Die Ursachen für diesen Selektionsdruck sind vielfältig, doch ein Faktor sticht heraus: Konventionelle Batteriemanagementsysteme (BMS) setzen strenge Homogenität voraus. Das eigentliche Problem ist also: Ein BMS, das auf Gleichheit besteht, zwingt die Zellhersteller dazu, abweichende Exemplare auszusortieren, obwohl die betroffenen Zellen einzeln betrachtet einwandfrei funktionieren und jahrelang zuverlässig Strom speichern könnten. Gleichzeitig untergraben herkömmliche BMS diese Gleichheit im laufenden Betrieb systematisch: Mit jedem Ladezyklus entstehen SoC-Schieflagen (State-ofCharge), die dazu führen, dass die Zellen unterschiedlich altern. Das Ergebnis ist ein beschleunigter Kapazitätsverlust und eine verkürzte Lebensdauer der gesamten Batterie. „ETA-Leveling bricht mit dieser Logik herkömmlicher BMS. Unser Algorithmus macht Zellen nutzbar, die sonst nie in eine Batterie gelangen würden“, so Frederik Fuchs, Geschäftsführer der Benning CMS Technology GmbH.

Leveling statt Aussortieren

ETA-Leveling setzt nicht nahezu identische Zellen voraus, sondern gleicht Unterschiede im laufenden Betrieb aus. Jede Zelle wird beim Laden so behandelt, als befände sie sich in einer Einzelzell-Anwendung. Individuelle Wirkungsgradkorrekturen verhindern SoC-Schieflagen. Das Ergebnis: Zellen mit abweichenden Kapazitäten lassen sich problemlos gemeinsam betreiben. Plakativ, also nicht unbedingt sinnvoll in der Anwendung: Selbst ein unsortierter Mix gebrauchter Zellen unterschiedlicher Hersteller, unterschiedlichen Alters und unterschiedlicher Nominalkapazität könnte für den Second-Life-Einsatz in Reihe geschaltet und dauerhaft genutzt werden. Für die Ressourcenbilanz bedeutet das: Mit ETA-Leveling können Zellen, die bislang aussortiert wurden, weil sie nicht ins Gleichheitsprinzip konventioneller BMS passten, künftig in Batteriesystemen eingesetzt werden. Der Selektionsdruck in der Produktion sinkt und damit auch die Menge der Zellen, die nie in Betrieb gehen.

Längere Lebensdauer, weniger Entsorgung

ETA-Leveling verlängert darüber hinaus die Lebensdauer bestehender Batteriesysteme spürbar. Weil SoC-Schieflagen im Betrieb nicht entstehen, altern die Zellen gleichmäßiger. Das spart nicht nur Material und Rohstoffe, sondern verschiebt auch den Zeitpunkt nach hinten, zu dem eine Batterie ausgetauscht oder entsorgt werden muss. Für Betreiber großer Batteriespeicher, etwa im stationären Bereich, bedeutet das weniger Investitionsaufwand und einen sorgsamen Umgang mit dem, was bereits verbaut ist.

BMS veraltet, Batterie topfit

Dasselbe Prinzip gilt für Batteriespeicher, die bereits in Betrieb sind. Manche Anlagen laufen seit Jahren zuverlässig, doch irgendwann stellt der BMSHersteller den Support ein. Ersatzteile werden knapp, Fehlercodes bleiben ungeklärt und die einzige offizielle Empfehlung lautet: Neuanschaffung. Wenn nicht die Batterie das Problem ist, sondern das BMS, lässt es sich durch ein System mit ETA-Leveling ersetzen. So bekommen Anlagen eine neue Perspektive, unabhängig davon, wie unterschiedlich die verbauten Zellen aufgrund ihres fortgeschrittenen Alters inzwischen sind. ETA-Leveling macht Batterien resilienter. Der Algorithmus ist als Lizenz erhältlich und lässt sich als fertiges Modul (Matlab-Simulink-Modell) auf jedes bestehende BMS aufspielen. Es kommt ohne Hardware aus und bringt mehr Intelligenz ins vorhandene BMS.
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Bei Fragen stehen wir gern zur Verfügung. Falls Sie diese Informationen für Ihre Berichterstattung verwenden können, freuen wir uns über einen Hinweis und/oder ein Belegexemplar. Wenn Sie einen exklusiven Fachartikel zu diesem Thema oder einem bestimmten Themenaspekt wünschen, sprechen Sie uns bitte an.

Quellen:

• Dr. Sarah Michaelis, Jörg Schütrumpf et al. „Roadmap Batterie Produktionsmittel 2030“. VDMA Batterieproduktion, 2023, https://vdmaindustryguide.com/fileadmin/battprod/downloads/VDMA_Batterieproduktion_Ro admap_2023.pdf (abgerufen am 10.03.2026)
• Dahmen C, Degen F, Eckstein MC, Pouls KB, Walter H, Ludwigs R, et al. Mastering Ramp-up of Battery Production. Fraunhofer FFB; 2024 Oct 16. 35 S. https://doi.org/10.24406/publica-3727 (abgerufen am 10.03.2026)

Der Beitrag Ressourcen effizienter nutzen: ETA-Leveling reduziert Ausschuss und verlängert Batterieleben erschien zuerst auf BENNING CMS Technology.

