Leitfaden für die Datenspeicherung von Batterie-Test Systemen für die Nutzung von fortgeschrittener Diagnostik und Maschinellem Lernen

Projekttitel: Leitfaden für die Datenspeicherung von Batterie-Test Systemen für die Nutzung von fortgeschrittener Diagnostik und Maschinellem Lernen

Ideengeber*in:

Potenzielle Projektpartner*innen

• Battery Associates
• TU Darmstadt CCPS Laboratory

Weitere potentielle Partner:

• Northvolt
• Volkswagen
• TWAICE
• volytica diagnoctics
• ACCURE
• Voltaiq

Ausgangslage

Welche Situation liegt aktuell wie vor?

Der exponentiell steigende Anteil an Elektroautos sowie die zunehmende Nutzung von Batterieproduktion in Computern, Smartphones, Appliances sowie stationäre Speichersysteme stellt uns vor die Herausforderung die kostbaren Ressourcen, welche sich in Batterien befinden bestmöglich zu verwenden. Darüber hinaus gibt es einen hohen Bedarf an wissenschaftlicher Forschung auf den Gebieten von neuen Materialien, neuer Zellchemie, und dem besseren Verständnis von Alterungsprozessen innerhalb von Batterien um die Energiedichte, Schnellladeperformance sowie Sicherheit zu erhöhen und die Abhängigkeit von seltenen und/oder teuren Materialen zu reduzieren. Datenbasierte Methoden wie fortgeschrittenen Diagnostic und maschinelles Lernen beschleunigen die Innovationen in diesen Bereichen und tragen somit wesentlich zur Sicherheit und Nachhaltigkeit von Batterien bei.

Welche Bedarfe liegen bei welchen Marktteilnehmern*innen vor?

Innerhalb der Forschung und Entwicklung werden Batterietester stark genutzt, um Zellen zu testen, zu charakterisieren und die Alterungsprozesse besser zu verstehen. Hersteller von Batterien, Batteriemodul- und Paketentwickler sowie Automobil und Produkthersteller nutzen Batterietester im großen Umfang zur Entwicklung und Qualitätssicherung. Aktuell gibt es jedoch keinen Standard, wie und in welchem Format die Daten gespeichert werden sollen.

Ebenfalls relevant wäre ein solcher Standard im Bereich der Datenaufzeichnung von Felddaten von Elektroautos (EVs) und anderen Batteriesystemen wie stationäre Speicher. Bei diesen Systemen sind die Unterschiede wie und wann gemessen wird sowie in der Art und Weise der Aufzeichnung ebenfalls groß.

Welche Lösungen existieren derzeit für welche Marktteilnehmer*innen? 

Zur Zeit gibt es (open source) software Packete, welche verschiedene Datenformate umwandeln können (https://github.com/Battery-Intelligence-Lab/galvanalyser, https://github.com/TRI-AMDD/beep, https://batteryarchive.org/) . Darüber hinaus stehen wir im engen Austausch mit Firmen im Batteriebereich weltweit, welche sich oftmals vergleichbare Lösungen intern entwickeln.

Weshalb sind diese Lösungen nicht hinreichend genug und was ist der Stand der Technik?

Die verschiedenen Problemlösungsansätze sind rechenintenisv, entwicklungsintensiv, wartungsintesiv und führen darüber hinaus wieder zu unterschiedlichen Formaten. Oftmals verwenden Hersteller eigene Dateiformate und Verarbeitungsschritte, die für Forscher und Entwickler nicht nachvollziehbar sind oder nur mit einem unverhältnis großem Maß an reverse engineering entschlüsselt werden können. Diese Unterschiede und draus resultierenden Probleme im Bereich der Vergleichbarkeit von Messungen und Daten stellt ein Problem und Hindernis für die Forschung dar. Standards haben das Potential diese Probleme zu lösen.

Welche themenverwandten Standards, technische Regeln, Normenausschüsse, Gremien, Foren und Konsortien sind Ihnen bekannt bzw. existieren bereits?

Die Europäische Kommission arbeitet im Bereich der European Battery Regulation an einem Batteriepass (Battery Passport), welcher ebenfalls standardisierte Nutzungsdaten enthalten soll. Die genauen Standards gibt es jedoch noch nicht. 

