Talk Science to Me #59: Verhält sich wie eine Batterie, ist aber keine

Was ist eine Ersatzzelle und wofür brauchen wir sie in der Forschung? Roland Lorbeck von der TU Graz ist an ihrer Entwicklung beteiligt und wird uns erklären,warum sie wichtig ist für die Forschung rund um die E-Mobilität. Mein Name ist Birgit Baustädter und ihr hört Talk Science to Me, den Wissenschaftspodcast der TU Graz. 

Lieber Roland, vielen Dank, dass du heute hier bist und mit mir über deine Forschung sprichst. Als erstes wäre es toll, wenn du dich kurz vorstellen könntest und auch sagen könntest, woran du gerade arbeitest.

Roland Lorbeck: Es freut mich heute, dass ich hier sein darf. Mein Name ist Lorbeck Roland und ich bin im Institut für Thermodynamik und nachhaltige Antriebssysteme tätig. Unser Institut beschäftigt sich mit einer Vielzahl an Themen, zum Beispiel Thermodynamik im Allgemeinen, aber auch die Abgasnachbehandlung, Emissionen von Fahrzeugen bis hin zu Antriebssystemen an sich. Das ist auch der Bereich, in dem ich tätig bin. Und wir beschäftigen uns mit Antriebssystemen von handgehaltenen Geräten weg, über Zweiräder, Pkw, Lkw-Motoren bis hin zu Großmotoren.

Handgehaltene Geräte sind?

Lorbeck: Ja, handgehaltene Geräte, da fallen zum Beispiel Motorsensen darunter, alles was man eben in der Hand hält und mit der Hand führt. Und das kann genauso verbrennungsmotorisch angetrieben sein, kann aber auch elektrifiziert werden.

Bist du jetzt eher bei den Verbrennungskraftmaschinen tätig oder bei den E-Fahrzeugen?

Lorbeck: Ja, meine Vergangenheit quasi war eher bei den Verbrennungskraftmaschinen angesiedelt. Wir haben uns da sehr viel mit Dieselabgasnachbehandlung, dieselmotorische Verbrennung beschäftigt. In der letzten Zeit hat sich das eher ein bisschen geändert. Der Mix hat sich ein bisschen geändert. Durch die Technologieoffenheit gibt es auch immer mehr elektrifizierte Antriebe, Hybridisierungsansätze und so hat sich das auch bei mir ein bisschen in die Richtung der Elektrifizierung, der Elektromobilität verändert.

Und du hast jetzt gesagt, ihr schaut euch eine sehr breite Range an Fahrzeugen oder auch motorisiert betriebenen Dingen quasi an. Sind sich diese Motoren so ähnlich? Kann man die wirklich so vergleichen? Oder ist das einfach nur, dass ihr euch mit grundsätzlich diesen ganzen Motoren beschäftigt?

Lorbeck: Ja, grundsätzlich gibt es schon die Unterscheidung zwischen Motoren, die in Pkws, Lkws eingesetzt werden und Großmotoren. Da ist schon ein sehr großer Unterschied zwischen. Natürlich in der Skalierung ist es eine ganz andere Dimension. Aber grundsätzlich, wenn man jetzt Verbrennungskraftmaschinen und elektrifizierte Antriebe vor allem im Hinblick auf batterieelektrische Antriebe miteinander vergleicht, ist es schon sehr unterschiedlich. Da ergeben sich sehr viele verschiedene Herausforderungen. Jedes Antriebssystem für sich hat quasi seine eigenen Hürden, die zu überwinden sind. Auch im Thermomanagement, mit dem uns wir auch sehr viel beschäftigen in der Abteilung. Die Herausforderungen natürlich in elektrifizierter Hinsicht und batterieelektrischen Fahrzeugenschon sind sehr anders als bei Verbrennungskraftmaschinen.

Was ist Thermomanagement?

