Tage längere Lebensdauer

NEXT LEVEL:
Lithium-Batteriesysteme mit deutlich längerer Lebensdauer

BMS mit Q-Leveling

Mit zunehmender Zyklisierung eines Batteriesystems unterliegt jede Zelle einem individuellen alterungsbedingten Kapazitätsverlust. Die so entstehenden Unterschiede zwischen den Zellen nehmen gewöhnlich mit der Zeit stark zu.

Bei einem BMS mit Q-Leveling erfolgt die Beurteilung des Systems nicht ausschließlich über Erkenntnisse aus den Spannungsverläufen der Zellen während des Ladens. Es nutzt zusätzlich eine individuelle dynamische „Kapazitätsmatrix“ mit Informationen über geringste Kapazitätsunterschiede zwischen den Zellen.

Anhand ausgefeilter Mess- und Steuerungsalgorithmen ist das Q-Leveling so in die Lage, die individuellen Ladezustände und alterungsbedingten Kapazitätsveränderungen aller einzelnen Zellen zu erkennen.

Über einen von den Lade- / Entladeströmen unabhängig regelbaren, sekundären Stromkreis kann jede einzelne Zelle fortwährend mit einem zusätzlichen, individuellen Strom beaufschlagt werden.
Die bisher bestehende Abhängigkeit, dass innerhalb einer Reihenschaltung allen Zellen immer der identische Strom aufgezwungen wird, ist durch das Q-Leveling aufgehoben – damit wird die Problematik, dass die schwächste Zelle in einer Reihenschaltung die Performance des Gesamtsystems bestimmt, gelöst.

Die im Verlauf eines Batterielebens innerhalb einer Reihenschaltung entstehende alterungsbedingte unterschiedliche Entwicklung der Zellkapazitäten durch das Q-Leveling wird verlangsamt und die negativen Auswirkungen können kompensiert werden.

allen Zellen kann ein individueller Lade- oder Entladestrom zugeteilt werden
die schwächste Zelle bestimmt nicht mehr die Performance des gesamten Batteriesystems
alterungsbedingte divergente Entwicklung der Zellkapazitäten wird verlangsamt
alterungsbedingte Auswirkungen können weitgehend kompensiert werden

Herausforderung

Technologie & Lösung

Anhand ausgefeilter Mess- und Steuerungsalgorithmen ist das Q-Leveling in der Lage, die individuellen Ladezustände und alterungsbedingten Kapazitätsveränderungen aller einzelnen Zellen zu erkennen.

Ergebnis: längere Lebensdauer

Die bisher bestehende Abhängigkeit, dass innerhalb einer Reihenschaltung allen Zellen immer der identische Strom aufgezwungen wird, ist durch das Q-Leveling aufgehoben – damit wird die Problematik, dass die schwächste Zelle in einer Reihenschaltung die Performance des Gesamtsystems bestimmt, gelöst.

Vorteile eines BMS mit Q-Leveling:

Längere Lebensdauer der Batterien
Größere Streuung der Zellvarianz innerhalb eines Systems möglich
Mehr Energieumsatz innerhalb eines Systems über die Lebensdauer
Zellen werden geschont, dadurch geringere Alterung der einzelnen Zellen
Jederzeit Informationen über jede einzelne Zelle
Defekte Zellen können ohne Einschränkungen jederzeit ersetzt werden
Kostenreduktion durch verlässliche Planung der Lebensdauer (ROI)
Kostenreduktion durch weniger Service/geringeren Wartungsaufwand
Kürzere Ladezeiten
Gleichmäßigere Alterung der Einzelzellen in einem System
Alterungsmechanismen aufgrund hoher Zellspannungen werden verhindert

Ideal geeignet für:

Vorteile beim Betrieb des Batteriesystems

Der SoC aller Zellen bleibt, gemessen an der jeweiligen vorhandenen Zellen-Nutzkapazität, nahezu identisch. Der Ladezustand der Zellen entspricht jederzeit dem Ladezustand der gesamten Batterie (Zell-SoC = Block-SoC) (vgl. B und C).
Der Entladevorgang endet erst, wenn alle Zellen vollständig entladen sind. Es kann somit mehr nutzbare Energie aus der Batterie entnommen werden (vgl. A).
Die schwächste Zelle bestimmt nicht mehr die Nutzkapazität aller Zellen innerhalb der Batterie.
Der Ladevorgang endet erst, wenn alle Zellen vollständig geladen sind. Es steht somit mehr nutzbare Energie zur Verfügung (vgl. D).
Alle Zellen erreichen nahezu gleichzeitig ihren vollen Ladezustand.

