Batteriesystem mit Schwarmintelligenz Energie aus der Tube

Großbatterien auf Lithiumbasis sind schwer beherrschbar. Fehlende Standards bei Pack-Design, Steckverbindern und Kommunikationsprotokollen erschweren zusätzlich den Umstieg von Bleibatterie- auf Lithiumsystemen. Ein neues Energiespeichersystem mit Schwarmintelligenz soll diese Probleme vermeiden.

Thermische Probleme, hohe Ausfallwahrscheinlichkeiten hinsichtlich Zelldefekten, immer auf Anwendungen zugeschnittenes Pack-Design und hohes Gefahrenpotenzial bei großen Zellanordnungen mit verheerenden Auswirkungen im Ernstfall machen es schwierig, bei Großbatterien auf Lithiumbasis am Ende ein gutes Preis-/Leistungsverhältnis zu erreichen. Mit »EnergyTube« greift Ropa das bewährte 12-Zellen/100-Wh-Prinzip auf und hat dieses um neue Funktionen ergänzt.

Aufbauend auf den erprobten 18650-Zellen ordnet das Unternehmen diese in einem Ring an, ergänzt sie um Magnetsteckverbinder sowie einen DC/DC-Wandler und versieht sie mit einer schützenden Außenhaut (Bild 1). Ziel war es, eine Standardverpackung zu schaffen und eine Größe zu finden, die in vielen Anwendungen zum Einsatz kommen kann. Die Neuerungen liegen besonders in der integrierten Sensorik, in der dafür entwickelten Chiptechnologie und der Software. Durch diese Kombination überwachen sich die EnergyTubes selbst, stellen eine Kommunikation mit Schwarmintelligenz bereit und ermöglichen den organischen, selbstständigen Aufbau eines Stromnetzes. Dazu mehr weiter unten.

Das Design und die Außenform der Batterie sind von Optik und Haptik an bekannte Haushaltsbatterien angelehnt. Die Dimensionen und das Gewicht sind gut greifbar. Die zylindrische Form nutzt das vorhandene Volumen gut aus, und sie lassen sich von Hand, in Automaten und automatisierbaren Transportsystemen aneinanderreihen und stapeln. Der Innenaufbau ist service- und recyclingoptimiert. Der Zellenpack, die Steckverbinder mit integrierter Elektronik und das Gehäuserohr lassen sich einfach zerlegen und austauschen. Durch den Tausch des Gehäuserohres, kann das Design optisch an die Anwendung angepasst werden. Beim inneren Aufbau hat man auf Kabel zur Stromführung verzichtet. Dies reduziert die Gefahr eines Kurzschlusses, und Batterien lassen sich vollautomatisch in Großserie fertigen. Durch das ringförmige Anordnen der Zellen vom Typ 18650 entstehen gleiche klimatische Bedingungen, wodurch sich die Leistungsfähigkeit und Alterung der Zellen innerhalb einer EnergyTube nur im Störfall unterscheiden. Der revolverartige Isolator, in dem die Zellen stecken, soll für eine robuste, gut isolierte, vibrationssichere Verpackung der Zellen sorgen.

Aufgrund der modularen Skalierbarkeit lassen sich EnergyTubes mit unterschiedlicher Leistungsfähigkeit, Alterung, Temperatur, Lage und Zellchemien uneingeschränkt kombinieren. Die Systemfähigkeit ermöglicht es, beliebig große Speichernetze mit freier Bauraumgestaltung unabhängig von der Betriebsspannung der Anwendung zu realisieren. Die Kapazitätsgrenze einer einzelnen Tube hat Ropa so gewählt, dass sie nicht als Gefahrgut eingestuft wird. Dies gilt auch im vernetzten Zustand, da die Leistungsspannung erst zugeschaltet wird, nachdem die Selbstdiagnose diese freigegeben hat.