Lorbeck: Das Thermomanagement beschreibt vor allem die thermischen Abläufe innerhalb des Fahrzeugs, die Verschiebungen von Wärmeströmen innerhalb des Fahrzeugs. Zum Beispiel, wenn man es beim Verbrennungskraftmotor hernehmen würde, das Aufheizen des Motors. Wir müssen natürlich auf Betriebstemperatur kommen. Da gibt es verschiedene Kreisläufe, um das zu steuern, um auch keine Überhitzung zu erzeugen, also um Wärme, die quasi im Überschuss vorhanden ist, abzuführen. Und dieses ganze System wirdeben durch das Thermomanagement-System beschrieben. Und gerade dieses Thermomanagement-System bekommt jetzt durch die Elektrifizierung und auch im Sinne von Brennstoffzellenfahrzeugen oder batterieelektrischen Fahrzeugen eine noch größere Bedeutung. Da ist natürlich für die Verschiebung der Energien und der verschiedenen Energiebedarfe quasi sehr viel komplexer wird.

Also das klingt nach einer Forschung, die recht hohe Sicherheitserfordernisse hat. Habt ihr so arg abgesichertes Labor, was diese Themen betrifft, oder habt ihr da Ersatzmittel?

Lorbeck: Grundsätzlich für unsere Prüfstände gibt es ein eigenes Prüfstandsgebäude, das auch haustechnisch und sicherheitstechnisch abgesichert ist. Ist auch immer schon nötig gewesen, auch in der Vergangenheit, wenn man an Kraftstoffe denkt, wie Diesel oder auch Wasserstoffe jetzt in der jüngsten Vergangenheit. Da ist es natürlich notwendig, dass man ein Sicherheitssystem dahinter stehen hat, das im Fall der Fälle eingreift und natürlich schlimmere Brände oder Explosionen oder dergleichen verhindert. Bei Kraftstoffen war das bis jetzt immer unbedingt nötig, weil wir können auf Kraftstoffe zum Testen und Messen von Verbrennungskraftmaschinen nicht verzichten. Im Hinblick auf Thermomanagement oder auch jetzt elektrifizierte Fahrzeuge gibt es ähnliche Sicherheitsvorschriften, auch in Anbetracht der Verwendung von Batteriezellen, chemisch aktiven Batteriezellen. Die sind vor allem im Einsatz, aber auch in der Lagerung sicherheitstechnisch sehr kritisch und mit sehr viel Aufwand verbunden. Auf diesen Aufwand können wir aber grundsätzlich verzichten, da wir in unserer Forschung nicht direkt an der Elektrochemie interessiert sind, sondern eher an dem, was außerhalb der Zelle von der Hülle weg und ins Thermomanagement-System hinein passiert. 

Gibt es da Einrichtungen an der TU Graz, wo diese Validierung dann möglich ist? 

Lorbeck: Grundsätzlich für das Verhalten der Ersatzzelle ist die Simulationsmethodik hinter der Hardware zuständig. Und um diese Simulationsmethodik entsprechend parametrieren zu können und die Modellbildung zu erreichen, müssen eine Vielzahl an Messungen vorab durchgeführt werden. Und die haben wir tatsächlich in Kooperation mit dem Battery Safety Center, das gleich im Nebengebäude von uns quasi beheimatet ist, durchgeführt. Da haben wir als erstes Messungen, also es waren elektrochemische Impedanzspektroskopie-Messungen, durchgeführt, die vor allem für die Parametrierung von dem elektrochemischen Ersatzschaltbild notwendig sind, um wirklich das Verhalten der elektrochemischen Zelle nachahmen zu können, aufgezeichnet. Als zweites haben wir dann OCV-Messungen durchgeführt. OCV beschreibt hier die Leerlaufspannung der Batterie, also um auch das Verhalten der Zelle darstellen zu können, wenn sie gerade nicht in Betrieb ist, wie sie sich verhalten würde, wenn sie quasi nicht bestrombt wird. Und momentan aktuell sind wir gerade dabei, eine einzelne tiefenentladende Zelle zu öffnen, also wirklich uns das Innenleben anzuschauen, gravimetrische Messungen durchzuführen und das soll vor allem nochmal Aufschluss über den Aufbau der Zelle, der bestimmten Zelle, die wir uns anschauen, geben und auch über die Schichtdicken, Schichtaufbau, wie viele Schichten, wie ist sie gewickelt. Und das soll dann in quasi dritter Instanz noch einmal zur Verbesserung der Simulationsmethodik beitragen.

Du sagst, ihr seid gerade dabei, das heißt, das ist nicht die einfachste Arbeit, die auseinanderzunehmen?

