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Anwendungsbeispiel AUV

Im Rahmen des TIETEK-Projekts der Fraunhofer-Gesellschaft e.V. wurde einer der zahlreichen von CCI genutzten Zellbautechnologien eingesetzt, um ein Energiespeichersystem für die Hauptversorgung des unten gezeigten Tauchroboters aufzubauen. Die Lithium-Akkumulatoren, das Batteriemanagmentsystem und die Modulbauweise wurde so ausgeführt, dass z.B. eine Druckeinwirkung auf das Gesamtsystem von bis zu 600 bar (ensprechend einer Tauchtiefe von ca. 6000 m) die Funktionsfähigkeit nicht beiflusst. Durch dieses anwendungsspezifische Merkmal konnte auf eine druckneutrale Bauweise des AUV zurück gegriffen werden, was zu hohen Fertigungs- und Kostenvorteilen führte. Das AUV ist für die Resourcen-Exploration in der Tiefsee konzipiert worden. Als bevorzugter Entwicklungspartner der CCI ist das Fraunhofer Institut für Siliziumtechnologie verantwortlich für die Entwicklung des Energiespeichersystems und den Aufbau eines Prototypenfahrzeuges verantwortlich gewesen.

Das Baukonzept des Tietek AUV folgt einer Modulbauweise, wobei alle weiteren Module, wie z.B. Sensoren, Aktoren, Antriebstrang oder Kommunikationeinrichtungen von weiteren Entwicklungspartnern entwickelt und aufgebaut wurden.

Die Energieversorgung wird über vier in Reihe geschaltete Energiespeichersysteme sicher gestellt. Die Einzelmodule bestehen aus jeweils 12 Zellen und werden mit hermetisch abgeschirmten Kabelsteckverbindungen verbunden. Um die angestrebte Druckneutralität zu erreichen, werden die Module werden vom Seewasser umspült, so das der Umgebungsdruck auf die Energiespeichersysteme übertragen wird. Die Einzelmodule wurden bei hydrostatischen Drücken von bis zu 600 bar getestet und für Umgebungstemperaturen zw. 0°C und 50°C optimiert.

Die pentagonische Geometrie des Moduls ermöglicht den zur Verfügung stehenden Raum gegenüber klassischen Bauformen vorteilhaft zu nutzen. Ein deratiger Aufbau führt zu einer höheren Energie- und Leistungsdichte auf Modulebene und beeinflusst zusätzlich den Schwerpunkt des AUV positiv. In der Abbildung ist das mittels Vergusstechnik implementierte BMS sichtbar.

Dem Anforderungsprofil aus sehr hoher Energiedichte und gleichmäßiger Leistungsabgabe und -aufnahme, bei gleichzeitig moderaten Temperaturen, könnte mit der CCI-Zellbautechnologie ideal entsprochen werden. Eine moderne Hochenergie-Materialkombination auf Anoden- und Kathodenseite konnte mittels herausragender Beschichtungstechnologie für die Herstellung der Elektrodenfolien und einem flexiblen Manufaktirverfahren für die Zellbauprozesse erfolgreich entsprochen werden.

Als Prüfkriterium werden unter anderem die Spannungslagen und die resultierenden Kapazitäten bei Lade- und Entladeversuchen unter verschiedenen Leistungsprofilen heran gezogen. Zykelstabilitäten, Temperaturtest oder Lebensdauertest dienen der Charakterisierung der Zellmerkmale. Einige Zellmerkmale sind nachfolgend dargestellt:

  • 20 Ah Zellkapazität (0,1 C, Raumtemperatur)
  • 3,7 V Nominalspannung
  • 4,2 V Max. Ladespannung
  • 3,0 V Min. Entladespannung
  • 160 Wh/kg Grav. Energiedichte
  • 370 Wh/l Vol. Energiedichte

Fotos v.l.n.r.:

  • TIETEK-Prototyp AUV bei einer Testfahrt
  • Einen zentralen Baustein stellt das Modul Energieversorgung im TIETEK-Prototypen dar.
  • Einzelansicht eines Batteriemoduls aus anwendungsspezifischen Lithium-Akkumulatoren, einem Batterie Management System (BMS) und Modulbauteilen.
  • Einzelansicht eines für dieses Projekt angepassten anwendungsspezifischen Lithium-Akkumulators
  • Spannungslage einer exemplatischen Lade- und Entladekurven der Energiedichte- optimierten Lithium-Akkumulatoren.