Intelligentes Batteriemangement für Lithium-Ionen-Zellen im Hybridfahrzeug Am liebsten lebenslänglich - AutomobilKONSTRUKTION

Intelligentes Batteriemangement für Lithium-Ionen-Zellen im Hybridfahrzeug

Am liebsten lebenslänglich

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Als Folge der Klima- und Energiediskussion sind Automobilhersteller zunehmend gezwungen, alle Möglichkeiten zur Verbrauchsreduzierung auszuschöpfen. Eine Maßnahme ist der Hybridantrieb, bei der die Halb- leiterhersteller durch ein intelligentes Batteriemanagement eine wichtige Rolle einnehmen.

Um die Anforderungen eines Komplettsystems an die Einzelkomponenten besser zu verstehen, hat der Halbleiterhersteller Infineon ein fahrtüchtiges Gefährt, das sogenannte „E-Cart“, entwickelt, das unter anderem den elektrischen Anteil eines Hybridfahrzeugs abbildet. In der Hybridtechnologie unterstützt ein Elektromotor die Verbrennungsmaschine. Die beim rekuperativen Bremsen erzeugte Energie wird üblicherweise in größeren Batteriemodulen gespeichert. Beim Beschleunigen kann diese Energie dann wieder zurückgeholt werden. Da die als Starterbatterie verwendeten Blei-Akkus für hohe Zyklenzahlen nicht geeignet sind, müssen andere Technologien eingesetzt werden. In der Vergangenheit wurden die hochgiftigen Batteriezellen aus Nickel-Cadmium durch die Nickelmetallhydrid-Technik ersetzt. Inzwischen sind die neuen Lithium-Ionen-Zellen jedoch so weit ausgereift, dass sie für den Einsatz in Fahrzeugen in Frage kommen. Sie weisen eine hohe Energiedichte, eine lange Lebensdauer und hohe Zyklenzahlen auf. Allerdings reagieren sie anders als die auf Nickel basierenden Vorfahren sehr empfindlich auf Über- oder Tiefentladung und werden dabei irreversibel beschädigt. Aus diesem Grund müssen die Zellen bezüglich ihrer Spannung permanent einzeln überwacht werden. Sobald der Ladungszustand der Zellen auseinanderdriftet, ist ein Ausgleich durchzuführen.