Lorbeck: Grundsätzlich, nein, einfach würde ich es nicht bezeichnen. Also das Auseinandernehmen an sich ist sicher recht einfach. Die Sicherheitstechnik dahinter ist wieder einmal das Problem. Bei der Öffnung der Zelle kann es zu Ausgasungen von Elektrolyten kommen. Das sind teilweise nicht sehr wirklich angenehme Substanzen, die da zutage treten. Und das muss natürlich unter geregelter Aufsicht und auch Bedingungen innerhalb eines Abzugs geschehen. Und diese Einrichtungen, um diese ganzen Messungen, aber auch dieses Zerlegen der Zelle gestalten zu können, befinden sich hauptsächlich am Battery Safety Center an der TU Graz. Und die sind da natürlich sicherheitstechnisch dementsprechend dafür ausgestattet.

Ihr entwickelt auch gerade eine Ersatzzelle, die diese ganze Forschung wesentlich einfacher und sicherer machen kann, oder?

Lorbeck: Ja, genau. Vor allem, um eben diese sicherheitstechnischen Herausforderungen am Prüfstand zu umgehen. Wie schon vorher gesagt, beim Kraftstoff ist es oft nicht möglich, dass man auf das verzichtet und auf die Sicherheitsmatrix dahinter verzichtet, weil es unbedingt nötig ist zum Betrieb des Prüfstands. Aber vor allem in unserem Fall können wir sehr gut auf die Elektrochemie hinter der Zelle verzichten, weil uns genau dieser Wärmeeintrag ins Thermomanagement wichtig ist und nicht so wichtig ist primär, was innerhalb dieser Zelle abläuft. Und darum können wir hier sehr gut mit einer Modellierung der Zelle über ein Simulationsmodell leben, das die internen Abläufe der Zelle darstellt und uns quasi nur als Output diesen Wärmestrom über die Zellhülle zur Verfügung stellt.

Wie muss ich mir das vorstellen? Ist das wirklich konkret? Ist das so ein kleines Schachterl, das dann warm wird?

Lorbeck: Nein, in Wirklichkeit würde man es von außen quasi gar nicht von einer echten Zelle unterscheiden können. Es sieht quasi im Packaging genau gleich aus. Es wird genau gleich kontaktiert über positiven und negativen Pol. Die Hülle ist dieselbe, sogar die Endkappen, alles ist original. Nur das Innenleben unterscheidet sich wesentlich von einer echten Zelle. In einer elektrochemisch aktiven Zelle befinden sich Anoden, Kathodenmaterialien, Elektrolyte, also eine Vielzahl an reaktiven Materialien, die vor allem in gewissen Betriebspunkten, Hochlastbetriebspunkten zu sicherheitstechnischen Ausfällen führen kann. Und in unserer Ersatzzelle verbirgt sich quasi im Inneren unter Anführungszeichen nur eine Platine,viel Elektronik und eine Heizplatine, die eben diese Wärme über die Hülle darstellen kann.

Und wie wisst ihr jetzt, dass das exakt das ist, was eine normale Zelle auch tun würde?

Lorbeck: Wir haben natürlich im Hintergrund auch dieses Simulationsmodell, damit wir wirklich sicherstellen können, dass sich die Ersatzzelle genauso verhält, wie es auch die reale Zelle machen würde, im Hinblick auf quasi, wie sie sich verhalten würde in jedem Betriebspunkt, den auch die reale Zelle sehen könnte. Und ein großer Vorteil schon vorweg, der sich daraus ergibt, ist, dass wir auch Betriebspunkte darstellen können, die die echte Zelle vielleicht nicht mehr schaffen würde oder schon zu kritisch wären und wir damit einen hochgehenden Zelle quasi provozieren würden, was wir natürlich mit unserer Ersatzzelle nicht schaffen. Das Schlimmste, was uns passieren kann, ist, dass die Simulationsmethodik versagt, das zum Abbruch der Messung führt und selbst die Hardware, also die Ersatzzelle selbst, ist durch einen Überhitzungsschutz quasi vor dem Ausfall geschützt.

Wofür ist diese Forschung wichtig? Warum muss man das anschauen, wie sich da die Wärme entwickelt?