Wissenschaftliche Studie

Die wissenschaftliche Untersuchung des Q-Leveling Verfahrens erfolgte durch die Hochschule Offenburg. Gegenstand der Untersuchung war die Analyse des Verfahrens und dessen Funktionsweise.

Ablauf und Verifizierung der Untersuchung

In einem Testaufbau wurde ein Batteriesystem einem viertägigen Monitoring unterzogen. Dabei wurde es mehreren dynamischen und Abuse-Szenarien ausgesetzt, während an verschiedenen Messpunkten Spannungen, Ströme und Leistungen aufgezeichnet wurden.

15 Zellen mit unterschiedlicher, individueller Zellkapazität wurden in einer Reihenschaltung mit Q-Leveling betrieben. Die maximale Kapazitätsdifferenz zwischen den einzelnen Zellen, innerhalb des Batterieblocks, betrug 96% (vgl. Tabelle).

Im Anschluss wurden alle Zellen des Batteriesystems unter Laborbedingungen charakterisiert, um insbesondere die,durch das Q-Leveling durchgeführte, Kapazitätsmessung der einzelnen Zellen zu verifizieren.

SoC-Verlauf des gesamten Batteriesystems

Trotz der großen Kapazitätsunterschiede innerhalb des Batteriesystems, entwickeln sich die Ladezustände (SoC) der einzelnen Zellen nahezu identisch.

Der SoC jeder einzelnen Zelle entspricht zu jedem Zeitpunkt dem SoC des Gesamtsystems.

Ladezustandsentwicklung aller Zellen

individuelle Ladeströme je Zelle

nahezu identischer SoC

individuelle Ladeströme je Zelle

nahezu identischer SoC

Detaillierter Blick

Damit alle Zellen immer den gleichen SoC aufweisen, muss während des Be- und Entladens jede Zelle mit einem individuellen zusätzlichen Ladestrom „beaufschlagt“ werden.

Hierdurch wird erreicht, dass sich trotz unterschiedlicher Zellkapazitäten der SoC der einzelnen Zellen (bezogen auf ihre eigene individuelle Kapazität) nahezu identisch entwickelt.

Detaillierter Verlauf des Entladezustands

Am Beispiel dreier exemplarischer Zellen aus dem überwachten Batteriesystem.

• Bei gleichbleibendem Entladestrom in der Reihenschaltung entladen die Zellen mit unterschiedlichen individuellen Ladeströmen
• Trotz unterschiedlicher Zellkapazität entwickelt sich der SoC der einzelnen Zellen nahezu identisch

Entladung mit individuellen Strömen

nahezu identische SoC-Entwicklung

Anmerkung: CMS = ursprüngliche Verfahrensbezeichnung. Heute: Q-Leveling

Zusammenfassung der festgestellten Fakten

Zellen verschiedener Hersteller kombinierbar

Das Verfahren ist in der Lage seriell verschaltete Lithium-Ionen-Batteriezellen unterschiedlicher Hersteller mit einer Kapazitätsstreuung von nahezu 100% erfolgreich in dynamischen Lastprofilen zu betreiben.

Nahezu gleicher Ladezustand (SoC) aller Zellen

Zusätzlich zu dem Strom des primären Stromkreises erhält jede Zelle einen individuellen dynamischen Lade- bzw. Entladestrom aus einem sekundären Stromkreis. Damit behalten alle Zellen trotz der großen Kapazitätsstreuung zu jedem Zeitpunkt einen näherungsweise gleichen Ladezustand (SoC).

Umfassende Kommunikations- und Datenlage

Das Verfahren ist in der Lage, relevante Informationen über den aktuellen Ladungsinhalt, die Gesamtkapazität, den aktuellen SoC, die Temperatur, die Spannung und den Lade-/Entladestrom jederzeit zur Verfügung zu stellen.

