Glossar

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Batterie

Als Batterie wird ein elektrochemischer Energiespeicher bezeichnet. Der Begriff umfasst sowohl wiederaufladbare Batterien (Akkumulatoren, Akkus), als auch solche, die nicht wiederaufladbar sind. Es existiert eine Vielzahl an chemischen Varianten, wie z.B. Lithium-Ionen-, Lithium-Eisenphosphat-, oder Blei-Batterien. Die Impedanzspektroskopie als Verfahren zur Analyse der Batteriecharakteristika ist unabhängig von der Batteriechemie einsetzbar.

Kapazität

Unter der (Nenn-)Kapazität einer Batterie versteht man die Menge an elektrischer Ladung, die in einer Batterie gespeichert werden kann. Sie wird in Amperestunden oder Wattstunden angegeben. Beide Angaben sind gleichwertig, bei der Angabe in Wattstunden ist die Nennspannung der Batterie einberechnet. Wieviel Kapazität tatsächlich entnommen werden kann, hängt vom Einsatzszenario der Batterie ab.

State of Health (SoH)

Der SoH beschreibt den Gesundheitszustand einer Batterie als das Verhältnis der verbleibenden Kapazität zur ursprünglichen Kapazität der fabrikneuen Batterie. Die Kapazität fabrikneuer Batterien nimmt mit der Zeit unumkehrbar ab, wozu verschiedene Faktoren wie Produktionsqualität, Anzahl und Art der Ladezyklen, Einsatzszenario, sowie kalendarische und sprunghafte Alterungsprozesse beitragen. Der State of Health gibt somit an, wie viel Prozent an Kapazität (im Vergleich zur Nennkapazität) noch verfügbar ist. Dieser Wert kann selbst bei Batterien eines einzigen Typs zwischen den individuellen Batterien deutlich abweichen.

State of Charge (SoC)

Der SoC beschreibt den Ladezustand einer Batterie. Er gibt den prozentualen Wert der verfügbaren Ladung im Vergleich zu einer vollgeladenen Batterie an (SoC 100 % = voll geladen). Da im Inneren der Batterie selbst in Ruhephasen chemische Prozesse ablaufen, ist der Ladezustand abhängig vom Einsatzszenario und kein eindeutiger Wert.

Impedanzspektroskopie

Die Impedanzspektroskopie ist ein Messverfahren, das unter anderem im Bereich der Energiespeicher eingesetzt wird (Elektrochemische Impedanzspektroskopie, EIS). Dabei wird der zu untersuchenden Batterie über einen bestimmten Frequenzbereich (Spektrum) ein definierter Strom entnommen und die Spannungsantwort aufgezeichnet. Aus diesen Daten wird dann der komplexe Wechselstromwiderstand (die Impedanz) berechnet. Diese Impedanz ermöglicht Aussagen über den Ladezustand (SoC), den Gesundheitszustand (SoH) und sogar über die Temperaturen innerhalb der Batterie.

Impedanzspektrum

Das Impedanzspektrum ist eine charakteristische Kurve, die beim Messen des Innenwiderstands der Batterie via Impedanzspektroskopie entsteht. Anhand der Kurve lassen sich beispielsweise der Ladezustand (SoC) und der Gesundheitszustand (SoH) bestimmen. Bei NOVUM werden die Impedanzspektren von neuronalen Netzen ausgewertet, die aus diesen Messwerten kundenspezifische Prognosen zur Nutzung und Lebensdauer erzeugen können.

Ladezustandsreserve

Unter der Ladezustandsreserve (auch Ladezustandspuffer genannt), versteht man die Überkapazität, die bei der Fertigung einer Batterie eingeplant wird, um die verfügbare Leistung der Batterie über ein bestimmten Zeitraum garantieren zu können. Die tatsächliche Kapazität einer Batterie liegt daher oft deutlich (> 20%) über der angegebenen Nennkapazität, da ja der Gesundheitszustand einer Batterie im Laufe der Zeit abnimmt. Je berechenbarer das Verhalten der Batterie jedoch ist, desto geringer können diese Reserven gehalten werden. Durch diese Reduzierung kann ein Batterietyp optimiert oder ein kleineres Batteriemodell mit derselben Kapazität entworfen werden.