Im Mittelpunkt steht das Verfahren ETA-Leveling, das Frederik Fuchs, Geschäftsführer von BENNING CMS Technology, folgendermaßen erklärt: „Mit ETA-Leveling stellen wir sicher, dass Batteriezellen über viele Ladezyklen hinweg ihre Leistungsfähigkeit behalten. Damit wird die Lebensdauer kompletter Batteriesysteme signifikant verlängert.“ Der Algorithmus verhindert das Auseinanderdriften von Zellen, im Sinne von Unterschieden der Ladezustände (State of Charge, SoC), wie es bei herkömmlichen BMS unweigerlich vorkommt. Diese unerwünschten Unterschiede bleiben lange auf sehr niedrigem Niveau, werden erst auf Dauer spürbar, vermindern aber schlussendlich deutlich die Lebensdauer der Batterie. „Der Produktbaustein ist als Matlab-Simulink-Modell bereits zur Serienreife fertig entwickelt. Ferner existiert ein Simulationstool, mit dem sich die Anwendung des Algorithmus im BMS validieren und der Mehrwert aufzeigen lässt“, erklärt Carl Richter, Director bei PEM Motion. „Das Simulationsmodul stellen wir Interessenten im Rahmen ausgewählter Kooperationen zeitlich begrenzt zur Verfügung.“

ETA-Leveling – und was es leistet

Die Wirkungsgrade einzelner Zellen innerhalb eines Batterieblocks verändern sich im Zeitablauf unterschiedlich. Hinzu kommen von außen, durch die BMS-Hardware eingetragene, ungleichmäßige Belastungen der Batterie. Dadurch hervorgerufene geringste Unterschiede der SoC entstehen bereits mit den ersten Ladevorgängen. Das sorgt auf Dauer für eine beschleunigte individuelle Zellalterung und Abnahme der nutzbaren Kapazität der gesamten Batterie, die in der Anwendung aber erst sehr viel später spürbar wird. Denn irgendwann kommt die gesamte Batterie so weit in Schieflage, dass die verbleibende Nutzkapazität nicht mehr ausreicht und zu einem verfrühten ‚Defekt‘ des Batterie-Blocks führt. Das heißt: Die Wirkungsgrad-Unterschiede zwischen den einzelnen Zellen verschieben die Ladezustände der einzelnen Zellen so weit, dass sie die gemeinsame nutzbare Kapazität im Zellverbund bis zur Unbrauchbarkeit einbüßen. Regelmäßig definierte Abschaltgrenzen im oberen oder unteren Spannungsbereich werden permanent überschritten und verhindern damit schlussendlich, dass der Block für seine Anwendung ausreichend ge- und entladen werden kann. Spätestens dann gilt der komplette Block als defekt und wird aussortiert. Mit ETA-Leveling lässt sich innerhalb dieser Problematik an mehreren Punkten ansetzen: Von vornherein im BMS verwendet, verhindert es die vorzeitige Alterung einzelner Zellen, gleicht von außen eingetragene Wirkungsgrad-Unterschiede auf Systemebene aus und verlängert so die Lebensdauer von Batterieblöcken ganz erheblich. Kommt dieses Ladeverfahren bei defekten Blöcken zum Einsatz, kann es die Zellen im besten Fall wieder leveln, also den vorzeitigen Kapazitätsverlust der Batterie heilen, sodass der Block weiterbetrieben werden kann. Auch für Second Life ist ETA-Leveling geeignet, weil sich damit gebrauchte Batterien mit unklarem Zustand problemlos in Anwendungen einsetzen lassen, was mit herkömmlichen BMS nicht funktioniert.

Vorteile durch ETA-Leveling ins eigene BMS implementieren

Das ETA-Leveling-Modul für die Entwicklungsumgebung Matlab steht ab sofort bereit und ermöglicht realistische Simulationen, mit denen sich ETA-Leveling umfassend testen lässt. Anschließend kann der Algorithmus direkt in bestehende Entwicklungsprozesse integriert werden.

Weitere Infos unter https://cms-technology.de und https://pem-motion.com.

Über die PEM Motion GmbH:

PEM Motion – DRIVING THE FUTURE – ist ein internationaler Entwicklungs- und Beratungspartner für Batterietechnologie mit Schwerpunkten in den Bereichen Battery Testing & Compliance, BMS Solutions, Training und Operations Support. Als Ausgründung des RWTH Lehrstuhls Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) verbinden wir wissenschaftliche Tiefe mit industrieller Umsetzungskompetenz. Mit fundiertem Fachwissen und einem starken Netzwerk aus Forschung, Produktion und Politik profitieren unsere Kunden von einem erfahrenen Partner, der sie strukturiert, effizient und mit Weitblick zu marktfähigen Lösungen im Bereich Batteriesysteme und Energiespeicher begleitet. Weitere Informationen….