Möglichkeiten der Zusammenarbeit

Es gibt mehrere Wege, wie auch Sie die von uns entwickelten Verfahren nutzen können. Zum Beispiel als:

Nutzung in Lizenz

Wenn Sie auf Ihre eigenen Entwicklungsressourcen zurückgreifen möchten, dann können wir Ihnen während der Entwicklungsphase beratend zur Seite stehen. Entweder nur punktuell während einzelner Phasen der Implementierung des Verfahrens oder über den gesamten Entwicklungszeitraum in regelmäßigen Workshops. Die Nutzung der verfahrensbezogenen Algorithmen wird dann auf Grundlage eines Lizenzvertrages erfolgen.

Kontakt

Retrofit / Second Life

Batteriesysteme, die aufgrund einer zu großen Schieflage im Zellverbund nicht mehr nutzbar sind, können mit einem nachträglich installierten Q-Leveling Verfahren wieder reaktiviert werden.

Kontakt

Entwicklungsauftrag

Möchten Sie die Entwicklung des Batteriemanagementsystems an uns übergeben? Dann können wir Ihnen ein Angebot zur Entwicklung eines maßgeschneiderten BMS inklusive Q-Leveling erstellen.
Von der Erstellung des Konzeptes über die Entwicklung der Elektronikbauteile bis zur Zertifizierung des fertigen Produktes übernehmen wir alle Aufgaben für Sie, beispielsweise auch hinsichtlich der Funktionalen Sicherheit.
Auf Wunsch kümmern wir uns anschließend auch um die Serienproduktion der Elektronik. In diesem Fall kann eine Nutzungslizenz des Verfahrens bereits in den Preis der Hardware einkalkuliert werden.

Kontakt

Sie möchten Ihre eigenen Ideen verwirklichen

Haben Sie eigene Ideen, wie Sie vom Potenzial unserer Verfahren profitieren könnten? Dann lassen Sie es uns wissen, unabhängig davon, ob Sie ein komplett neues Produkt entwickeln oder sich die Exklusivrechte für den Einsatz in einer bestimmten Branche sichern möchten.

Kontakt

Nutzung in Lizenz

Entwicklungsauftrag

Möchten Sie die Entwicklung des Batteriemanagementsystems an uns übergeben? Dann können wir Ihnen ein Angebot zur Entwicklung eines maßgeschneiderten BMS inklusive η-Leveling erstellen. Von der Erstellung des Konzeptes über die Entwicklung der Elektronikbauteile bis zur Zertifizierung des fertigen Produktes übernehmen wir alle Aufgaben für Sie, beispielsweise auch hinsichtlich der Funktionalen Sicherheit.

Auf Wunsch kümmern wir uns anschließend auch um die Serienproduktion der Elektronik. In diesem Fall kann eine Nutzungslizenz des Verfahrens bereits in den Preis der Hardware einkalkuliert werden.

Retrofit / Second Life

Batteriesysteme, die aufgrund einer zu großen Schieflage im Zellverbund nicht mehr nutzbar sind, können mit einem nachträglich installierten Q-Leveling Verfahren wieder reaktiviert werden.

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Viele Wege - ein Ziel

Wie Sie sehen, gibt es viele Wege, wie wir gemeinsam Ihre Ziele erreichen können. Allen ist jedoch eins gemeinsam: Durch den bestehenden Patentschutz können Sie sich in jedem Fall einen exklusiven Vorteil und technologischen Vorsprung gegenüber Ihren Mitbewerbern sichern, den Ihnen so schnell niemand nehmen kann.

Frederik Fuchs

Geschäftsführer BENNING CMS Technology

Frederik Fuchs

Geschäftsführer BENNING CMS Technology

BENNING CMS Technology GmbH

BENNING CMS Technology GmbH wurde im Jahr 2017 gegründet und ist ein Unternehmen, das sich auf die Neuentwicklung von Batterie-Management-Systemen (BMS) und deren technische Umsetzung für Lithium-Batteriesysteme spezialisiert hat.

Inzwischen haben wir zwei revolutionäre Verfahren zum schonenderen, effizienteren und wirtschaftlicheren Betrieb von Lithium-Batteriesystemen patentiert. Für weitere Ideen sind die Anträge auf Patenterteilung gestellt.