Leistungsfähigkeit einer Kette
Die Batterien in Hybridfahrzeugen müssen sowohl hohe Spannungen (bis zu 300 V) als auch hohe Ströme (bis zu 100 A) bereitstellen und haben eine Kapazität von bis zu 5 kWh. Da Einzelzellen weit geringere Werte ausweisen, werden große Anzahlen von Zellen für die Stromerhöhung parallel geschaltet, womit sie automatisch zu einer identischen Spannung gezwungen werden und sich wie eine einzige Zelle mit dem Vielfachen der Einzelkapazität verhalten. Zur Erhöhung der Spannung werden gleichzeitig bis zu 100 Zellen in Serie verbunden, wobei diese zwangsweise alle mit dem gleichen Lade- und Entladestrom beaufschlagt werden. Sobald aber eine einzige Zelle in der Kette entweder an die obere oder untere der erlaubten Spannungsgrenzen stößt, muss der Strom sofort gestoppt werden, ungeachtet des Ladungszustandes der restlichen Zellen. Das Ende des Entladevorgangs bestimmt die erste leere Zelle, das Ende des Ladevorgangs bestimmt die erste volle. Je weiter dabei der Ladungszustand der Zellen auseinander liegt, umso geringer ist der nutzbare Ladungshub der Kette. Ursache für die Ladungsunterschiede sind zum einen unterschiedliche Kapazitäten zu Beginn der Ladung oder die Alterung der Batterien. Zum anderen unterscheiden sich die Selbstentladungsraten der Zellen, die sich besonders bei längeren Standzeiten auswirken.
Nur wenn es gelingt, den Ladungszustand der Zellen in allen Betriebszuständen gleich zu halten, nutzt man die Kapazität der teuren Batterien optimal aus.
Aktives Batteriemanagement
Die einfachste Möglichkeit zum Angleich des Ladungszustandes ist eine passive Lösung. Dabei kann an jede einzelne Zelle ein Lastwiderstand geschaltet werden, der ihr ,sobald die erste Zelle voll ist, den Strom entnimmt. Diese in allen Notebooks angewendete Methode hat den Nachteil der dabei entstehenden Verlustleistung. Entweder ist die Leistungsfähigkeit sehr gering, oder es muss für eine aufwändige Kühlung gesorgt werden. Gerade bei Hybridfahrzeugen sind die Energiebilanz und ein schnelles Balancing bei den häufigen Zyklen notwendig. Ziel ist es, möglichst verlustfrei Ladungen aus gut geladenen Zellen in schwächere zu verschieben. Die elektrische Energie kann dabei auf zwei Arten zum Transport zwischengespeichert werden.
Bei der kapazitiven Variante in einem Kondensator ist der Materialaufwand verhältnismäßig groß. Daher favorisiert Infineon die induktive Variante durch ein magnetisches Feld einer Spule mit einem speziellen Trafo als Energiespeicher – entwickelt in Zusammenarbeit mit der Vogt electronic Components GmbH. Der Batteriestrang des E-Cart enthält 50 Zellen in Serie. Für eine bessere Handhabbarkeit ist er in fünf Einzelböcke aufgeteilt, wobei in den Blöcken jeweils drei Zellen parallel geschaltet sind. Batterielieferanten sprechen hier von einer 3P10S-Anordnung. Jeder Block hat einen Trafo als Kernstück und einen 8-bit Mikrocontroller XC886. Die Schaltfunktionen werden durch niederohmige Mosfets des Types Optimos 3 ausgeführt, die über einen Kondensator angekoppelt sind und direkt von Portpins gesteuert werden. Entsprechend dem bei Stromversorgungen üblichen Sperrwandler-Prinzip gibt es eine Primärwicklung, die durch Schließen von SP1 mit der gesamten Blockspannung verbunden werden kann. Über die Schalter S1 bis Sn sind die jeweiligen Zellen mit einer Sekundärwicklung verbunden. Diese Methode, genannt Top-Balance, ermöglicht es beim Ladevorgang, die Ladung aus einer starken Zelle auf den ganzen Block zu verteilen. Analog dazu kann der Energiefluss beim Entladevorgang im Bottom-Modus umgekehrt werden. Aus allen Zellen in die Primärwicklung aufgenommen, kann der Strom hier in die bedürftigste Zelle eingespeist werden. Durch Anpassung der Software lassen sich Top-Balance- und Bottom-Balance-Methode vielfältig kombinieren. Bei den Prototypen von Infineon werden die Zellen im Sekundentakt gemessen. Sobald eine Spannung deutlich vom Mittelwert aller Zellen abweicht, wird für 4 s ein Ladungsausgleich durchgeführt. Gegenüber der im passiven Verfahren üblichen 100 mA wird hier mit einem mittleren Strom von 5 A umgeladen.
Spannungsmessung der Einzelzellen
Die Problematik beim Messen der einzelnen Zellspannungen in Serienschaltungen besteht darin, dass diese auf verschiedenen Niveaus liegen. Dazu braucht man üblicherweise spannungsfeste Differenzverstärker und einen Multiplexer. Dieser verbindet die einzelnen Pegel mit dem Analog-Eingang des Mikrocontrollers. Durch trickreiche Ausnutzung der für das Balancing vorhandenen Infrastruktur kann mit einem kleinen Zusatzfilter die Aufgabe kostengünstig erledigt werden. Durch ein kurzes Schließen eines Sekundenschalters wird die jeweilige Spannung zur Primärwicklung transformiert. Diese Spannung ist dann schon auf Massepotenzial bezogen und kann dem Mikrocontroller direkt zugeführt werden. Die aktive Balancing-Schaltung bringt deutliche Performance-Verbesserungen. Bei geringen Zusatzkosten verglichen mit einer passiven Lösung wird die Kapazität eines Batterie-Stacks optimaler ausgenutzt und die Lebensdauer verlängert.
Infineon;
Telefon: 089/234-0;
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