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ETA Flex Pro kommt als Schaltschrank daher: ein 19-Zoll-Rack mit ein paar Einschüben, oben drauf eine Arbeitsplatte, auf der das zu levelnde Batteriemodul platziert wird. Einstecken, Knöpfchen drücken – dann läuft der Vorgang autark ab. Zum Schluss erscheint eine Meldung, wie hoch die Nutzkapazität des Moduls nach Beseitigung der SoC-Schieflage ist. Die im Laufe des bisherigen Batterielebens entstandenen Kapazitätsverluste können beim Leveln nahezu halbiert werden. Die anschließend verfügbare nutzbare Kapazität entspricht dann den Angaben des Zellherstellers – was zeigt, dass die Schieflage aufgrund der Betriebsweise entstanden, also durch Reihenschaltung und BMS bedingt ist. Der Clou an ETA Flex Pro ist, dass der Vorgang eine praxistaugliche Dauer hat und dass es sich um ein automatisiertes Verfahren handelt, sodass die Batteriemodule für die Qualifizierung nicht physisch zerlegt werden müssen. Nach dem Leveln befinden sich die Module im bestmöglichen Ausgangszustand, der sich erreichen lässt, um sie in eine Second-Life-Anwendung einzubringen. Käme im weiteren Betrieb ein BMS mit dem Algorithmus ETA-Leveling zum Einsatz, würden sich neu auftretende SoC-Schieflagen komplett vermeiden lassen. 

Kurz, kürzer, ETA Flex Pro 

Wie lange die Qualifizierung von bestimmten Batteriemodulen tatsächlich dauert, hängt im Wesentlichen davon ab, welches BMS darin verwendet wird, mit welchen Leveling-Widerständen gearbeitet werden kann und wie stark die SoC-Schieflage ausgeprägt ist. Es kann von wenigen Stunden bis zu einigen Tagen dauern. „ETA Flex Pro ist kein Standard-Produkt. Es wird von uns jeweils kundenspezifisch bzw. auf die zu levelnden Batteriemodule ausgelegt. Nur so lässt sich die Qualifizierung in praktikabler Kürze durchführen“, so Frederik Fuchs, Geschäftsführer des ETA-Flex-Pro-Herstellers, der Benning CMS Technology GmbH. Um die Module auf andere Weise zu qualifizieren, müssten sie zerlegt werden, um dann jede Zelle einzeln zu prüfen, zu kalibrieren und zu laden. Das allerdings würde bisher zertifizierte Batterien zu Bastel-Produkten machen – die niemand mehr ernsthaft einsetzen wollte. Und das Balancen mit herkömmlichen BMS würde zwar grundsätzlich funktionieren, aber in der Regel pro Modul wochenlang dauern, also viel zu lange. 

SoC-Schieflage: die Hintergründe 

Etwa die Hälfte der Kapazitätsverluste entstehen bei Verwendung eines Standard-BMS im Laufe der Zeit durch SoC-Schieflagen – und diese Hälfte lässt sich mit ETA Flex Pro durch individuelle Korrekturen beheben. Nach dem Leveln unterscheidet sich die Nutzkapazität der Batteriemodule lediglich noch in dem Ausmaß, das sich aus der unvermeidbaren Degradation der Zellen gemäß Datenblatt ergibt. Anhand der nach dem Leveln vorhandenen Nutzkapazität können die Module sortiert werden: Diejenigen mit jeweils ähnlicher Nutzkapazität werden dann in einer Anwendung betrieben. „Wir haben sogar Kunden, die Batteriemodule aus bereits bestehenden Second-Life-Anwendungen herausholen und erstmals mit ETA Flex Pro leveln, weil sie aufgrund der SoC-Schieflage bereits nach kurzer Zeit in die Knie gegangen sind. Die werden dann nachträglich qualifiziert und gehen anschließend in bestmöglichem Zustand wieder in die Anwendung“, so Fuchs. Der Vorgang sei quasi mit einer Reparatur gleichzusetzen. 

Skalieren mit dem ETA Flex Pro Reiferegal 

Mit dem ETA Flex Pro Reiferegal existiert eine Variante, die den Qualifizierungsprozess parallelisiert. Damit lassen sich mehrere, in einem Regal oder Hochregal gelagerte Batteriemodule parallel mithilfe kleiner Elektronikeinheiten leveln bis ein vordefinierter Zustandskorridor erreicht ist. Nur die abschließende Kapazitätsbestimmung der Module erfolgt dann an einer separaten Hardware. „Auf diese Weise lässt sich mit ETA Flex Pro bei Bedarf ein höherer Durchsatz erreichen, ohne dass sich der Investitionsbedarf gleichermaßen vervielfacht“, erklärt Fuchs. 

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Beta-Tester für einen Stromspeicher? Wo es doch so viele Anbieter am Markt gibt? Michael Rieber hat genau das getan. Er ist Geschäftsführer der iAccess Energy GmbH und Gesellschafter bei der Benning CMS Technology GmbH, von der das Ladeverfahren ETA-Leveling stammt. Hersteller des Speichers, ist die Industrie automation Energiesysteme GmbH. Bei ihm ist nun ein Stromspeicher in Betrieb gegangen, bei dem erstmals das ETA-Leveling in einem Heimspeicher zur Anwendung kommt. Dieser Algorithmus pflegt innerhalb des BMS die Zellen beim Ladevorgang und sorgt dafür, dass sie über die gesamte Lebensdauer nicht vorzeitig altern. Herkömmliche BMS bringen den Stromspeicher über die Ladezyklen hinweg in eine Schieflage, was sich negativ auf die Nutzkapazität auswirkt. Rieber sagt: „Ich habe mich ganz bewusst als Beta-Tester für ein Produkt der eigenen Firma zur Verfügung gestellt, weil ich vom ETA-Speicher vollkommen überzeugt bin.“ Er ergänzt halb augenzwinkernd, halb ernst: „Wenn es Probleme gegeben hätte, wäre ich für meine Kollegen ja der unangenehmste Kunde gewesen, weil ich direkten Durchgriff habe.“ Doch es gibt Entwarnung: Nach der Inbetriebnahme waren nur kleinere Nachjustierungen nötig. Beispielsweise speist der Personenaufzug beim Abwärtsfahren zurück – was für einen Heimspeicher eine eher ungewöhnliche und komplexe Situation darstellt. Rieber dazu: „Das wurde geprüft und angepasst. Ansonsten habe ich vom Speicher eigentlich nichts mitbekommen, weil er von Anfang an tadellos lief.“ 