Die dreipoligen Magnetstecker an beiden Enden der EnergyTube erfüllen neben einer 12-V-Hilfsspannung die Funktion der schaltbaren Leistungskontakte, die bis zu 60 A dauernd leiten können. Zum Lösen der Magnetstecker reicht eine leichte Knickbewegung aus. Die Kommunikation erfolgt über NFC (Near Field Communication). Durch dieses Funkkonzept werden die Übertragung von Messdaten – das Element beschreibende Eigenschaften, Steuer- und Regelwerte sowie Identifikations- und Kommunikationsdaten – auch ohne Leistungskontaktierung zwischen den Steckverbindern sichergestellt. Wie aber regelt sich ein solches System?

Regelung wie bei einem Stromnetz

Um Kraftwerke besser ausnutzen zu können, wurden seit dem Jahr 1895 Stromnetze zu einem Verbund zusammengeschaltet. So entstand schließlich das europäische Verbundnetz, das 230 V Wechselspannung bei 50 Hz für Haushalte mit einheitlichen Steckverbindern kombiniert. Erst so konnte man ein Netzwerk erstellen, das Erzeuger und Verbraucher europaweit optimal verbindet.

Die wichtigste Regel in einem solchen Stromnetz lautet: Die eingespeiste Leistung muss stets exakt der entnommenen Leistung entsprechen. Im europäischen Verbundnetz regelt dies über mehrere Ebenen hinweg der große »Stromverteilungsplan«. Es stellt sich die Frage: Wer erzeugt in Europa Leistung und wo wird diese benötigt? Geklärt werden muss, welche Hochspannungstrassen mit welcher Leistung wo benötigt werden. Dies ist natürlich auch immer mit der zeitlichen Problematik im System verbunden, da zum Beispiel in fast ganz Deutschland um 12 Uhr elektrisch gekocht wird. Dafür gibt es die großen Leitwarten, die den täglichen Betrieb sicherstellen und alle 15 Minuten entscheiden müssen, wie viel Leistung wer liefert. Dies wird in Abhängigkeit von Prognosen geregelt, die für den Tag erstellt wurden.

Am unteren und nicht zu verachtenden Ende stehen dann noch drei Ebenen von Regelenergiespeichern wie etwa Pumpspeicherwerke und Speicherbatterien, die kurzzeitig einspringen müssen, falls das System aus dem Gleichgewicht gerät. Damit man hier für die Primärregelung in ganz Europa schnell reagieren kann, wird hier die Frequenz von 50 Hz etwas angehoben oder abgesenkt. Ist die Frequenz unter 50 Hz, haben wir einen zu hohen Verbrauch im Netz, und die Speicher müssen zusätzliche Energie ins Netz einspeisen. Bei einer Frequenz über 50 Hz wird zu viel Energie produziert, und wir müssen mit Hilfe von Primärreglern in kurzer Zeit Strom entnehmen beziehungsweise im Extremfall Solaranlagen und Windräder ihre Produktion kurzfristig einstellen.

Genau diese Verhaltensweisen lassen sich in einem steckbaren System mit den EnergyTubes nachbilden und zu einer Plug-&-Play-Lösung vorantreiben. Nach einem Zusammenstecken ist ein virtueller »Stromverteilungsplan« zu erstellen. Zur Kontrolle muss das Netz selbst aufzeigen können, ob eine angeforderte Leistung beziehungsweise eine eingebrachte Leistung mit den zusammengesteckten Komponenten möglich ist. Dabei ist Vorsicht geboten, denn bei EnergyTube und seinem Netzwerk handelt es sich um eine beliebige Anzahl dieser Komponenten. Es muss also intensiv mit allen Energienetzteilnehmern kommuniziert werden. Am Ende kristallisiert sich das gleiche Problem wie im europäischen Verbundnetz heraus, sodass man auf unerwartete Ereignisse schnell reagieren muss. Durch Plug-&-Play können schnell ein paar Energieerzeuger im Betrieb wegbrechen, wodurch das Netz trotzdem nicht gefährdet werden sollte.