Lorbeck: Grundsätzlich geht es uns, wie ich vorher schon gesagt habe, weniger um die eigentliche Zelle, wie in der echten aktuellen Batterieforschung, wo man sich wirklich das Innenleben der Zelle, chemische Zusammensetzung anschaut, sondern mehr um die Peripherie und das eben genannteThermomanagement drumherum. Es geht darum, die Wärme von der Zelle möglichst gut und schnell abführen zu können. Das hat vor allem Relevanz beim Schnellladen, wenn man es jetzt quasi auf das Elektroauto umlegt. Dort werden mit Ladeleistungen jetzt aktuell Richtung 300, 400 und noch mehr Kilowatt geladen. Da fallen je nach Ladeleistung schon mehrere Kilowattan quasi Abwärme im System an, weil sich eine elektrochemische Zelle einfach beim Schnellladen sehr stark erwärmt. In gewissen Ausmaßen darf das vorkommen, aber nur bis zu gewissen Grenzen. Und um dort natürlich die Batterie dann entsprechend zu kühlen, ist ein Kühlmechanismus erforderlich, der hier die Abwärme abführt. Aber auch zum Beispiel im normalen Betrieb, also Fahrbetrieb oder auch wenn das Fahrzeug steht, muss die Batterie in einem gewissen Temperaturfenster gehalten werden, um eben die Zellchemie nicht zu schädigen. Also sie darf weder zu warm werden, noch darf sie beim Betrieb oder beim Wiederaufnehmen des Betriebs zu kalt gestartet werden, das es die Zelle irreversibel schädigen kann. Genau um solche Belastungen zu verhindern, gibt es ein Thermomanagement-System, das dafür sorgt, dass die Komponenten zur richtigen Zeit die richtige Vorkonditionierung erfahren, egal ob jetzt in Hinblick auf Temperatur oder elektrisch. Also man schaut hier wirklich, dass man auch das Maximum aus den zum Beispiel Wärmeströmen im Thermomanagement herausholt, dass die Batterie in dem Betriebsfenster betrieben wird, in dem sie sich wohl fühlt, aber zum Beispiel auch, dass dem Fahrer während der Fahrt nicht zu kalt oder zu heiß wird, weil die Heizung oder die Klimatisierung verrückt spielen. Und im Gesamtfahrzeug spielen eben mehrere Komponenten zusammen, die einerseits Wärme benötigen oder auch Wärme abgeben. Und das Thermomanagement-System in moderneren, nachhaltigeren Fahrzeugen hat vor allem den Sinn, die Energien entsprechend zu nutzen oder wieder zurückzuspeichern und nicht an die Umgebung abzugeben. Ein Beispiel für elektrisches Management innerhalb des Fahrzeugs wäre das Rekuperieren beim Bremsen. Das ist vor allem bei elektrifizierten oder eben rein batterieelektrischen Fahrzeugen recht gut möglich, weil man zuerst quasi über einen Generator generatorisch bremst und die daraus gewonnene Energie wieder in die Batterie zurückführen kann, wohingegen bei der herkömmlichen Verbrennungskraftmaschine keine so große Speicherbatterie vorhanden ist, um diese Energie zu nutzen. Da wird sie eben in die Bremsscheibe als Abwärme abgeführt. Um da zu verbessern und effizienter zu gestalten, gibt es eben ein Fahrzeug internes Thermomanagement.

An welchen Rädern quasi kann es sich drehen, wenn ihr merkt, dass das irgendwie nicht so läuft wie es soll? 

Lorbeck: Wir können hier sehr gut die Verschaltung zwischen verschiedenen Komponenten steuern und regeln. Es gibt auch definitiv verschiedene Ansätze von Regelstrategien, wie man zum Beispiel einen Aufheizvorgang darstellen kann, woher man die Energie nimmt, wer gerade Energie benötigt, wer gerade Energie abgibt. Und wenn man das klug und durchdacht steuert, dann ist hier sehr viel drinnen, was man hier herausholen kann. Und um eben diese Regler herauszufinden, die uns vorab selbst nicht immer alle hundertprozentig bewusst oder klar sind, gibt es eben die Verlagerung auf eine Simulation im Vorfeld, um dort eben entweder auf Zellebene, auf Batterieebene oder eben auf Gesamtfahrzeugebene dieses Thermomanagement zu simulieren, verschiedene Varianten sich anzusehen und eben dann das Beste oder die Vorteile jeder Variante herauszupicken und zu bewerten. 