Drei Tage autark – ohne Sonne

Riebers Neubau ist mit vielen Verbrauchern und energieintensiven Geräten ausgestattet, zum Beispiel einer Wärmepumpe, die den Pool heizt, einer, die das KfW-40-Haus kühlt, dem bereits erwähnten Personenaufzug usw. Dafür ist das Energiesystem mit einer PV-Anlage (20 kW-Peak) bestückt, die den sehr großzügig ausgelegten ETA-Speicher (Kapazität: 64 kWh, Leistung: 50 kW) lädt. Bei einem Neubau muss das Energiesystem ohne Erfahrungswerte zum Verbrauch durchkalkuliert werden. „Das hat ein HLS-Planer übernommen und anschließend habe ich noch 20 Prozent Notstrom-Kapazität oben drauf getan“, erklärt Rieber. „Bei dem durchwachsenen Wetter, das wir in den ersten Betriebswochen hatten, hat sich gezeigt, dass wir mit vollem Speicher drei Tage autark ohne Sonne auskommen.“ 

Wirtschaftlichkeit steigt mit der Lebensdauer 

Bei der Frage, ob sich ein Stromspeicher wirtschaftlich lohnt, spielen viele Faktoren eine Rolle. Zuoberst steht die Rechnung, wie viel die selbst produzierte Kilowattstunde im Vergleich zu einer aus dem Netz bezogenen kostet. Rieber, der nicht nur Unternehmer, sondern auch Ingenieur und Experte für Photovoltaik-Kraftwerke ist, hat kalkuliert, dass sich der Speicher spätestens nach zehn bis zwölf Jahren amortisiert haben wird. Danach wird es wirtschaftlich erst richtig interessant. Denn da die Ausstattung mit ETA-Leveling die Lebensdauer des Speichers deutlich erhöht, rechnet er mit einer Nutzungsdauer von ca. 30 Jahren – dieselbe Zeitspanne, die er für seine Industrie- und Großprojekte ansetzt. „Entscheidend ist die dauerhaft hohe Nutzkapazität und dass wir einzelne, defekte Zellen jederzeit austauschen können“, so Rieber. Und wenn getauscht werden müsse und es den Hersteller der Zellen nicht mehr geben sollte, sei das völlig egal, betont Rieber: „Denn mit ETA-Leveling ist es möglich, jegliche anderen Zellen zu verwenden. Die Ausstattung des BMS mit dem neuartigen Ladeverfahren ist insofern das Merkmal des Speichers, das ihn von anderen gründlich unterscheidet.“ 

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Das Energiesystem steht mit mehr Elektromobilität vor immer höheren Anforderungen. iFEMA beschäftigt sich mit den Zusammenhängen zwischen Verteilnetz, Ladestation und Batterie. Innerhalb des Projektes sollen die notwendigen Daten- und Kommunikationsschnittstellen sowie Energiemanagementstrategien geschaffen werden, um auf dieser Basis ein Energiesystem der Zukunft zu entwickeln, das nachhaltig, effizient und versorgungssicher ist. Frederik Fuchs, Geschäftsführer von Benning CMS Technology, hat dafür der HS Offenburg eine skalierte Batterie ausgeliefert, die selbst zum Einsatz kommt, aber auch als experimentelle Schwester eines digitalen Batteriespeicher-Zwillings dient. Er sagt: „Uns war sofort klar, dass wir iFEMA unterstützen. Denn bei diesem Forschungsprojekt werden sehr praxisorientierte Fragestellungen betrachtet, beispielsweise, wie sich bidirektionales Laden auf die Batterielebensdauer auswirkt. Das ergänzt sich bestens, mit dem, was wir tun: Wir verbessern die Lebensdauer von Batterien, richten dabei aber unseren Fokus auf das Batteriemanagement.“ 

Über das Projekt iFEMA (Integrale Forschung Energie für Elektromobilität – vom Modell zur Anwendung)

Bei iFEMA geht es um die Entwicklung eines nachhaltigen, effizienten und versorgungssicheren Energiesystems für die Elektromobilität. Die Anforderungen aus der Praxis bringen die Unternehmenspartner ENIT Energy IT Systems, Livarsa, Stadtwerke Oberkirch, Elektro Birk, Easy Smart Grid, Schaeffler und Benning CMS Technology ein. Die Ergebnisse sollen künftig in Ladesäulen, Wallboxen oder stationären Speichern eingesetzt werden. Das Projekt wird im Rahmen der Ausschreibung „CZS Transfer – Energiesysteme der Zukunft“ von der Carl-Zeiss-Stiftung seit April 2023 und für insgesamt drei Jahre gefördert. 