Ladephase

Das Aufladen einer Batterie ist kein linearer Vorgang, sondern teilt sich in zwei Phasen. Bei der ersten Phase wird mit Konstantstrom (Constant Current, CC) geladen. Nach dem Erreichen der Ladeschlussspannung wird mit Konstantspannung (Constant Voltage, CV) weitergeladen. Die zweite Ladephase ist erheblich länger als die erste und lässt sich durch Batteriemanagement deutlich verkürzen.

Selbstverstärkungseffekt beim Batterieverschleiß

Im Rahmen der unterschiedlichen Alterungsprozesse steigt der Innenwiderstand der Batterie und ihre nutzbare Kapazität wird geringer. Dadurch erhöht sich die Empfindlichkeit der Batterie gegenüber Strom- und Spannungsmaximalwerten. Dies hat eine höhere Erwärmung zur Folge, die sich wiederum negativ auf den Batteriegesundheitszustand auswirkt – die Batteriealterung wird beschleunigt und setzt den Kreislauf wieder in Gang. Um sprunghaftem Kapazitätsverlust vorzubeugen, werden Batterien daher in der Regel bei 80% ihrer Ursprungskapazität (SoH) ausgetauscht. Präzise Bestimmung des Batteriezustands erlaubt es, diesen Kreislauf durch unterschiedliche Maßnahmen zu bremsen und so die Lebensdauer der Batterie zu erhöhen.

Digital Twin

Unter einem Digital Twin (digitalen Zwilling) verstehen wir ein virtuelles Abbild eines Batteriespeichers, eines Batterie-Moduls oder einer Batterie-Zelle, das durch die Verwendung der Echtzeit-Daten des Originals entsteht und gemeinsam mit ihm altert. Der Zwilling begleitet das Original während seiner gesamten Lebenszeit, lernt stets dazu und wird so dem Original immer ähnlicher. Der Digital Twin kann für eine Vielzahl an Anwendungen genutzt werden, wie z.B. Predictive Maintenance oder Simulation von Nutzungsszenarien.

Predictive Maintenance

Prädiktive Instandhaltung bezeichnet das Vorhersagen unerwünschter Zustände wie Kapazitätsverlust oder Ausfall von Modulen oder Speichern. Diese Prognosen werden mittels neuronaler Netze auf Basis der vorliegenden Daten der Batterien (bzw. des Digital Twins) erstellt. Auf diese Weise wird das Risiko eines ungeplanten Ausfalls deutlich gesenkt, die Wartungskosten werden verringert und die Planung für den Batterietausch in einem Batteriespeicher vereinfacht. Darüber hinaus sind Empfehlungen für die Strukturierung bestehender Speicher möglich.

Machine Learning

Maschinelles Lernen bezeichnet das Gewinnen von neuen Erkenntnissen durch Algorithmen, die anhand von Trainingsdaten in die Lage gebracht werden, relevante Muster in großen Datenmengen zu erkennen. Damit wird nach einer Lernphase das Beurteilen neuer Daten nach demselben Schema möglich. Machine Learning basiert auf der Technologie der neuronalen Netze.

Neuronale Netze

Neuronale Netze können große Datenmengen effizient auswerten und daraus relevante Informationen extrahieren. Bei dieser Art der Informationsverarbeitung werden einzelne künstliche Neuronen (Elemente, die je nach eingehendem Signal nach festgelegten Regeln eine bestimmte Antwort liefern) als Knotenpunkte in einer Netzarchitektur miteinander verbunden, um Strukturen zu schaffen, die in der Lage sind, komplexe Probleme zu lösen. Die Netze passen sich selbst an die zu lösenden Probleme an, können dabei aber auch durch einen menschlichen “Trainer” unterstützt werden.

API-Schnittstelle

Eine Programmschnittstelle (Application Programming Interface) ist eine Schnittstelle, mit der ein Softwaresystem an andere Programme angebunden wird, sodass Daten ausgetauscht werden können.