Zum schnellen Regeln im Gleichstromnetz eignet sich naturgemäß nicht die Netzfrequenz, sondern die Nominalspannung. Liegt diese unter der Nominalspannung einer EnergyTube von 48 V, besteht eine Unterversorgung, die durch zusätzliche »Kraftwerke« stabilisiert werden muss; liegt sie über 48 V, besteht eine Überversorgung, und »Kraftwerke« können zurückgeregelt werden. Damit verschwindet das klassische Ladegerät im Netz und wird ersetzt durch ein UI-Netzteil (Bild 2), das von der Spannung höher als 48 V, beispielsweise auf 50 V, eingestellt wird und eine Strom- oder Leistungsbegrenzung hat. Sind alle Batterien im Schwarm geladen, wird die Spannung im Netz von 48 V auf diese 50 V steigen. Hierdurch wird das spannungsgeregelte Netzteil seinen Strom bis auf null zurückregeln. Beliebige Netzteile, Solarzellen und andere Generatoren können unter Berücksichtigung der möglichen maximalen Stromflüsse durch die Steckverbinder zu einem Stromnetz zusammengeschalten werden. Jede EnergyTube sich kann also selbstständig im Verbund regeln, Energie aus dem Netz entnehmen und dort einspeisen.

Drei Netzwerke sind nötig, um den Schwarm zu bilden: das eigentliche Stromnetz, ein Kommunikationsnetz und ein Hilfsenergienetz, das eine Kommunikation in der Startphase erlaubt, bevor hohe Ströme über das Energienetz fließen. Alle drei Netze beginnen und enden am Steckverbinder als gemeinsamer Trennstelle. Üblicherweise bildet sich ein Stromnetz als ein Mix aus Bus, Stern und auch Ring aus. In der Datentechnik wird dies als Mesh bezeichnet und ist so bei Funknetzen schon bekannt. Ein Teilnehmer in einem solchen Datennetz redet mit seinen jeweiligen Nachbarn und reicht Daten durch die Teilnehmer im Netz hindurch. Somit bringt jeder Teilnehmer etwas Netzwerkhardware mit, um als eine kleine Einheit aus Router, Switch und je nach Anwendung als Gateway in andere Netzwerke zu dienen. Die Grundlagen der Kommunikation sowie das daraus entstandene Protokoll und den Steckverbinder hat der Verein EnergyBus vorangetrieben.

Bisher lösten der EnergyBus und die Batterien in Modulbauweise das Energiemanagement durch einen zentralen Manager oder Master im System und trafen an zentraler Stelle Entscheidungen für alle im Energienetz befindlichen Teilnehmer. Dieses Netzwerkkonzept passt nicht zu den Ideen von Anordnung und Betrieb in unbegrenzter Größe mit Schwarmintelligenz.

Batterien »sprechen« miteinander

Wie lässt sich die Kommunikation in Netzen von einer bis zu 100 000 EnergyTubes für die einzelnen Komponenten einigermaßen konstant halten? Die Lösung: Die einzelne Batterie kommuniziert hauptsächlich nur mit dem direkten Nachbarn und spricht von Steckverbinder zu Steckverbinder über die dortigen Anforderungen und Möglichkeiten (Bild 3).

Jeder Steckverbinder im EnergyTube-Verbund kommuniziert. Unsere heutige Haushaltssteckdose teilt durch ihre Steckerform zum Beispiel auch mit, dass hier wahrscheinlich 230 V mit 16 A zur Verfügung stehen. Sie erzählt aber leider nicht, ob an dieser Leitung schon zwei Kaffeemaschinen mit je 2 kW am Leistungslimit arbeiten. Trotzdem kann ein Laie einen Verbraucher anstecken, da diese Fehlplanung sinnvoll im Verteilerkasten abgesichert ist. Der wesentliche Unterschied bei EnergyTube ist, dass nun »Stecker« und »Steckdose« miteinander reden. Was will zum Beispiel die Kaffeemaschine auf der einen Seite, und was bietet das Stromnetz auf der anderen Seite? Die Steckdose muss ihre Geschichte nicht bis zum Kraftwerk erzählen, sondern es reicht, die Summe der Information am Steckverbinder vorliegen zu haben – beispielsweise Spannung konstant 230 V, Strom maximal 16 A, unendlich Energie kann entnommen werden, keine Energie darf eingespeist werden und das den ganzen Tag lang.