Weitere Infos zum Projekt iFEMA…

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Gleicher Hersteller, gleicher Zelltyp, gleiche Zellchemie, gleiche Produktionscharge, identischer Innenwiderstand, Lade- und Gesundheitszustand – das waren bisher die Voraussetzungen dafür, dass Zellen in derselben in Reihe geschalteten Batterie zum Einsatz kommen konnten. Denn nur dann funktionierten diese Batterien. Es wurde und wird also ein massiver Aufwand betrieben, um Zellen zu produzieren, die in all diesen Punkten möglichst ähnlich sind. Bei der Produktion von Lithium-Ionen-Batterie-Zellen (LIB-Zellen) lässt sich, gemäß der „Roadmap Batterie-Produktionsmittel 2030“ des Verbands Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e. V. (VDMA), davon ausgehen, dass mindestens 10 Prozent der Zellen Ausschuss seien, weil sie diesen Anforderungen nicht genügen; und das bei laufender Produktion. Während des Anfahrens einer Produktion könne der Ausschuss sogar bei 30 bis 50 Prozent liegen. Das heißt im Klartext: Zumindest ein Teil dieser neuen Zellen sind für sich allein betrachtet völlig einwandfrei und werden nur deshalb aussortiert, weil sie vielleicht in einem der oben genannten Werte nicht mit ihren Chargen-Geschwistern mithalten können. Angesichts der globalen Nachfrage nach LIB-Zellen im Jahr 2021, die gemäß der VDMA-Roadmap bei 460 bis 500 GWh lag, wird klar, von welchen Dimensionen hier die Rede ist. Der Ausgangspunkt für dieses Problem liegt im Batteriemanagement. Doch zwischenzeitlich gibt es eine Lösung, um auch unterschiedliche Zellen völlig unproblematisch in einer in Reihe geschalteten Batterie zu betreiben.

Unterschiedliche Zellen werden zu ‚Twins in Operation‘

Arbeitet ein Batteriemanagementsystem (BMS) mit dem Algorithmus ETA-Leveling, sind zeit- und kostenaufwendige Maßnahmen für die Produktion möglichst ähnlicher Batterien nicht mehr notwendig. Denn ETA-Leveling sorgt dafür, dass sich Zellen wie Zwillinge verhalten, selbst wenn sie von ihren Eigenschaften her keine sind. Es behandelt die Zellen wie in einer Einzelzellanwendung; dabeistehen – anders als bei herkömmlichen BMS – die individuellen Voraussetzungen der Zellen im Fokus. Deren Berücksichtigung führt zu anderen Schlüssen und anderen Reaktionen als bei herkömmlichen BMS, die rein spannungsbasiert agieren. Denn mit dem Algorithmus von ETA-Leveling lässt sich erkennen, ob ein Spannungsunterschied zwischen einzelnen Zellen aufgrund von Kapazitäts- oder Selbstentladungsunterschieden der einzelnen Zellen entsteht – oder auch aufgrund von Unterschieden des für die Funktionstüchtigkeit des Batterieblocks so wichtigen Wirkungsgrades. Wenn ETA-Leveling auf Basis dieser Informationen über die einzelnen Zellen agiert, also: levelt, werden die Unterschiede der Zellen im laufenden Betrieb automatisch ausgeglichen. Die Zellen verhalten sich in der Anwendung wie Zwillinge – sind also ‚Twins in Operation‘.

Herkömmliche BMS führen zu vorzeitiger Zellalterung

Die zwingende Gleichheit der Zellen ist also für den Betrieb mit herkömmlichen BMS gedacht und dafür unabdingbar. Paradox dabei: Die anfängliche Gleichheit der Zellen wird von den BMS über die Ladezyklen hinweg systematisch zerstört. Das liegt am Balancing, das anstatt des Levelings zum Einsatz kommt. Das Batteriemanagement erfolgt hier ausschließlich auf der Basis der Spannungswerte der Zellen – ohne nach der Ursache zu fragen. So führt das Vorgehen dazu, dass einzelne Zellen falsch behandelt werden und vorschnell altern. Mit dem Alterungsprozess gehen Unterschiede bei der Kapazität und beim Wirkungsgrad der Zellen einher, die sich mit jedem Ladezyklus vergrößern. Die ursprünglich zwillingsgleichen Zellen weichen mehr und mehr voneinander ab und der gesamte Block gerät so sehr in Schieflage, dass die jeweilige Anwendung nicht mehr ausreichend mit Energie versorgt werden kann; die Batterie erreicht ihr End of Life – und zwar vorzeitig. Denn die Verluste durch die erzwungene vorzeitige Alterung sind etwa ebenso groß, wie die normale Degradation der Zelle gemäß Datenblatt, an der sich nichts ändern lässt.

