DIE VIRTUELLE BATTERIE
Der comemso Batteriezellen-Simulator – die „All-in-one“- Test- und Entwicklungslösung für Batterie-Management- Systeme von (mobilen) Energiespeichern.
BATTERIEZELLEN BENÖTIGEN EINE ZUVERLÄSSIGE ÜBERWACHUNG
Die Elektromobilität macht weltweit rasante Fortschritte. Für die aktuellen mobilen Energiespeicher bedeutet das: Sie müssen nicht nur eine sehr hohe Leistung erbringen, sondern auch einen zuverlässigen und sicheren Betrieb gewährleisten. Um das zu gewährleisten, müssen Spannung und Temperatur jeder einzelnen Batteriezelle ständig überwacht werden. Dies geschieht über eine eigene Überwachungselektronik, dem sogenannten Cell Management Controller (CMC). Einzelne Batteriezellen werden zu einem Zellmodul zusammengefasst, die jeweils über einen eigenen CMC verfügen (Abb. 1). Beim Cell Management Controller handelt es sich um eine Elektronikkomponente, die aus einem oder mehreren Mikrocontrollern besteht und speziell auf die Überwachung von Batteriezellen ausgelegt ist. Damit er die Spannung zuverlässig erfassen kann, ist der CMC über Messleitungen mit den Plus- und Minuspolen der Zellen verbunden. Zusätzlich besteht auch eine Anbindung an die Temperatursensoren, die für eine optimale Belastung und Ausnutzung von Akkus unverzichtbar sind.
GLEICHGEWICHT
Da die Zellmodule aus mehreren in Reihe geschalteten Einzelzellen bestehen, kann deren Innenwiderstand aufgrund verschiedenster Faktoren, wie zum Beispiel Produktionsschwankungen oder Altersschwäche, stark variieren. Dadurch können unterschiedliche Lade- und Entladekurven entstehen, die bei den Batteriezellen zu einer kritischen Tiefenentladung oder während des Ladevorgangs zu einem Überschreiten der Ladeschlussspannung führen, obwohl sich die Gesamtspannung noch im Nennbereich befindet. Je nach Batterietyp kann dies zu irreparablen Schäden bis hin zum Brand von Batteriemodulen führen! Sollten abweichende Ladungszustände auftreten (Abb. 1), können die Ladezustände der einzelnen Batteriezellen mit einer Ausgleichsregelung aneinander angepasst werden. Diesen Vorgang nennt man Balancing. Eine elektronische Schaltung, die üblicherweise ein fester Bestandteil jedes Batterie- Management-Systems ist, steuert hierbei das gleichmäßige Laden der einzelnen Batteriezellen innerhalb des Zellmoduls. Dabei berücksichtigt sie die Spannung und den daraus ermittelten Ladezustand, auch State of Charge (SoC) genannt. Zusätzlich wird die Temperatur jeder einzelnen Zelle erfasst, die durch den chemischen Prozess beim Lade- und Entladevorgang bestimmt wird.
DIE SCHALTZENTRALE
Das Batterie-Management-System (BMS) beinhaltet die Battery Management Unit (BMU) und sämtliche Cell Management Controller (Abb. 2). Die BMU ist das zentrale Steuergerät für Batteriemodule wie Antriebsbatterien bei Elektrofahrzeugen oder alle anderen Arten von Energiespeichern. Sie fungiert als „Gehirn“, in dem alle Informationen der Batteriezellenüberwachung zusammenlaufen. Anhand der Batteriezellspannungen ermittelt sie den aktuellen Ladezustand (SoC, State of Charge) und übernimmt zum Beispiel die ganzheitliche Kommunikation zwischen Antriebsbatterie und Fahrzeug. Darüber hinaus gibt sie gegebenenfalls den Befehl zum „Balancen“, damit wie zuvor beschrieben die Batteriezellen nicht tiefentladen bzw. überladen werden. In batteriebetriebenen Fahrzeugen wird sie über das 12- bzw. 24-Volt-Bordnetz mit Spannung versorgt und beeinflusst somit im Stillstand nicht die Reichweite. Im Gegensatz dazu werden die Cell Management Controller in der Regel mit elektrischer Energie aus der Antriebsbatterie versorgt und erzeugen daher geringe Ladeverluste. Deshalb ist es wichtig, bei der Entwicklung der CMC darauf zu achten, den Energieverbrauch so gering wie möglich zu halten und einen Ruhemodus zu implementieren, um eine möglichst geringe „Eigenentladung“ zu gewährleisten.
