Batteriemanagement

Die zahlreichen elektrischen Verbraucher und die damit einhergehenden Energiemengen sowie die Abhängigkeit der Batterielebensdauer vom Laden, Entladen und der Temperatur machen ein Batteriemanagement notwendig. Das Batteriemanagement in einem Hybridantrieb steuert die Ladung und Entladung der Speicherzellen, es überwacht die Batterie, berechnet Kenngrößen, leitet gegebenenfalls Maßnahmen ein und kommuniziert mit den anderen Systemen im Fahrzeug [13], Bild Hyk15.

• Batterieüberwachung. Die Batterieüberwachung ist ein zentraler Bestandteil des Batteriemanagements, um zum einen Information darüber zu erhalten, welche Fahrfunktionen möglich sind, zum anderen, um die Funktion der Batterie möglichst lange zu gewährleisten. Insbesondere bei Li-Ion Batterien ist eine Batterieüberwachung auch aus Sicherheitsgründen notwendig.
  Mittels verschiedener Sensoren werden die Temperatur, die Spannung und der Strom gemessen. Dabei werden die Messwerte sowohl für das Batteriemodul als auch z. T. für jede einzelne Zelle erfasst. Aus den Messwerten lassen sich Kennwerte berechnet, die für weiterführende Auswertungen benötigt werden, aber auch anderen Systemen, z. B. der Betriebsstrategie über Bus-Systeme zur Verfügung stehen.
  Die wichtigsten Kenngrößen sind State of Charge (SOC), Depth of Discharge (DOC) , State of Function (SOF) und State of Health (SOH).
  SOC gibt den aktuellen Ladezustand der Batterie in % an, wobei die aktuelle Kapazität der Batterie auf die maximal mögliche oder auch auf die Nennkapazität bezogen wird. Da die Kapazität nicht direkt gemessen werden kann, wird der SOC indirekt aus der Spannungs- und Strommessung bestimmt. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Ruhespannung u .a. vom SOC abhängig ist, so dass mit der Spannungsmessung auf den SOC geschlossen werden kann. Ist eine Ruhespannungsmessung nicht möglich, z. B. weil die Batterie gerade geladen wird, kann durch Integration des Stroms in Verbindung mit einem früheren Ruhespannungswert auf den SOC geschlossen werden. Aufgrund der mangelnden Messqualität im Fahrzeug, aber auch weil der SOC noch von anderen Größen beeinflusst wird, ist es notwendig, die Messung mit mathematischen Modellen abzugleichen.
  Der reziproke Wert zum SOC ist die Entladungstiefe DOC, die sich aus 100%-SOC berechnet.
  Als Maß für die Alterung der Batterie wird der SOH verwendet, der der Quotient aus der aktuell maximal möglichen Kapazität des Speichers und der Nennkapazität ist. In der Regel wird sich ein SOH <1 einstellen.
  Insbesondere für andere Systeme im Fahrzeug ist der SOF wichtig, weil er darüber Auskunft gibt, ob eine bestimmte Funktion mit der nötigen Energiemenge oder Leistung versorgt werden kann.
  