Genau diesen Weg schlägt die EnergyTube ein. Wenn man am rechten Stecker einer Batterie wissen will, wieviel gespeicherte Energie im Schwarm zur Verfügung steht, bekommt man die Summe aus der Information vom linken Steckverbinder und den daran angeschlossenen Partnern und dem Energieinhalt der eingebauten Batterie. Es ist somit nicht nötig, mit allen Batterien zu reden, und es ist egal, ob das Gegenüber überhaupt eine Batterie ist oder gar ein Kraftwerk. Gleiches gilt für einen Verbraucher. Ein Verbraucher fordert Energie an, und die am nächsten angeschlossene Batterie kann selbst entscheiden, ob sie das Problem alleine lösen kann oder hierzu noch weitere Nachbarbatterien benötigt. In der Kommunikation wird sie von der angeforderten Energiemenge das abziehen, was sie selbst leistet und die restliche Anforderung an ihre Nachbarn weitergeben.

Ein Schwarm bedeutet hier natürlich auch, organische Strukturen mit Sozialverhalten aufzubauen. Zum einem kann jede EnergyTube mit dem eingebauten DC/DC-Wandler (200 W bis 500 W) ihre Grenzen selbst einstellen. Damit lassen sich starke, schwache, alte und junge dieser »intelligenten« Batterien beliebig kombinieren und exakt an ihren Leistungsgrenzen betreiben, ohne sie dabei zu überfordern. Durch das Ermitteln einer durchschnittlichen Schwarmtemperatur können EnergyTubes selbstständig ihre Temperatur im Netz ermitteln und entscheiden, ob es sinnvoll ist, mehr oder weniger Leistung abzugeben. Durch ein leichtes Verschieben der Nennspannung wird es möglich, Prioritäten beim Laden und Entladen zu setzen. Hiermit ist es möglich, in einem großen Speicher ausgewählte Bereiche nacheinander zu laden und zu entladen und somit in Batteriewechselsystemen nur leere Batterien zu tauschen und keine gesamten Blöcke.

Thermisches Durchgehen im Zaum halten

Das thermische Durchgehen (Thermal Runaway) von Batteriezellen gehört zum typischen Fehlerfall, den man mit einkalkulieren muss. Das gilt für alle Chemien und alle Zellenarten. Fehler in der gesamten Produktionskette können auch nach Jahren eine thermische Reaktion auslösen. Je mehr Energie in einer Zelle gespeichert ist und je mehr in einem Gehäuse als Pack zusammengeschaltet sind, desto höher ist das Risiko, die Fehlersituation nicht in Griff zu bekommen. Mit EnergyTube lässt sich ein thermisches Durchgehen als isoliertes, kleines Ereignis mit möglichst wenig Rauch und ein wenig Erhitzung schnell zum Abklingen bringen. In einem Fahrzeug, das einen Unfall hat, kann der EnergyTube-Verbund elektrisch und mechanisch in einzelne Tuben zerfallen, ohne dass die Zellen im Innern der Tuben beschädigt werden. Das ist mechanisch durch viele kleine Einheiten mit kleinem Bauraum deutlich einfacher zu realisieren als in einem großen, zusammenhängenden Batteriepack.

Heutige modulare Batterien mit zentralem Batteriemanagement werden nach der Umverpackung und Zusammenschaltung zu einem neuen Batteriepack, der nach UN-Prüfhandbuch Teil III, Punkt 38.3 (Lithiumbatterien) jeweils getestet werden muss. Für Anwendung mit geringem Absatz und Kleinserien wird die Investition in diesen Test zur finanziellen Hürde. Weiterhin zu beachten, ist der ständige Fortschritt: Will oder muss man die Zellchemie oder den Zellenhersteller wechseln, muss die Prüfung jeweils erneut durchlaufen werden. Mit EnergyTube als abgeschlossene, eigenständige und nach UN38.3 und BATSO geprüfte Batterieeinheit kann man auf weitere Batterie-Sicherheitstests bei der Integration verzichten.

Über den Autor:

Johannes Dörndorfer ist Entwicklungsleiter und geschäftsführender Gesellschafter von ropa Engineering.

