Batterietechnologie

3.3. Batterietechnologie

Um die hohen Qualitätsziele der Automobilbranche zu gewährleisten verursacht die aufwändige Zellenproduktion nahezu 50% der gesamten Batteriekosten. Die Kosten für die Rohmaterialien sind mit ca. 15% anzusetzen. Die Batteriemontage und die Materialverarbeitung machen den Rest des Preises aus. Bei der Batteriemontage werden die Zellen gestapelt in das Gehäuse eingesetzt und mit dem Batteriemanagementsystem (BMS) verbunden.

3.3.1 Einführung des Batteriemanagementsystems

Als Batteriemanagementsystem (BMS) bezeichnet man elektronische Schaltungen, welche die Regelung und Überwachung wieder aufladbarer Batterien zum Ziel haben. Insbesondere die hochentwickelten Akkusysteme bei Elektrofahrzeugen erfordern eine genaue Überwachung in allen Betriebszuständen. Dabei übernimmt das BMS zusätzlich die Funktion als Schnittstelle zwischen den in der Batterie verbauten elektronischen Komponenten und anderen Steuergeräten des Fahrzeugs.
Im Folgenden eine Liste der wichtigsten Funktionen, die im BMS integriert sind:

Zellschutz
Ladekontrolle
Lastmanagement
Bestimmung des Ladezustandes
Ausbalancieren der Zellen
Historie
Authentifizierung und Identifizierung
Kommunikation
Thermomanagement

3.3.2. Batteriemanagementsysteme

Nicht nur, dass im Laufe der Zeit die Speicherkapazität einzelner Zellen unterschiedlich stark nachlässt, auch die unvermeidlichen Fertigungstoleranzen sorgen bereits bei einem fabrikneuen Akkupack für Zellunterschiede. Bei den bisherigen Traktionsbatterien ist ein Auswechseln einzelner Zellen (noch) nicht vorgesehen, sondern nur der Tausch der gesamten HV-Batterie. Das Ziel ist, die Auslastung jeder einzelnen Zelle individuell zu optimieren.

Dadurch können die effektive Reichweite und Lebensdauer der Batterie verlängert werden. Die Überwachung jeder einzelnen Zelle ist besonders bei Lithium-Ionen-Akkus ein absolutes Muss, weil Tiefentladungen zum kompletten Versagen der Zelle führen und unter allen Umständen verhindert werden müssen. Selbst in einfachen Bauformen dieser Akkus im Bereich Mobilfunk bzw. Laptop sind aus diesem Grund einfache elektronische Schutzschaltungen implementiert.

Das BMS bei Fahrzeugbatterien überwacht auch den Arbeitstemperaturbereich und greift durch Kühlung oder sogar Abschaltung ein. Die Ladespannung muss auf 50mV (Toleranz nach oben) genau eingehalten werden. Nachdem die Ladeschlussspannung je nach Materialkombination unterschiedlich ist, darf nur das vom Hersteller vorgesehene Ladegerät verwendet werden, und nicht das jenige, welches gerade zur Hand ist. Muss ein Lithium-Ionen-Akku längere Zeit gelagert werden, ist regelmäßig der Ladezustand zu kontrollieren. Der optimale Ladezustand liegt zwischen 50% und 80%. Die Selbstentladung von 1% pro Monat ist äußerst gering, allerdings stark temperaturabhängig. Lithium-Ionen-Akkus sollten alle 3 bis 4 Monate nachgeladen werden, um die Tiefentladung zu vermeiden. Erreicht eine Zelle eine Spannung unter 2,5 V kann sich die Zelle zerstören.

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3.3.3. Laden der HV sowie der 12 V-Batterie mit 230 V AC.

Beim Aufladen des Fahrzeugs über 230 V-Wechselspannung aus der Steckdose wird diese AC-Spannung sowohl in die 14,2 V-Bordnetzspannung als auch in die HV-Gleichspannung umgewandelt und eingespeist. Im On-Board-Ladesystem (On Board Charger OBC) schützen die Entstörfilter (Noise Filter) den Umrichter vor Netzstörungen und das Netz vor Störungen durch eben diesen.

Im nachfolgenden Konverter (Convert From AC to DC) wird die Wechselspannung durch eine Zweipuls-Brückenschaltung gleichgerichtet und anschließend geglättet.

Diese aufwändige Schaltung ist notwendig, um zeitgleich die 12V-Batterie aufladen zu können und das Bordnetz mit Spannung zu versorgen.

Über CAN-Bus kommunizieren dazu die CPU (Central Processing Unit) und die EV-ECU (Electrical Vehicle Electronic Control Unit) miteinander. Die EV-ECU sorgt im Bedarfsfall für die Ladung der 12 Volt-Batterie und überwacht diesen Vorgang.

Im Inverter (Convert From DC to AC) wird durch vier IGBTs die Gleichspannung wieder in eine Wechselspannung umgewandelt und im Anschluss hochtransformiert (Boost Voltage). Danach wird die Hochspannung erneut gleichgerichtet und geglättet, bevor letztendlich die HV-Batterie geladen wird.

Ist die 12V-Batterie entladen, kann keine Kommunikation innerhalb des CAN-Bus-Systems erfolgen. Somit ist kein Laden möglich!

