Batteriemanagement: Spannende Herausforderungen für Ingenieure

E-Mobilität ist in aller Munde. Doch was in der Öffentlichkeit als nahe liegende Lösung der Energiekrise diskutiert wird, birgt für Ingenieure vor allem spannende Probleme, die es zu lösen gilt. Ein Beispiel ist das Batteriemanagement, bei dem sich auch NewTec erfolgreich engagiert.

Herausforderung Energiespeicher
Automobile benötigen Energiespeicher mit hoher Leistungs- und Energiedichte. Wichtig ist vor allem eine praxistaugliche Reichweite. Über den Daumen gepeilt benötigen Elektroautos für 100 Kilometer Reichweite je nach Technik etwa 15 bis 25 Kilowattstunden Energie – und das bedeutet heute im Schnitt rund 100 Kilogramm Akkugewicht. So kommt der aktuelle Tesla Model S Plaid mit über 1.000 PS mit seiner 100-kWh-Batterie auf mehr als 600 Kilometer geschätzte Reichweite, erkauft dies aber mit über einer halben Tonne (537 kg) Batterie-Gewicht. In seiner Batterie stecken mehrere Tausend zylindrische Zellen von Panasonic (18650er Bauform), die mit handelsüblichen Rundzellen vergleichbar sind.

Im BMW i3 (in der 120-Ah-Version, also 42 kWh) mit 170 PS sind dagegen 96 großformatige prismatische Zellen von Samsung SDI verbaut, die zusammen auf ca. 275 Kilogramm kommen und eine Reichweite von bis zu 307 Kilometer ermöglichen sollen. Das dritte gängige Zellenformat bilden die dünnen rechteckigen Pouch-Zellen mit übereinander gestapelten Lagen von negativen und positiven Elektroden und Separatoren. Experten, zum Beispiel von Fraunhofer, sehen mittel- bis langfristig bei zylindrischen (27100er) und vor allem Pouch-Zellen die größten Entwicklungspotenziale für die Elektromobilität, vor allem wegen hoher Energiedichten und vergleichsweise niedriger Kosten.

Herausforderung Batteriemanagement
Will man Gewicht sparen und kleinere Akkus verbauen, braucht man eine gut ausgebaute Ladeinfrastruktur – in Deutschland noch immer keine Option. Um auf längeren Reisestrecken die nötigen Ladestopps erträglich zu machen, sollen Auto-Akkus wenigstens ein schnelles Nachladen erlauben. Mit Schnellladestationen können Akkus innerhalb von 15 bis 30 Minuten auf 80 Prozent aufgeladen werden.

Selbstverständlich müssen E-Autobatterien auch möglichst lange halten – schließlich ist ihre Herstellung energieaufwendig, und auch die Besitzer sollen sich lange ohne Batterietausch an ihrem Fahrzeug erfreuen können. Heutige gebräuchliche Lithium-Batterien haben nach 1.500 bis 3.000 Ladezyklen noch eine Ladekapazität von 80 Prozent. So ist bei guter Pflege eine Lebensdauer von über 10 Jahren nicht unrealistisch.

Die Haltbarkeit der Batterien hängt aber auch wesentlich von den Einsatzbedingungen und der Einhaltung bestimmter Betriebsparameter ab. Auch die Kapazität der einzelnen Zellen kann sich aufgrund von Fertigungstoleranzen deutlich unterscheiden. Hier kommen Batteriemanagementsysteme (BMS) ins Spiel: Sie balancieren die Ladevorgänge aller Zellen so aus, dass eine optimale Kapazität der gesamten Li-Ion-Batterie auch über Tausende Ladezyklen hinweg gewährleistet wird.

Dazu überwacht ein BMS lückenlos den Zustand der Akkuzellen (bzw. von in Reihe geschalteten Zellengruppen), insbesondere kritische Parameter wie Spannung, Ladezustand, Ladestrom und Temperatur. Anhand dieser Daten steuert das System die Lade- oder Entladevorgänge der einzelnen Zellen und verhindert so extreme Ladezustände. Denn die beeinträchtigen irreversibel den Gesundheitszustand (State of Health, SoH) der Akkuzellen und verringern so die Lebensdauer der Batterie – nicht anders als im Smartphone an der heimischen Steckdose. Wie dort gilt die Faustregel, dass der optimale Ladezustand eines Lithium-Akkus zwischen 20 und 80 Prozent liegt.