BALANCING: PASSIV UND AKTIV
Sobald bei ungleichen Zellspannungen eine Zelle einen SoC von 100 % erreicht hat, wird der gesamte Zellpack nicht mehr weitergeladen. Daher muss spätestens zu diesem Zeitpunkt ein Balancing eingeleitet werden. Dabei wird die vollständig geladene Zelle auf das Niveau der restlichen Zellen entladen, damit anschließend alle Zellen gemeinsam wieder weiterladen können. Beim Balancing unterscheidet man zwischen passivem und aktivem Balancing. Beim passiven Balancing werden Widerstände anhand eines festgelegten Algorithmus bei den Zellen mit dem höchsten Ladezustand zugeschaltet, sodass sie fortan nur gering weitergeladen bzw. sogar entladen werden. Die übrigen noch nicht vollständig geladenen Batteriezellen in der Reihenschaltung werden weiterhin mit vollem Ladestrom versorgt, bis der SoC ausgeglichen ist. Diese Variante ist einfach umzusetzen und dadurch kostengünstig. Allerdings wird hierbei Energie in Wärme umgewandelt, wodurch die Effizienz herabgesetzt wird. Beim aktiven Balancing wiederum werden die Ladungen der Batteriezellen untereinander transferiert. Dieser Vorgang wird von der BMU gesteuert. Hierbei wird Energie von den bereits vollständig geladenen Zellen auf diejenigen benachbarten Batteriezellen übertragen, die ihren Ladezustand noch nicht erreicht haben. Hierfür gibt es drei Methoden: a) das Schalten mit Halbleitern (z. B. Matrix mit Transistoren), b) die kapazitive Umladung und c) die induktive Umladung. Der Vorteil liegt hier im höheren Wirkungsgrad, da die Energie nur in geringen Anteilen in Wärme umgewandelt wird. Allerdings entsteht beim aktiven Balancing ein höherer schaltungstechnischer Aufwand, was höhere Kosten für Entwicklung und Hardware nach sich zieht.
Passives Balancing
Actives Balancing
VIRTUELLE BATTERIEZELLEN
Da die Testbedingungen mit realen Batterien gefährlich, nicht reproduzierbar und nicht automatisierbar sind, benötigt man zur Validierung von Batterie- Management-Systemen einstellbare „virtuelle Batteriezellen“. Diese virtuellen Batteriezellen sind als Zellmodule im Batteriezellen-Simulator realisiert: Da all ihre elektrischen Eigenschaften parametrierbar sind, können sie dem Batterie-Management-System alle notwendigen Zustände bzw. Störungen simulativ bereitstellen. Für Ruhestrommessungen sowie zur Detektion ungewollter Leckströme, die beispielsweise durch defekte Ausgänge des Batterie-Management-Systems oder falsche Softwareansteuerung auftreten können, kommen hochpräzise Strommessgeräte zwischen Zelleingang am BMS und Zellausgang am Zellmodul zum Einsatz. Durch diese Leckstrommessung lassen sich Fehler beim Abschalten des BMS frühzeitig erkennen, um anschließend einer Tiefentladung und Beschädigung der Batteriezellen vorzubeugen. Zusätzlich werden die an den Zellen verbauten Temperatursensoren durch eine geeignete galvanisch getrennte Temperatursensor-Emulation, die NTC/PTC-Sensor-Simulation, ersetzt. Sämtliche Datensignale der einzelnen Zellmodule lassen sich damit dem Prüfstand/Hardware-in-the-Loop-System (HiL-System) zuführen. Die Batteriezellen und Temperatursensoren von comemso emulieren dabei die reale Funktionsweise, sodass das BMS im Labor betrieben werden kann. Mittels Fehlersimulation besteht zusätzlich die Möglichkeit, fehlerhafte Systemzustände zu generieren, sodass auch die Fehlfunktion einer Komponente und die damit erforderliche Erkennung derselben im Labor prüfbar ist. Damit stellt ein comemso Batteriezellen-Simulator ein wesentliches Testgerät zur Verifikation der kompletten BMS-Funktionalität dar.
BZS Test-System
Blockdiagramm der virtuellen Batteriezelle
ANWENDUNGSBEREICHE
Typische Anwender eines Batteriezellen-Simulators sind einerseits Algorithmen-Entwickler für passives und aktives Balancing sowie Entwickler von Batterie- Management-Systemen, aber auch Hersteller von Chips für Batterie-Management-Systeme, Energiespeicher- bzw. Fahrzeughersteller, die eine Funktionsprüfung vor der BMS-Integration in Serie vornehmen möchten, ebenso wie Test- und Zertifizierungslabore.