Beim Mitsubishi i-MiEV ist für den Ladevorgang eine Energie von 20,25 kWh notwendig, um 16 kWh speichern zu können. Der Wirkungsgrad des On-Board-Ladesystems liegt somit bei ca. 75 %. Eine Haushaltsladung mit 230 V und 10 A dauert zwischen sechs und acht Stunden.

3.3.4. Ladestrategie beim Mitsubishi i-MiEV:

Die Zellen der HV-Batterie entladen sich unterschiedlich. Ohne Spannungsanpassung wird der Ladevorgang abgeschaltet, sobald die erste Zelle ihr Maximum erreicht hat. Dies hätte zur Folge, dass durch das ständige Entladen und Laden der Unterschied zwischen den Zellen immer größer, der nutzbare Bereich aber kleiner wird. Um dies zu verhindern, ist das Laden der Batterie mit Spannungsanpassung notwendig.

Das Laden beginnt zunächst mit konstantem Strom (cc = constant current), bis eine der Zellen ihre Abschaltspannung erreicht hat (bei ca. 70% der Kapazität der Zelle). Anschließend wird an den „vollen“ Zellen die Spannung überwacht und alle Zellen werden über von Transistoren angesteuerte Widerstände einzeln entladen, bis die Spannung aller Zellen der Spannung der schwächsten Zelle entspricht. Dies dauert ca. 8 Minuten.

Dieser Vorgang wiederholt sich, bis das gesamte Zellenpaket 70% seiner Kapazität erreicht hat. Danach werden alle Zellen mit konstanter Spannung (cv = constant voltage) auf 100% ihrer Kapazität aufgeladen. (Am Beispiel i-MiEV: 365 Volt : 88 Zellen = 4,147 Volt / Zelle).

Möglich wäre eine Nennspannung der LiCoNi-Zelle von 4,2 Volt. Auf diese Weise wird die Batterie vor Überladung geschützt und die Zyklen-Festigkeit ist sichergestellt. Somit wird eine ausreichende Lebensdauer der Batterie über ein Autoleben erreicht. Auch die Temperaturverteilung innerhalb eines Akkupacks ist gleichmäßig.

Die Kapazität aller Zellen liegt noch unter 70 %, d.h. alle Zellen werden mit konstantem Strom aufgeladen. Die Zelle 1 hat als erste die 70%-Kapazitätsgrenze erreicht.

Nun beginnt die Phase der Anpassung. Der Ladestrom wird abgeschaltet, die Spannung jeder Zelle wird vom Steuergerät gemessen. Im Beispiel hat die Zelle zwei 60%, Zelle drei 65% und Zelle eins 70%. Die Zellen 1 und 3 werden nun entladen, bis sie das Niveau der Zelle 2 haben (Ladeverluste!).

Nun wiederholt sich der Vorgang, bis alle Zellen auf 70% aufgeladen sind.

3.3.5. Schnellladung (Quick Charger)

Bei der Schnellladung kann das Ladegerät einen Strom zwischen 0 A und 60 A und eine Spannung zwischen 170 V und 420 V erzeugen.

Im Vergleich zum On-Board-Ladegerät (Laden bei 230 V) besteht die Möglichkeit, die Batterie bis zu 6 mal schneller aufzuladen, also innerhalb von ca. 45 Minuten. Dabei wird die Batterie aber nur zu 80 % aufgeladen, um eine zu starke Temperaturentwicklung in den Zellen zu verhindern und die Lebensdauer zu erhalten.

Induktives Laden

Um die Reichweite der Elektrofahrzeuge zu erhöhen, soll die Batterie durch im Boden befindliche Induktionsschleifen nachgeladen werden, z.B. beim Parken, an Kreuzungen, Bahnübergängen usw. Die Leistungsübertragung beträgt 3,3 kW bei 20 cm Abstand zum Fahrzeug. Dabei kann ein Wirkungsgrad von über 90 % erzielt werden.

3.3.6. Überladeschutz

Die EV-ECU (Electrical Vehicle Electronic Control Unit) schaltet über den OBC (On Board Charger) bei einer HV-Spannung der Batterie von 365 V und/oder zu hoher Batterietemperatur ab. Zellenspannung und –temperatur werden über Sensoren gemessen und an die BMU (Battery Management Unit) weitergeleitet. Diese gibt die Entscheidung an die EV-ECU weiter, die wiederum über die OBC veranlasst, die Plus- und Minus-Relais abzuschalten.

3.3.7. DC-DC Wandler DC/DC-Wandler

Der DC-DC-Wandler ist eine elektrische Schaltung, welche die HV-Spannung der Batterie in das niedrigere Bordspannungsniveau umwandelt.

Die Gleichspannung des HV-Akku wird von den IGBTs in eine Wechselspannung umgewandelt. Die Wechselspannung wird durch den Transformator in eine niedrigere Wechselspannung umgewandelt, anschließend gleichgerichtet und geglättet. Die dadurch entstandene Gleichspannung von 14,2 V steht nun zum Laden der Batterie und dem Bordnetz zur Verfügung.

Die Gleichspannungswandlung könnte auch ohne Inverter/Konverter über einen Durchflusswandler (step down converter) erfolgen, allerdings wäre hierbei das Hochvoltsystem vom Bordnetz nicht galvanisch getrennt.