Was fasziniert dich selbst an dieser Art von Forschung? 

Lorbeck: Mich selbst treibt dieser Drang an, immer etwas zu verbessern, eine Lösung für Probleme zu finden, sich ein System anzuschauen und zu sagen, okay, da gibt es Verbesserungspotenzial, wir schauen uns das genauer an, wir tauchen tiefer in diese Materie ein und finden dann schlussendlich auch eine Lösung, die die Ausgangslage vielleicht nicht perfekt macht, aber zumindest einen Schritt verbessert. Und eben dieser Ansporn, die Systeme zu verbessern und effizienter zu gestalten, das treibt mich persönlich in der Forschung an.

Und warum? Was ist die Effizienz für dich?

Lorbeck: Die Effizienz für mich ist zurückzuführen in Summe auf Ersparnis von Treibstoff, egal ob das jetzt ein fossiler Verbrennungskraftmaschinen oder hybridisierte Antriebe denkt. Alles, was eingespart werden kann, nachhaltiger gestaltet werden kann, ist ein positiver Effekt, der die Forschung in diesem Bereich, glaube ich, sehr stark vorantreibt.

Wie geht es jetzt in dieser Forschung weiter? Also wo geht es in Zukunft hin?

Lorbeck: Hardwaretechnisch mit unserer Ersatzzelle ist die Forschung oder die Entwicklung der Ersatzzelle grundsätzlich abgeschlossen. Es geht jetzt mehr darum, diese auch am Prüfstand einzusetzen und durch Messungen diese ganze Methodik zu validieren. Dann gibt es auchmomentan noch ein Folgeprojekt, das wir gerade einreichen, wo es auch viel um künstliche Intelligenz als Einbindung ins Simulationsmodell gehen wird. Also es werden hier mit datengetriebenen Modellen gewisse Simulationsmodelle von uns, nicht nur von thermodynamischer oder Thermomanagement-Seite, sondern auch generell im Institut verbessert. Wir haben eine Vielzahl an Messungen auf den Prüfständen liegen in verschiedensten Ausführungen. Das sind alles Daten, die bislang in so großem Umfang vorhanden waren, dass sie eigentlich keiner wirklich zu 100 Prozent durchforsten hätte können. Jetzt aber mit der Unterstützung der datengebetriebenen Modelle gibt es da natürlich einen Hebel, auch hier modelltechnisch Verbesserungen herauszuholen, Modelle zu erstellen, aber auch zum Beispiel miteinander gekoppelte Variablen zu finden, die bislang vielleicht noch im Verborgenen liegen. Und in unserem Projekt wollen wir auch die datengetriebenen Modelle zum Beispiel für die Darstellung der Batteriegesundheit verwenden. Da geht es ja ganz besonders auch um diesen Teil, wenn man zum Beispiel an Gebrauchtwagenkauf denkt, in der Elektromobilität momentan noch eher ein schwierigeres Thema, weil man oft die quasi Katze im Sack kauft, man weiß nicht, wie gesund ist die Batterie in dem Fahrzeug. Und wenn man es schaffen könnte, diese Batteriegesundheit in Echtzeit zumindest qualitativ abschätzen zu können, dann wäre das natürlich einerseits für die Vergleichbarkeit von gleichen Fahrzeugmodellen ein Vorteil, aber auch im Endeffekt dann für den Endkonsumenten beim Gebrauchtwagenkauf ein großer Vorteil.

Kannst du dich noch erinnern, wo das Interesse für dich begonnen hat? Wie war so der Werdegang in dem Bereich?