Dr. Simon Engelke und Battery Associates haben das BMU in Deutschland zu dem Batterie Pass Konzept unterstützt, sowie verantwortliche Personen im Europäischen Parlament dazu beraten. Darüber hinaus ist die Global Battery Alliance (ehemals teils des Weltwirtschaftsforums) in dem Thema involviert. Simon Engelke und Batterie Associates sind Teil der Global Battery Alliance und arbeiten zusammen an Konzepten zum Batterie Pass. 

Beschreibung der Vorarbeiten: Handelt es sich um eine Anschubförderung? Inwiefern ist das Produkt bereits entwickelt?

Simon

Inwiefern passt das Thema zu dem von Ihnen ausgewählten DIN-Connect Themenschwerpunkt?

Batterien sind das Herzstück für nachhaltige Mobilität. Daten spielen eine Schlüselrolle für Innovationen im Batteriebereich und ermöglichen die weite Nutzung von künstlihcer Intellogenz in diesem Bereich.

Nutzen

Worin liegt das Optimierungspotential?

Um die Anwendung von fortgeschrittener Modellierungsmethoden sowie von Methoden der Maschinellen Lernens und der künstlichen Intelligenz zu beschleunigen sind Richtlinien und Standards notwendig. Diese haben großes Potential die zurzeit hohen Barrieren bedingt durch verschiedene Art der Messungen sowie Datenaufzeichnungen abzubauen. Sie bergen somit das Potential, die Entwicklung und Anwendungen dieser Methoden stark zu beschleunigen und somit den daraus resultierenden Nutzen im Bereich der Überwachung, Sicherheit sowie Verlangsamung der Alterungsprozesse zu potenzieren. Fuer die Nachhaltige Mobilität sind effektive Batterien essentiell und das effektive Teilen von Daten bedarf klare Standards.

Wer profitiert von der Innovation und dem Standard?

Ein Standard für Batteriedaten würde der Forschung und Entwicklung nutzen. Ein Leuchturmprojekt der DIN könnte jedoch deutlich darüber hinaus ebenfalls eine Auswirkung auf die Politik (e.g. European Battery Passport) sowie die Industrie haben. Wir haben ein Interesse langfristig mit unseren Partnern und mit der DIN zusammenzuarbeiten.

Wie werden die Ergebnisse nach Projektabschluss verwertet?

Die Ergebnisse werden in der öffentlichen Kommunikation von Battery Associates und im open source Batterie Tester von Battery Associates verwendet. Durch die Positionierung des Battery Associates Netzwerkes planen wir die Ergebnisse zu veröffentlichen und für die Verbreitung des Standards einzutreten.

Skizzieren Sie bitte die europäische/internationale Bedeutung

Fuer den Batterie Pass der Europaeischen Unition (als Teil der kommenden Batterieregulation) ist das Teilen von Daten von grosser Wichtigkeit. Der Batterie Pass wird auch international (z.B. in den USA) mit grossem Interesse verfolgt und koennte auch dort eine Anwendung finden. 

Bestehen Einreichungsmöglichkeiten bei Europäischen und internationalen Normungsorganisationen (CEN/CENELEC/ISO/IEC)?

Sobald ein Konsens in Deutschland gefunden wird waere es auch bezueglich der European Battery Regulation und des Batterie Passes von Interesse es auf europaeische Ebene in der Zukunft weiter zu entwickeln.

Skizzieren Sie bitte die Markt- und gesellschaftliche Relevanz

Fuer die Elektrifizierung des des Automobilverkehres sind der Markt und die Gesellschaft auf effektive Batterien angewiesen. Das beinhaltet zufriedenstellende Leistung (Reichweite, etc.), Sicherheit (e.g. Brandschutz), und Nachhaltigkeit (e.g. 2nd Life, etc.).

