Messungen für ein langes Batterieleben

Ein Blick ins Batterielabor

Was muss eine Batterie in einem Zug leisten der 30 Jahre Dienst tut? Die Frage nach der Lebensdauer war die wohl wichtigste für die Entwickler eines Batteriezugs. Denn je besser sie das Verhalten der Batterie kennen, desto mehr können sie aus ihr herausholen. Die Messungen machte das Batterielabor.

„Denken Sie sich ein Dreieck aus Lebensdauer, Leistung und Gewicht. Man will das Dreieck optimieren, aber wenn man an der einen Ecke zieht, verändert sich das andere Ende zum Schlechteren.“ So beschreibt Andreas Meyer die Entwicklung des Batteriesystems für die neuen Batteriezüge von Siemens Mobility. Meyer ist dort Gruppenleiter im Engineering für die Lithium-Ionen-Batterie-Technologie. „Je mehr wir über die Lebensdauer und das elektrische und thermische Verhalten der Batterie wissen, desto besser können wir dieses Dreieck austarieren. Am wichtigsten ist aktuell die Lebensdauer.“ Den Beweis werden die Batterien in den 20 Mireo Plus B Zügen antreten, die ab Dezember 2023 in Baden Württemberg fahren werden. Bereits im Fahrgasteinsatz ist Siemens Mobility in einem Gemeinschaftsprojekt mit der ÖBB mit dem Zug Desiro ML ÖBB Cityjet eco. Das Projekt hat im September 2019 in Österreich die erste Zulassung überhaupt in Europa erhalten.

Emissionsfrei auf nichtelektrifizierten Nebenstrecken

Batteriezüge sind ein Schlüssel für die Verkehrswende bei der Bahn. In vielen Ländern sind erhebliche Teile des Bahnstreckennetzes nicht elektrifiziert, also ohne Oberleitung. In Deutschland zum Beispiel gilt das für 40 Prozent der Trassen, meist Nebenstrecken im Regionalverkehr. Dort sind Dieseltriebwagen unterwegs, aber die Bahn will hin zu Antrieben ohne Luftverschmutzung, Lärm und vor allem ohne CO2-Ausstoß. Batteriezüge bieten sich vor allem an, wenn der Zug auf Teilen der Strecke an eine Oberleitung andocken kann. Auch im Bahnhof lädt der Zug nach. Und jeder Bremsvorgang liefert zurückgewonnene Bewegungsenergie in den Stromspeicher.

Im Batteriesystem steckt viel Entwicklungsarbeit

Das Batteriemodul des Zugs besteht aus vielen einzelnen Hochleistungs-Batteriezellen.  Siemens Mobility hat diese in enger Zusammenarbeit mit Batterieherstellern optimal ausgelegt. Eng war auch die Kooperation mit dem Batterielabor der Siemens Technology, betont Meyer: „Dank deren Messungen konnten wir die benötigte Batterieenergie pro Strecke signifikant verringern. Weil die Batterie die teuerste Traktionskomponente im Zug ist, wirkt sich das direkt auf den Gesamtfahrzeugpreis aus.“

Das Labor unterstützt mit seinem über Jahrzehnte aufgebauten Wissen alle Siemens-Geschäftseinheiten, die Batterien in ihren Produkten einsetzen oder dieses planen. Für den Zug untersuchte es die in Betracht gezogenen Zellen. Eine Zelle ist etwa so groß wie zwei Smartphones neben- und übereinander in einem soliden Metallgehäuse. In Temperatur- und Klimakammern durchliefen die Zellen bei Umgebungstemperaturen von sehr warm bis gefrierkalt typische Lastprofile, also eine Abfolge von Lade- und Entladevorgängen. Mal zieht der Zug viel Strom aus der Batterie, mal fließt schnell viel Bremsenergie zurück, mal kann er langsam mal muss er mit starken Strömen schnell laden, dann wieder rollt er mit geringer Batteriebelastung dahin. Je nach Fragestellung wird mit fein aufgelösten oder stark vereinfachten Profilen gemessen. Bis zu 400 Ampere Strom bei ca. 3 Volt Spannung lagen an den Zellen an. Je stärker die Ströme, desto wärmer werden die Zellen und ihre Leistung sinkt, erklärt der Materialwissenschaftler Frank Steinbacher. Das Labor misst aus, wie stark und wo genau sich die Zelle erwärmt. Temperatursonden messen, wie heiß die Kontakte werden, Infrarotkameras erfassen die Verteilung der Oberflächentemperatur. 