Lorbeck: Ja, da müssen wir sehr weit zurückgehen. Ich glaube, schon in der Kindheit wurde bei uns zu Hause viel selbst gemacht, viel selbst repariert und da nimmt man natürlich sehr viel mit. Es hat sich dann so weitergezogen über die Jugend und die Schulzeit. Es kam dann auch die Begeisterung für Fahrzeuge und Antriebe an sich dazu, wie es so bei Jungen oft der Fall ist. Es hat mich dann zu einer Ausbildung in einer HTL, also einer technischen Schule, bewegt. Von dort weg war für mich eigentlich klar, dass ich mich mit Technik im allgemeinen Sinn beschäftigen möchte und aber auch die Theorie dahinter ein bisschen besser verstehen. Und von dort an war es eigentlich gesetzt, dass ich ein Studium in Richtung Maschinenbau beginnen werde. Und da hat die Faszination natürlich nicht nachgelassen. Es war für mich immer klar, während des Studiums, in welche Richtung ich gehen möchte. Ich hatte nie das Problem, dass man oft hört, dass man nicht genau weiß, was man machen soll. Also ich war da schon sehr früh sehr sicher, dass das das Richtige ist. Und ich bereue es bis zum heutigen Tag überhaupt nicht.

Also war es auch klar, dass du in der Wissenschaft bleiben möchtest?

Lorbeck: Es war eigentlich durch die Tätigkeit am Institut, durch die Arbeiten, die man auch während des Studiums schreiben muss, Bachelorarbeit, Masterarbeit, immer ein sehr abwechslungsreicher Arbeitsalltag mit Prüfstandsmessungen praktisch auf der einen Seite, aber auch Simulation, Büroarbeit auf der anderen Seite. Es war sehr herausfordernd, technisch oft am Prüfstand Lösungen für Probleme zu finden. Das war natürlich oft mit einer Hassliebe verbunden, aber grundsätzlich war das eine sehr schöne Erfahrung und da bin ich bis heute eigentlich ohne sie zu hinterfragen dran geblieben.

Gibt es für dich so einen Lieblingsmotor, an dem du am liebsten arbeitest und fährst?

Lorbeck: Grundsätzlich, früher haben wir uns sehr viel mit Dieselmotoren beschäftigt. Das ist eigentlich die Richtung, aus der ich eher komme. Momentan ist es leider ein bisschen weniger, außer privat, da ist es etwas anderes. Da bin ich eher mit dem Betreuen eines älteren Fahrzeugs beschäftigt. Das natürlich auch sehr viel Zeit benötigt und viel Herzblut. Aber es ist eine sehr gute Abwechslung auch zur Arbeit am Institut, da wir uns auch sehr viel mit der Theorie, mit Komponenten beschäftigen, was ja nicht per se jetzt mit einem Gesamtfahrzeug an sich zu tun hat. Wir haben nicht unbedingt, vor allem bei den Antriebssystemen, jetzt mit ganzen Fahrzeugen zu tun, sondern wirklich nur mit motorischen Komponenten. Das schafft einen guten Ausgleich im Alltag und auch im Privatleben, dass man sich da damit beschäftigen kann.

Das heißt, du schraubst zu Hause herum?

Lorbeck: Ja, manchmal mehr, manchmal weniger.

Also hast du irgendwie einen Oldtimer?

Lorbeck: Ja, in der Art. Als Oldtimer würde ich es jetzt nicht wirklich bezeichnen. Aber sagen wir so, es ist ein Auto, das mir ans Herz gewachsen ist und dann natürlich Fürsorge getragen wird.

Gibt es für dich eine Forschungsfrage, die du total gerne so im Laufe deiner Karriere beantworten möchtest?

Lorbeck: Fragen, die ich während meiner beruflichen Karriere beantwortet haben möchte, fallen mir eigentlich sehr viele ein. Sie haben aber alle gemeinsam, dass sie sich eben um das Thema Effizienz bei Antriebssystemen drehen, aber auch zum Beispiel bei dieser Energieverschiebung innerhalb des Fahrzeugs. Aber auch der Energiebereitstellung ist ja auch ein großes Thema. Energie für den Betrieb von Fahrzeugen, welcher Art auch immer, bereitzustellen. Einfach da wirklich was voranzubringen, nochmal was zu schaffen. Und wenn man sich zusammenfassen müsste, die Fragen, dann würde ich eher sagen,wie kann man die Antriebssysteme der Zukunft nachhaltiger gestalten.

Vielen Dank für das Interview.

Lorbeck: Danke, dass ich hier sein durfte.

Vielen Dank, dass ihr zugehört habt. In der nächsten Folge zeigt uns Florian Feist, wie Holz als Hülle für E-Auto-Akkus verwendet werden kann.