereich der Innovationsforschung stützt sich auf die Synergie aus technischem, wirtschafts- und sozialwissenschaftlichem Wissen unserer Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Bei unserer Arbeit verwenden wir ein breites Spektrum an wissenschaftlich fundierten Analyse-, Bewertungs- und Prognosemethoden.

Für unsere Kunden untersuchen wir die wissenschaftlichen, wirtschaftlichen, ökologischen, sozialen, organisatorischen, rechtlichen und politischen Entstehungsbedingungen für Innovationen und deren Auswirkungen. Damit ist das Fraunhofer ISI eines der in Europa führenden Institute der Innovationsforschung.

Das Fraunhofer ISI leitet das Clusterprojekt „BetterBat“ und bringt dort insbesondere seine systemischen Kompetenzen ein. Auf inhaltlicher Seite fokussiert das ISI sich auf die Identifizierung und Bewertung relevanter mobiler Anwendungen und deren Charakterisierung. Hierbei trägt das ISI insbesondere auf Seiten der späteren systemischen Analyse der Anwendungen mit seinen Kompetenzen bei. Dies ermöglicht einen ganzheitlichen Blick auf die Anwendungen, der über die rein techno-ökonomische Betrachtung hinausgeht. Weiterhin unterstützt das ISI bei der anschließenden multikriteriellen Bewertung und ist dafür zuständig zusammen mit den Projektpartnern und Experten aus Industrie und Forschung, konkrete Handlungsoptionen und Lösungskonzepte für die Verringerung des GAP zwischen Batterietechnologie und Anwendung zu identifizieren.

Projektbeteiligungen

BetterBat

Das Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI ist auf dem Gebiet der Elektromobilität und ihrer Teiltechnologien tätig. Ein Schwerpunkt der industrienahen Forschung ist die komponentenübergreifende Zustandsüberwachung von Fahrzeugsystemen, insbesondere der Batterie. Weitere Kernkompetenzen sind die Batteriedatenauswertung und darauf basierende Prognosen des kalendarischen und zyklischen Alterungsprozesses. Zu diesem Zweck werden eigene Analysemethoden und -algorithmen entwickelt.

Das Institut verfügt über eigene Testkanäle und Klimakammern, sodass eigene Laborversuche durchgeführt werden können. Außerdem betreibt das Fraunhofer IVI ein Telematik-basiertes Batteriemonitoringsystem, das die Daten von Batterien in unterschiedlichen Anwendungen (Lkw, Bus, Pkw, Zug) erhebt und an eine eigene Big-Data-Serverinfrastruktur überträgt, wo auf diese zugegriffen und sie ausgewertet werden können.

Innerhalb des Projektes übernimmt das Fraunhofer IVI die Projektleitung. Hauptforschungsaufgabe ist die szenario- und felddatenbasierte Prognose der Restlebensdauer und -kapazität einer Batterie. Für dieses Ziel konzentriert sich das Institut auf seine Kompetenzen in der Datenakquisition, -aufbereitung und -analyse sowie Methoden- und Algorithmenentwicklung.

So ist das Fraunhofer IVI zuständig für die Konstruktion eines batteriespezifischen Neuronalen Netzes, das mit realen Fahrdaten zunächst für Einzelfahrzeuge und darauf aufbauend fahrzeugübergreifend trainiert wird. Die Implementierung umfasst sowohl die Batteriemodellierung als auch die Entwicklung eines stressfaktorbasierten Alterungsmodells, das mittels Virtueller Experimente die Lebensdauer prognostiziert.

Außerdem ist das Fraunhofer IVI für die Akquisition der Felddaten und Durchführung von Labormesskampagnen verantwortlich.

Projektbeteiligungen

FeBaL