Vorsicht: heiß!
Auch die Temperatur des Energiespeichers im Betrieb, also während des Ladens und Entladens, sowie bei der Lagerung hat Einfluss auf den SoH. Im Betrieb fühlt sich die E-Autobatterie bei einer Temperatur um 20 Grad Celsius am wohlsten. Für die Lagerung dürfen es auch 10 Grad weniger sein. Bei Betriebstemperaturen unterhalb von -10 und oberhalb von 40 Grad Celsius kann ein Akku schwere Schäden erleiden.

Temperaturprobleme beim Laden und Entladen werden vor allem durch zu hohe Ströme oder auch durch äußere Bedingungen verursacht. Je nach Vorgabe kann das Batteriemanagementsystem überhitzte Batterien für einen optimalen Wirkungsgrad herunterkühlen, die Maximalleistung senken oder im Winter vor der Fahrt auch vorwärmen lassen. Vor allem beim Schnellladen muss die Temperatur konstant auf niedrigem Niveau unter 30 Grad Celsius gehalten werden.
Wichtig ist es, zu reagieren, bevor es zu Ausfällen kommt oder Zellen geschädigt werden. Entsprechende Daten werden für Wartungszwecke gespeichert und relevante Probleme an den Fahrer gemeldet.

Funktionale Sicherheit
Besondere Anforderungen an das BMS ergeben sich auch aus der erhöhten Brandgefahr von Lithium-Ionen-Batterien. Denn diese können sich auch während des Stillstands entzünden, z. B. während des Ladevorgangs, und ein Brand kann dann auf die Umgebung der Ladestation übergreifen. Um solches zu vermeiden, müssen Ladevorgang, Ladezustand und Temperatur der Batterien jederzeit genauestens überwacht und analysiert werden. Im Fall einer Überhitzung ist der Lade-/Entladevorgang durch das BMS sofort abzubrechen. Bei einem Fahrzeugunfall muss zudem unbedingt sichergestellt werden, dass die Hochvoltsysteme umgehend automatisch vom Fahrzeugnetz getrennt werden.

Batteriehersteller stehen also vor der Herausforderung, ihr Produkt mit einem BMS auszustatten, welches all dies leisten kann. Dabei gilt es, verbindliche Normen für sicherheitsrelevante Systeme in Kraftfahrzeugen zu beachten, z. B. die 661/2009/EG und ISO 26262 für Straßenfahrzeuge. NewTecs normenkonformes BMS-Referenzdesign NTBMS ermöglicht mit umfassender Onboard-Sensorik und vorimplementierten Sicherheits- und Diagnose-Funktionen eine deutliche Reduktion von Entwicklungszeit und -kosten für BMS-Anwendungen bis ISO 26262 ASIL C.

Drahtlos ist besser
Der neueste Trend bei Batteriemanagementsystemen heißt Wireless BMS. Kabel einzusparen bringt viele Vorteile: Kabelverbindungen benötigen Platz und Material, sind aufwendig in der Montage und müssen auch später noch überprüft und gewartet werden können. Kabellose BMS vereinfachen daher die Fertigung. Zudem sind Hersteller damit beim Batteriedesign flexibler, sparen Platz und Gewicht und können dafür mehr Akkukapazität einbauen.
Auch in puncto Zuverlässigkeit sind drahtlose BMS ein Fortschritt: Kabelverbindungen können korrodieren oder sich durch Erschütterungen lösen; zudem sind sie fehleranfälliger.

Natürlich bringt der Verzicht auf Kabel auch Herausforderungen mit sich. Die machen sich vor allem bei der Umsetzung der funktionalen Sicherheit bemerkbar – für BMS wird das Sicherheitsintegritätslevel ASIL D empfohlen. Hier arbeitet NewTec gemeinsam mit Texas Instruments an einem innovativen Projekt, über das Sie an dieser Stelle bald mehr erfahren werden.

 
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