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Batteriemanagement-Systeme für E-Fahrzeuge einfach erklärt

| Autor / Redakteur: Martin Moss* / Benjamin Kirchbeck

Eine der Herausforderung bei einem Batteriesatz besteht in der Tatsache, dass bei der Stromentnahme nicht alle Zellen mit der gleichen Rate entladen werden. Trotz der Serienschaltung aller Zellen variieren die Entladeraten.
Eine der Herausforderung bei einem Batteriesatz besteht in der Tatsache, dass bei der Stromentnahme nicht alle Zellen mit der gleichen Rate entladen werden. Trotz der Serienschaltung aller Zellen variieren die Entladeraten. (Bild: Clipdealer)

Welche Herausforderungen bringt der Batterieeinsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeuge mit sich? Wie muss beim Lade-Management beachtet werden? Und welche ist die Hauptursache für Zellausfälle? Antworten liefert dieser Grundlagenbeitrag.

Der Batteriesatz besteht aus einer großen Anzahl in Serie geschalteter Zellen, weshalb die Nutzbarkeit des gesamten Satzes von der schwächsten Zelle bestimmt wird. Dass die Zellen unterschiedliche Ladezustände aufweisen, liegt an bestimmten, fertigungsbedingten chemischen Ungleichgewichten, an der Lage im Batteriesatz (mit unterschiedlicher Wärmeeinwirkung) und an Veränderungen infolge der Nutzung oder der Langlebigkeit.

Das Ungleichgewicht der einzelnen Zellen

Erkennen lassen sich Unterschiede zwischen den Zellen anhand der verschiedenen Zellenspannungen. Nach wie vor ist man dabei, die genauen Gründe für die Unterschiede zu untersuchen. Diese Eigenschaften genau zu verstehen, ist ein wichtiges Ziel, weil sie Einfluss darauf haben, wie lange die einzelnen Zellen sowie der Batteriesatz insgesamt halten.

Zu den wichtigsten Parametern, die es zu beachten gilt, gehört der Ladezustand, also die in den einzelnen Zellen vorhandene Ladungsmenge. Die Ungleichgewichte zwischen den Zellen werden in Prozent angegeben. Wenn also eine Zelle zu 94 % und eine andere zu 88 % geladen ist, besteht ein Ungleichgewicht von 6 Prozentpunkten. Jede Zelle weist außerdem eine andere Spannung auf, die als Leerlaufspannung (engl. Open-Circuit Voltage, OCV) bezeichnet wird und vom chemischen Ladezustand abhängig ist.

Die Herausforderung bei einem Batteriesatz besteht in der Tatsache, dass bei der Stromentnahme nicht alle Zellen mit der gleichen Rate entladen werden. Trotz der Serienschaltung aller Zellen variieren also die Entladeraten. Da sich einige Zellen schneller entladen als andere, verändert sich mit der Zeit ihre Fähigkeit, sich zu regenerieren und wieder Ladung aufzunehmen. Dieser Zyklus beschleunigt sich außerdem durch weitere Einflüsse wie etwa die Temperatur. Wie bereits erwähnt, sind bestimmte Zellen bedingt durch ihre Position oder ihre Lage in der Nähe von Kühlelementen möglicherweise höheren Temperaturen ausgesetzt.

„Charge Shuffling“ – Kein Energieverlust durch Bypass-Schaltung

Die Hauptursache von Zellenausfällen ist der völlige Zusammenbruch einer Zelle. Dies hat Auswirkungen auf die Klemmenspannung der gesamten Batterie, da die betreffende Zelle dann im Prinzip nur noch wie ein Widerstand wirkt, der die Spannung verringert. Eine Möglichkeit, dies zu verhindern, ist der Zellenausgleich (Cell Balancing), bei dem es darum geht, jeder einzelnen Zelle zu ihrem maximalen Ladezustand zu verhelfen.

Für den Zellenausgleich bieten sich mehrere Techniken an. Die einfachste besteht darin, jeder Zelle einen Widerstand und einen MOSFET parallelzuschalten, die an den Zellen liegende Spannung mithilfe eines spannungsüberwachenden Komparators zu vergleichen und gegebenenfalls den MOSFET einzuschalten, um die betreffende Zelle zu umgehen. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass durch einen solchen Bypass Energie vergeudet wird.