Sind Zellen von Anfang an mit ETA-Leveling in Betrieb, kommen diese Wirkungsgradverluste durch vorzeitige Alterung erst gar nicht zustande. Bereits mit herkömmlichen BMS betriebene Zellen, die vorzeitig gealtert sind, lassen sich durch ETA-Leveling wieder heilen und weiter nutzen. Insofern ist ETA-Leveling die Lösung für den Betrieb ungleicher Zellen – egal ob direkt ab Werk oder in Second-Life-Anwendungen.

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Das Balancing soll Leistung und Lebensdauer von Batterien erhöhen. Herkömmliche BMS greifen dabei spannungsbasiert ein, um Ungleichheiten der einzelnen Zellen des Batteriesystems auszugleichen. Der ideale Zeitpunkt fürs Balancen sind Ruhephasen. Doch stationäre Energiespeicher, die während der Sommermonate im Dauereinsatz sind – sie laden tagsüber und entladen nachts –, kommen in keine Ruhephase; deshalb findet das Balancing in solchen Anwendungen während des Ladens gegen Ende des Ladevorgangs statt. Gibt es jedoch regelmäßig Zeitintervalle, in denen Batterien weder am Ladegerät sind noch Strom entnommen wird, wie beispielsweise in der E-Mobilität, ist das Balancing oft in diesen Phasen vorgesehen.

Wann beginnt die Ruhephase einer Batterie?

Doch bis in allen Zellen sämtliche dynamischen Reaktionen abgeklungen sind, dauert es lange. „Messungen zeigen, dass bis zu 24 Stunden gewartet werden müsste, bis die Zellen wirklich Ruhestrom erreicht haben“, so Frederik Fuchs, Geschäftsführer der Benning CMS Technology GmbH. „Bei E-Autos, die täglich – vielleicht sogar mehrfach – gefahren werden, ist also die Frage, ob sie überhaupt jemals tatsächlich in eine Ruhephase kommen.“ Denn herkömmliche BMS messen nicht, ob Ruhestrom erreicht wurde, sondern legen kurz nach Ladeschluss mit dem Balancen los – was dann nicht den gewünschten Zweck erfüllt.

Fokus auf der Wirkungsgrad-Korrektur

Beim Leveling liegt der Fokus auf Wirkungsgrad-Korrekturen, anstatt auf spannungsbasierten Eingriffen, wie beim Balancen. Denn die Wirkungsgrade einzelner Zellen innerhalb eines Batterieblocks verändern sich im Zeitablauf unterschiedlich stark. Dadurch hervorgerufene geringste Unterschiede der Ladezustände entstehen bereits mit den ersten Ladevorgängen und sorgen so für eine beschleunigte individuelle Zellalterung, die in der Anwendung aber erst sehr viel später spürbar wird. Der springende Punkt ist: Obwohl sich diese Zellen in einer Reihenschaltung befinden, kann ETA-Leveling mit einer Wirkungsgrad-Korrektur jede einzelne Zelle so behandeln, als wäre sie in einer Einzelzellanwendung. Dadurch gewinnt der komplette Batterieblock langfristig immens an Lebensdauer. Der Eingriff dauert jedoch nur wenige Sekunden und findet während des Ladevorgangs statt. Das Warten auf Ruhephasen, wie es bei herkömmlichen BMS notwendig ist, entfällt.

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Der Beitrag Leveln statt balancen, …<br>…weil es dafür keine Batterie-Ruhepause braucht erschien zuerst auf BENNING CMS Technology.

Die industrie automation Energiesysteme (iaE) stellt Ladetechnik für Traktionsanwendungen her und setzt im Batteriemanagementsystem Q-Leveling ein. Zwischenzeitlich ist dieses Batteriemanagementsystem zertifiziert gemäß der Funktionalen Sicherheit (EN ISO 13849). Hauptbeweggrund dafür, das Leveling-Verfahren der BENNING CMS Technology (BCT) anzuwenden, war es, die Lebensdauer der Batterien zu erhöhen und damit in der Folge die Serviceeinsätze zu reduzieren.

„Ein Serviceeinsatz bedeutet Unmut beim Kunden und Aufwand bei uns - beides wollen wir vermeiden und dabei hilft uns das Q-Leveling."

Jürgen KranemannGeschäftsführer iaE

„Ein Serviceeinsatz bedeutet Unmut beim Kunden und Aufwand bei uns - beides wollen wir vermeiden und dabei hilft uns das Q-Leveling."

Jürgen KranemannGeschäftsführer iaE

Das gelingt mit Q-Leveling, weil es ein aktives Verfahren ist, das Zellen unterschiedlicher Kapazität handeln kann. Es stellt dem Batteriemanagementsystem jederzeit die erforderlichen Informationen über die einzelnen Zellen zur Verfügung, um sie pfleglich und gleichzeitig effizient zu behandeln. Die Batterien kommen damit auf einen höheren Energieumsatz, kürzere Ladezeiten und eine längere Lebensdauer. Wer in die Details einsteigen will, bitte hier entlang.

liflex NG Batteriemodule der Firma iaE, ausgestattet mit Q-Leveling.

Funktionale Sicherheit? Vor Fehlfunktionen schützen!