Kompetenzen und Ressourcen

Dr. Simon Engelke ist Gründer und Vorsitzender von Battery Associates. Simon promovierte zum zu Lithium-Ionen-Batterien an der University of Cambridge. Er hat mehrere Auszeichnungen erhalten, darunter den Trinity Bradfield Prize und den Young Entrepreneur of the Year der Universität Cambridge. Er ist Mitglied der Global Shapers Community und World.Minds. Simon wurde eingeladen, auf verschiedenen Veranstaltungen zu sprechen, darunter die UN-Klimakonferenz (COP25) und die Lindauer Nobelpreisträgertagung. Er war Co-Kurator des World Economic Forum (WEF) Strategic Intelligence for Future of Energy and Batteries und Fellow des WEF Global Future Council on Energy Technologies. Simon Engelke hat in Cambridge die Batterie Test Stationen aufgebaut und darueber auch in einem Amerikanischen Unternehmen Erfahrungen zu Batteriedaten gesammelt.

Battery Associates (B.A.) ist ein wirkungsorientiertes Unternehmen, das an nachhaltiger Batterieinnovation arbeitet. Wir verfolgen einen multidisziplinären Ansatz, um Batterieherausforderungen zu lösen und innovative Lösungen für den Batteriesektor weltweit anzubieten. B.A glaubt an das transformative Potenzial einer nachhaltigen Batterie-Wertschöpfungskette und führen wirkungsvolle Projekte durch, die die nachhaltige Batterieinnovation beschleunigen. Wir fördern die Wirkung von BatteryPRO, unserem globalen Netzwerk von Batterieexperten; BatteryLAB, unsere Plattform für innovative Batterieprojekte; und BatteryEDU, unsere Schulungsprogramme für Batteriebegeisterte. Unsere Programme gehen auf die drängendsten Probleme des Sektors ein, wie den Mangel an geschultem Batteriepersonal, das Fehlen erschwinglicher und Open-Source-Batterietestkits und den Mangel an Transparenz in der Batterielieferkette. Zu Kunden von B.A gehoeren Tesla, ABB, Hitachi, SVOLT, etc.

Wir sind industrieübergrefiend, research und global vernetzt.

B.A hat einen open-source Battery Cycler entwickelt https://www.battery.associates/battery-cycler und der Plan ist den Standard einzubinden. 

Ein weiteres Kernprojekt von Battery Associates ist BatteryDEV. Im Rahmen von BatteryDEV organisieren wir einen open source Batteriedaten Hackathon. Nach der erfolgreichen Austragung von BatteryDEV 2021 mit Teilnehmern aus 13 Ländern planen wir einen größeren Hackathon Ende März 2022. Wir sind dafür im engen Austausch mit Firmen, welche Batteriedaten besitzen und bereit sind diese für den Hackathon und darüber hinaus zur freien Verwendung in der Forschung zur Verfügung zu stellen. Die Teammitglieder sind Software Entwickler, PhD Studenten im Bereich der Batterietechnik, Batteriedaten Analytik und Artificial Intelligence.

Joachim Schaeffer ist Doktorand im CCPS Laboratory der TU Darmstadt. Er wird dort von Prof. Findeinsen in Kooperation mit Prof. Braatz vom MIT betreut. Joachim beschäftigt sich in seiner Forschung mit der Verwendung von Methoden des Maschinellen Lernens und der künstlichen Intelligenz, um Alterungsprozesse besser zu verstehen und Schnellladealgorithmen zu verbessern. Er hat somit expertise im Bereich der aktuellen Forchung auf diesem Gebiet und arbeitet aktiv mit Daten aus verschiedenen Laboren weltweit.

Standardisierungsscope

Der geplante Standard definiert Anforderungen zur Datenspeicherung von Batteriedaten. Wir beziehen uns in diesem Projekt exklusiv auf einzele Zellen welche mit Batterietestern zykliert werden.

Diese Standardiesierung ist das Kernstück und hat das Potential ein blueprint für die Batteriesystemdaten Standards der Zukunft zu werden.

Sind folgende Aspekte potentiell betroffen?

Ein Standard für Batteriedaten birgt Potential die Entwicklung neuer, umweltschonender Batteriesysteme voranzutreiben sowie die Lebensdauer von bestehenden Systemen zu verlängern. 
Im Bereich Brandschutz kann ein Standard die Einführung von fortgeschrittener Diagnostik und Überwachung beschleunigen und somit zur Verhinderung von Batteriebränden beitragen.

Standards für Datenspeicherung beschleunigen die Verwendung von Intelligenten Systemen und leistet somit ebenfalls einen Beitrag zur Industrie 4.0.