Die Zugwartung profitiert vom Batteriemodell

In Alterungstests durchlaufen die Zellen über lange Zeiträume, zwischen 9 Monaten bis zu 1,5 Jahren, vereinfachte typische Belastungsprofile. Der Trendverlauf der Messkurven lässt sich auf das Alter der Batterie extrapolieren – im Moment die wichtigste Größe für Siemens Mobility. Gemessen wurde auch am Batteriemodul, um dessen Design zu optimieren, erklärt Barbara Schricker, Physikingenieurin mit Schwerpunkt Elektrochemie: „Da kann man viel falsch machen, mit der Auslegung und Geometrie der Kühlung genauso wie mit der elektrischen Verbindungstechnik.“

Auf Grundlage der Messungen erstellen die Batterieforscher ein Modell – eine Art digitaler Zwilling – der Batterie, das in das Simulationsmodell des Zugs integriert wird. Virtuell durchläuft der Zug so die geplanten Fahrstrecken, um unter anderem seine Reichweite und Lebensdauer abzuleiten. Auch im realen Zugbetrieb wird der digitale Zwilling der Batterie wichtig sein. Siemens übernimmt die Wartung und garantiert für 30 Jahre die Verfügbarkeit der Züge. Anhand des Vergleichs der realen Zustandsdaten der Batterie mit den Vorhersagen des Modells kann man ihre Lebensdauer abgesichert ausreizen. Denn schon ein bis zwei Jahre vorab kündigen die Messungen einen anstehenden Tausch an.  

Kompetenz für alle, die Batterien nutzen

Das Batterielabor von Technology arbeitet mit allen Siemens-Geschäften, die Batterien nutzen. Als konzernweite Kooperations- und Informationsaustauschplattform dient dabei der Rahmen der Kerntechnologien wie hier Energy Storage. Beispiele für solche Kooperationen sind Fähren mit elektrischem Antrieb, die Siemens Energy in Norwegen baut, dezentrale Lösungen aus Energiespeichern und -wandlern wie Smart Infrastructure sie zum Beispiel auf den Galapagosinseln realisiert hat, oder mobile Röntgensysteme von Siemens Healthineers. Mit Smart Infrastructure entwickelt das Batterielabor zusammen mit Datenanalysten von Technology eine Lösung für die Zustands- und Lebensdauerbestimmung von Batteriespeichern. Diese Erkenntnisse werden dann dazu genutzt, den Betrieb der Speicher zu optimieren. „Hier fließen unsere Kenntnisse über die Einflussgrößen auf die Performance von Batterien mit ein. Die Kollegen aus der Datenanalyse identifizieren Muster in den riesigen Datenmengen, die im Feldeinsatz erfasst werden,“ erklärt Manfred Baldauf von Technology, Experte für Batteriespeicher.

Und dann sind noch die Batterien der Zukunft ein wichtiges Thema: Aktuell arbeiten das Batterielabor in dem EU Projekt Modalis2  zusammen mit französischen Kollegen an Software für die Simulation und Auslegung künftiger Batterien. „Es geht darum, die nächste Generation Lithium-Ionen-Batterien auch mit Simulationssoftware nachzubilden,“ erklärt Frank Steinbacher. Technology ist in dem Projekt für die Charakterisierung der Batterien zuständig. Beteiligt sind außerdem Material- und Batteriehersteller, Automobilhersteller und die Software-Geschäftseinheit von Siemens Digital Industries.

Christine Rüth, Oktober 2020

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