»EnergyTubes« wie Bierkästen tauschen

Durch die eindeutige Identifizierung, Restwertberechnung und zentrales Management sind Miet- und Tausch­systeme möglich.

In Supermärkten, an Automaten in Innenstädten, an Windkraftanlagen oder auch an klassischen Tankstellen können Wechselstationen entstehen, die einen manuellen und vollautomatischen Batteriewechsel zulassen.

Vollautomatisches Tauschen beziehungsweise »Betanken« von EnergyTubes mit Methoden aus der Getränkeindustrie, der Automatisierungstechnik, der Kleinteilelagerung und Rohrpostsystemen ist ebenfalls denkbar.

Anwendungsbereiche für die »EnergyTube« 

Elektrische Mobilität muss in wenigen Minuten »tanken« können. Nur dann ist sie mit dem Verbrennungsmotor vergleichbar und konkurrenzfähig. Mit EnergyTube eröffnet sich die Möglichkeit, beliebige Energiemengen in unterschiedlichen geometrischen Anordnungen in elektrischen Mobilitätsanwendungen vom Pedelec bis zum Lkw zu integrieren und wechselbar zu machen. Auch im Bereich von Flurförderzeugen wie Elektrostaplern spielt der schnelle Batteriewechsel eine wichtige Rolle, besonders im Dreischichtbetrieb. Weitere Beispiele dafür sind Notstromversorgung, Notbeleuchtung und elektrische Werkzeuge. Für Gewerbetreibende ist ein Transport von Batterien größer 100 Wh ein Gefahrguttransport Klasse 9. Ersatzbatterien von A nach B zu bringen, ist eine logistische Herausforderung, die bei Flugtransport die nächste schwierige Hürde hat und nach einer Beschädigung der Batterie fast zu einer unlösbaren Herausforderung wird. Anwendungen wie elektrische Rollstühle, mobile medizinische Hilfsmittel etc. müssen aber während eines Fluges auch mit Batterien transportierbar sein. Somit bedarf es in diesen Bereichen neuer Ansätze zur Energieversorgung. Mit EnergyTube vereinfacht man die Herausforderung solcher Transporte auf das Gefahrenniveau eines Notebook-Akkus. Geringe Stückzahlen dürfen bekanntlich in der Kabine transportiert werden, größere Mengen als Gepäck. Beim Versand als Päckchen muss ein Hinweis auf das Paket, dass hier Lithium-Batterien verpackt sind. Weitere Maßnahmen für Gefahrstofftransporte sind mit EnergyTubes nicht notwendig.

Das Lebensende von Batteriesystemen für Solarspeicher, Notversorgung von Flughäfen, Krankenhäuser und Rechenzentren ist immer schwer vorherzusehen. In kritischen Anwendungen werden daher vorsorglich, z.B. alle zwei Jahre, die Batterien getauscht, obwohl diese typischerweise für bis zu zehn Jahre ausgelegt sind. Grund ist, dass es neben den zu erwartenden möglichen Ladezyklen häufig zum frühzeitigen Ausfall einzelner Zellen kommt, die das System letztlich komplett lahmlegen. Mit EnergyTube können Anwender solche Anlagen ressourcenschonend durch Tauschen einzelner defekter Tubes exakter kalkulieren, die jeweils bis ans Zellen-Lebensende betrieben werden. Hier kann man dann mit den tatsächlichen Zyklen, der kalendarischen Lebenserwartung und der statistischen Ausfallserfahrungen von Zellen rechnen.

Eigenversorgung und Inselkraftwerke sind für viele Gebiete, z.B. in Afrika, ein großes Thema. Auch hier kann EnergyTube als Speichertechnologie mit Schwarmintelligenz als Stromnetzwerk Plug-&-Play Lösungen bieten. 

Wichtige Eckdaten der »EnergyTube«   

■ Nennspannung: 48 V (maximal <60 V) 

■ Nennenergie: 100 Wh

■ Durchmesser: 70 mm

■ Länge: 180 mm

■ Gewicht: 800 g

■ Leistung: 200 W (dauernd), 2400 W (Peak, abhängig von den verwendeten Zellen)