Eine weitere Technik wird als „Charge Shuffling“ bezeichnet. Hier kommen keine Widerstände zum Einsatz, und nur ein Kondensator wird zwischen die Zellen geschaltet. Bei dieser Technik geht zwar keine Energie durch Bypass-Schaltungen verloren, aber es entsteht mehr Komplexität, weil Verbindungen über größere Distanzen zwischen den Zellen benötigt werden, anstatt jeder Zelle einzeln einen Bypass zuzuordnen.

In Elektrofahrzeugen wird im Allgemeinen das induktive Laden angewendet. Hier werden ungleich geladene Zellen mit einem Transformator verbunden, weil in dem System höhere Leistungen vorkommen. Die betreffenden Schaltungen sind tendenziell recht groß, sodass innerhalb der Konstruktion mehr Platz benötigt wird.

Die Rolle des Mikroprozessors

Grundlage aller dieser Ausgleichstechniken sind eingehende Forschungen bezüglich der Eigenschaften und der Chemie der einzelnen Zellen, woraus Spreadsheets und mathematische Formeln resultieren, die mit Tools wie MATLAB verarbeitet werden. Eine wichtige Rolle im System spielt ein Mikroprozessor, der dafür sorgt, dass sämtliche Ausgleichsmaßnahmen korrekt ausgeführt werden. Als Stromversorgung für den Mikroprozessor ist ein Gleichspannungswandler vorhanden, der direkt an den Batteriesatz angeschlossen ist und abhängig vom Systemdesign entweder 48 V oder 12 V ausgibt. Texas Instruments bietet zwei Bauelemente an, die sich zur Versorgung des Mikroprozessors eignen. Beide sind durch einen weiten Eingangsspannungsbereich und die Beständigkeit gegen steile Spannungsänderungen gekennzeichnet.

Der LM5165-Q1 mit einem Eingangsspannungsbereich von 3 V bis 65 V ist ein Abwärtswandler (Buck Converter) mit sehr geringer Ruhestromaufnahme und einem hohen Wirkungsgrad über einen großen Eingangsspannungs- und Laststrombereich. Ausgestattet mit integrierten high- und low-seitigen Leistungs-MOSFETs, kann dieser Baustein bei festen Ausgangsspannungen von 3,3 V oder 5 V oder mit einer einstellbaren Ausgangsspannung einen Ausgangsstrom bis zu 150 mA liefern. Der Wandler ist so konzipiert, dass sich die Implementierung vereinfacht und gleichzeitig Optionen zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit beispielsweise in Batteriemanagement-Systemen geboten werden. Der bei Tj-Werten bis zu 150 °C einsetzbare Baustein kommt mit den für Elektrofahrzeuge üblichen großen Betriebstemperaturbereichen zurecht.

Der Simple-Switcher-Regler LM46000-Q1 ist ein synchroner Abwärts-Gleichspannungswandler, der an Eingangsspannungen zwischen 3,5 V und 60 V einen Laststrom bis zu 500 mA bereitstellen kann. Der Baustein überzeugt durch außergewöhnliche Eigenschaften bezüglich des Wirkungsgrads, der Ausgangsgenauigkeit und der Dropout-Spannung und ermöglicht kleine Lösungsabmessungen, wenn eine höhere Eingangsspannung erforderlich ist oder das System mehr Strom liefern muss.

Es gibt viele Möglichkeiten, den Ausgleich zwischen den Lithium-Ionen-Zellen in einem Batteriesatz zu koordinieren. Welches Design im Einzelfall gewählt wird, hängt allerdings von mehreren Faktoren ab, zu denen die Kosten, der verfügbare Platz, die Wärmeeinwirkung und die erforderliche Genauigkeit gehören. Wichtig ist, all diese Faktoren in der Designstrategie zu berücksichtigen, bevor es an die eigentliche Implementierung geht. Holen Sie sich hierzu weitere Informationen über die TI-Produkte ein, die den strikten Automotive- und Systemanforderungen genügen, und sehen Sie sich ein System-Blockschaltbild eines Batteriesatzes mit großer Zellenanzahl für Elektrofahrzeug-Anwendungen an.

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* *Martin Moss ist Product Line Marketing Manager bei Texas Instruments

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Sehr schön erkärt aber was vergessen wurde ist die Möglichkeit dieses Batteriesystem mit...  lesen
posted am 11.07.2018 um 08:02 von Unregistriert


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