Die Funktionale Sicherheit ist Teil der Gesamtsicherheit eines Systems und soll Mensch und Umwelt vor Fehlfunktionen zu schützen. Im Fachjargon ist die Rede von der sogenannten 2nd Level Protection. Bei einer Batterie bzw. einem Batteriemanagementsystem geht es darum, Risiken abzuschätzen, die von Überspannung, Unterspannung, zu hoher und zu niedriger Temperatur sowie vom Verhalten bei Schock, Vibration und Erschütterungen ausgehen. Dafür werden verschiedene anwendungsbezogene Szenarien nachgestellt. Am Beispiel einer Traktionsbatterie: Was passiert, wenn das Batteriesystem gerade kabelgebunden geladen wird und jemand einsteigt und das Fahrzeug starten will?

„Die Kunst liegt darin, diese anwendungsbezogenen Szenarien zu entwickeln und in Hard- und Software so abzubilden, dass das System anschließend sicher ist und trotzdem weiterläuft. Denn wir wollen ja eine geringe Ausfallrate.“

Jürgen KranemannGeschäftsführer iaE

„Die Kunst liegt darin, diese anwendungsbezogenen Szenarien zu entwickeln und in Hard- und Software so abzubilden, dass das System anschließend sicher ist und trotzdem weiterläuft. Denn wir wollen ja eine geringe Ausfallrate.“

Jürgen KranemannGeschäftsführer iaE

Zertifizierung des Batterie­management­systems

Traktionsbatterien arbeiten in vergleichsweise hohen Spannungsbereichen, sodass eine Zertifizierung des Batteriemanagementsystems gemäß der Funktionalen Sicherheit (EN ISO 13849) notwendig ist.

Eine Zertifizierung sollte bei der Entwicklung von Batterie samt Batteriemanagementsystem frühestmöglich vorgesehen, bestenfalls von Anfang an eingeplant sein. Auch den Zertifizierer frühzeitig in die Entwicklung miteinzubeziehen, ist mehr als sinnvoll. Denn der liefert viele Impulse, um von vornherein sämtliche Anforderungen der funktionalen Sicherheit mitzudenken. Bei Zertifizierungsprojekten hat zudem die Dokumentation eine hervorgehobene Bedeutung.

„Die Dokumentation kann gar nicht früh genug starten. Rückblickend würde ich jedem, der ein solches Projekt in Angriff nimmt, dazu raten, auch zu kleinen Abstimmungen und Gesprächen zumindest wenige Notizen festzuhalten."

Jürgen KranemannGeschäftsführer iaE

„Die Dokumentation kann gar nicht früh genug starten. Rückblickend würde ich jedem, der ein solches Projekt in Angriff nimmt, dazu raten, auch zu kleinen Abstimmungen und Gesprächen zumindest wenige Notizen festzuhalten.“

Jürgen KranemannGeschäftsführer iaE

Q-Leveling und Zertifizierung – Zusammenarbeit am kurzen Draht

Die Zertifizierung von Batterie und Batteriemanagementsystem war ein gemeinsames Projekt von iaE und BCT und baute auf der bereits erfolgten Implementierung des Q-Leveling in iaE-Traktionsbatterien auf. Für die Zertifizierung gab es eine klare Aufgabenteilung bei gleichzeitig enger Zusammenarbeit:

Das Team von iaE kümmerte sich um die Hardware und das BCT-Team war für die Software zuständig. Da Änderungen an der Hard- jeweils direkt Einfluss auf die Software haben können – und anders herum genauso –, war eine kontinuierliche Abstimmung essentiell. Da sowohl iaE als auch BCT in der March bei Freiburg sitzen, war das aufgrund der direkten Nachbarschaft einfach zu bewerkstelligen und hat hervorragend geklappt. Aber auch die beteiligten iaE-Kollegen, die an weiter entfernten Standorten in Deutschland sitzen, waren stets am kurzen Draht und über moderne Tools der Online-Kommunikation bestens vernetzt und ins Projekt eingebunden.

liflex NG Batteriemodule und Ladegerät der Firma iaE, ausgestattet mit Q-Leveling.

„Es war unserem gesamten Team eine große Freude, mit den Kollegen von BCT zusammenzuarbeiten. Das sind gestandene Ingenieure, von deren enormer Erfahrung wir in jeder Hinsicht profitieren konnten. Sie kennen sich hervorragend damit aus, wie Lithium-Zellen und -Systeme behandelt werden wollen.“

Jürgen KranemannGeschäftsführer iaE

„Es war unserem gesamten Team eine große Freude, mit den Kollegen von BCT zusammenzuarbeiten. Das sind gestandene Ingenieure, von deren enormer Erfahrung wir in jeder Hinsicht profitieren konnten. Sie kennen sich hervorragend damit aus, wie Lithium-Zellen und -Systeme behandelt werden wollen.“

Jürgen KranemannGeschäftsführer iaE

Der Beitrag BMS mit Q-Leveling: Funktionale Sicherheit zertifiziert erschien zuerst auf BENNING CMS Technology.

Wie viel der Einsatz dieses Algorithmus bringt, der sich ohne Änderungen an der bestehenden Hardware einsetzen lässt, zeigt ein konkretes Beispiel: Im Batterie-Leveling-Labor der Benning CMS Technology GmbH wurde eine gebrauchte Traktionsbatterie aus der E-Mobilität geprüft: Sie verfügte noch über 80 Prozent ihrer Nutzkapazität, hatte damit also ihr EoL (End of Life) für die Anwendung in einem E-Auto erreicht. Nachdem sie mittels ETA-Leveling reanimiert (kurz: gelevelt) wurde, stehen dieser Batterie schätzungsweise rund 900 zusätzliche Ladezyklen zur Verfügung, bevor die Nutzkapazität erneut auf 80 Prozent sinken wird.

Keine Zelldrift mit ETA-Leveling

Ist ETA-Leveling von vornherein innerhalb eines BMS vorhanden, verhindert es die vorzeitige Alterung einzelner Zellen, unterbindet also die Zelldrift und den dadurch entstehenden Verlust von Nutzkapazität. Bei Batterien, die in der EMobilität zum Einsatz kommen, ist Nutzkapazität gleichzusetzen mit Reichweite. Dieser Reichweitenverlust durch Zelldrift spielt sich zwar im niedrigen einstelligen Prozentbereich ab (bei der untersuchten Batterie betrug er 3,5 Prozent), doch diese kleinen Zahlen können nicht darüber hinwegtäuschen, welch große Auswirkungen die Verluste mit sich bringen – speziell in der EMobilität, wo es um jeden einzelnen Kilometer geht. „Die Verluste an Reichweite und bei der Zahl der Ladezyklen entstehen durch Unzulänglichkeiten des BMS“, so Frederik Fuchs, Geschäftsführer von Benning CMS Technology. „Wir sorgen mit ETA-Leveling dafür, dass bei den gleichen Rahmenbedingungen mehr nutzbare Energie zur Verfügung steht.“ Denn ETA-Leveling lässt sich für Batterieblöcke aller Art verwenden, kann per Lizenz erworben und ins BMS implementiert werden.

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Der Beitrag Kleine Ursache, große Auswirkung: Verlust von Nutzkapazität durch Zelldrift in Batterien erschien zuerst auf BENNING CMS Technology.

Dass völlig beliebig zusammengestellte Zellen keine sinnvolle Second-Life- Anwendung ergeben, ist klar. Dass aber der Beweis erbracht ist, dass sie mit ETA-Leveling ganz einfach in Reihe geschaltet und gelevelt in Betrieb genommen werden können, lässt sich zu Recht als disruptiv bezeichnen. Dieser Vorgang dauert nur wenige Stunden. Anschließend lässt sich die zusammengewürfelte Patchwork-Batterie problemlos und dauerhaft betreiben. Durch eine Wirkungsgrad-Korrektur wird dabei jede einzelne Zelle beim Laden so behandelt, als befinde sie sich in einer Einzel-Zellanwendung. Damit ist widerlegt, was bisher galt – nämlich, dass Zellen innerhalb eines Batterie- Blocks möglichst identisch sein müssen und schon kleinere Unterschiede den Betrieb erschweren oder sogar ganz verhindern.

Recycelt wird nur noch, was wirklich defekt ist

In Anbetracht der großen Mengen aussortierter Batterie-Module, die bei vielen Stromspeicher-Herstellern bereits jetzt auf Halde liegen und in den nächsten Jahren aus dem Rücklauf noch hinzukommen werden, gleicht das einer Revolution. Denn je nach Anwendung, aus der sie stammen, verfügen sie noch über bis zu 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität. Auf ihre IST-Kapazität kommen die Module aufgrund einzelner, vorzeitig gealterter Zellen, die zu einer Schieflage im Block führen und damit den eigentlichen Defekt verursachen. Da also die schwächste Zelle innerhalb eines Moduls dessen Gesamtkapazität bestimmt, sind erfahrungsgemäß die meisten Zellen innerhalb der aussortierten Batterieblöcke in sehr gutem Zustand – bzw. viel zu gut, um sie direkt dem Recycling zuzuführen. Mit ETA-Leveling, das problemlos unterschiedlichste Zellen in Reihe geschaltet betreiben kann, existiert nun erstmals eine einfache Lösung für die Weiterverwendung dieser Zellen. „Bis vor Kurzem hätten wir selbst nicht gedacht, dass es möglich ist, Zellen derart beliebig zusammenzustellen. Mit uns bekannten herkömmlichen BMS ist das bisher nicht möglich“, erklärt Frederik Fuchs, Geschäftsführer von Benning CMS Technology. „Hersteller, Alter, Nominalkapazität, Zellchemie – das ist völlig egal. Wir erkennen beim Leveling auch, welche Zellen von ihren Kapazitäten her einigermaßen sinnvoll zusammenpassen. Die kombinieren wir dann entsprechend – und heraus kommt ein einwandfrei und dauerhaft funktionierender Batterie-Block.“ Damit ergeben sich ungeahnte Möglichkeiten für die Wiederverwendung aussortierter Batterie-Module. Egal, ob die Umwidmung (Repurposing) das Ziel ist oder die Aufbereitung in unterschiedlicher Tiefe (Refurbishment, Reconditioning, Remanufacturing) – alle denkbaren Szenarien vereinfachen sich radikal.

ETA-Leveling kann seit Kurzem per Lizenz erworben werden und lässt sich ohne Hardware-Änderung für Batterie-Blöcke aller Art verwenden.

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Der Beitrag ETA-Leveling macht’s möglich: Second Life mit wildem Mix gebrauchter, in Reihe geschalteter Zellen erschien zuerst auf BENNING CMS Technology.