  
• Batterielebensdauer. Die Batterie ist bei einem Hybridantrieb ein entscheidender Kostenfaktor. Gegenüber anderen Anwendungsfeldern, wie z. B. in Fotoapparaten oder in Mobiltelefonen, muss die Batterie hier vergleichsweise lange funktionieren. Aufladbare Batterien haben, je nach Typ, eine unterschiedliche charakteristische Lebensdauer, wobei zwischen der kalendarischen und der Zykluslebensdauer unterschieden wird. Die kalendarische Lebensdauer gibt über die zeitliche (Tage, Monate, Jahre) Lebensdauer einer Batterie Auskunft. Hier sind Zersetzungs- und Verdunstungseffekte sowie Verschleiß die limitierenden Faktoren. Die Zykluslebensdauer gibt darüber Auskunft, wie viele Lade- und Entladezyklen eine Batterie aushält. Da die Zykluslebensdauer auch von der Charakteristik der Lade-Entladevorgänge abhängig ist, sind quantitative Aussagen für eine einzelne, konkrete Anwendung schwierig. Wie in Bild Hyk16 zu erkennen ist, sinkt die Lebensdauer gemessen an der durchgesetzten Energie deutlich in Abhängigkeit mit dem Entladehub, das prinzipielle Verhalten der einzelnen Batteriesysteme bleibt jedoch in diesem Punkt immer gleich.
  Ein weiterer wichtiger Einflussfaktor auf die Lebensdauer ist die Batterietemperatur. Bis auf die Hochtemperatur-Natrium-Nickelchlorid Batterie sind alle Batterien empfindlich gegenüber zu niedrigen oder zu hohen Temperaturen. Die Temperatur der Batterie wird zum einen von der Umgebung, zum anderen vom ständigen Laden und Entladen beeinflusst. Dabei sind Autofahrten im Sommer in der prallen Sonne oder im Winter auf einer verschneiten Straße die Extremzustände. Um dennoch die Funktion der Batterie zu gewährleisten, ist das Batteriesystem mit einer Luft- oder Kühlmittelkonditionierung versehen, so dass die Batterie gekühlt und ggf. auch beheizt werden kann. Die angesaugte Luft muss dabei unter Umständen entfeuchtet und von Partikeln befreit werden.
  Da sich die einzelnen Zellen einer Batterie geringfügig unterscheiden, kommt es beim ständigen Laden- und Endladen zu unterschiedlichen Ladezuständen, d. h. der SOC der einzelnen Zelle entspricht nicht dem des Gesamtsystems, folglich werden in Grenzsituationen einige Zellen überladen oder tiefentladen. Außerdem kann es zu negativen, wechselseitigen Effekten zwischen den einzelnen Zellen kommen, was zu einer Verkürzung der Lebensdauer führt. Um das zu verhindern, werden die Zellen überwacht und gegebenenfalls kontrolliert aneinander angeglichen.
  
  
• Lade- und Entladesteuerung. Für die einzelnen Batterietypen sind unterschiedliche Lade- und Entladeverfahren geeignet. So eignet sich für Blei-Säure-Akkumulatoren das Laden mit einer konstanten Spannung oder mit einer Spannungs-Strom-Kennlinie (UI-Kennlinie). Dabei wird zunächst mit einem konstanten Strom geladen, bis sich eine bestimmte Ladespannung einstellt. Danach wird mit konstanter Spannung zu Ende geladen. Mit steigendem SOC sinkt dabei die Stromstärke. Um den Ladevorgang zu beschleunigen kann gegebenenfalls bei Unterschreiten eines vorgewählten Stroms wieder auf Ladung mit konstantem Strom umgeschaltet werden.
  Li-Ion Batterien werden im Idealfall bis zum Erreichen der Zellspannung mit konstantem Strom geladen und anschließend mit konstanter Spannung.
  Außerdem ist die Leistungsfähigkeit der Batterie unter anderem vom SOC abhängig. Für Ni-Mh und Li-Ion Batterien ist in Bild Hyk17 der SOC-Bereich dargestellt, in welchem das Laden und Entladen unter Berücksichtigung der Haltbarkeit sinnvoll ist. Wie zu erkennen ist, kann bei Li-Ion Batterien im Vergleich zu Ni-MH Batterien ein weitaus höherer Anteil der Nennkapazität genutzt werden, was in Verbindung mit der ebenfalls höheren Energiedichte der Li-Ion Batterien einen entscheidenden Vorteil darstellt. Im Batteriemanagement sind diese Grenzen hinterlegt, z. B. wie in Bild Hyk18, wo auch die Betriebspunkte der Batterie eines Hybridfahrzeuges eingezeichnet sind.
  Das optimale Laden und Entladen ist bei einem Hybridantrieb selten möglich, da in der Regel der Fahrerwunsch dem entgegensteht. Das Batteriemanagement muss entscheiden, welcher Kompromiss zwischen Haltbarkeit des Batteriesystems und Funktionserfüllung eingegangen werden kann.
  
  
• Reichweitenabschätzung. Um zu entscheiden, welche elektrische Fahrzeugfunktion aktuell zur Verfügung steht und welche nicht sowie um eventuell Maßnahmen zum Sicherstellen dieser Funktion einzuleiten, benötigt das Energiemanagement des Fahrzeuges vom Batteriemanagement Informationen über die aktuelle Leistungsfähigkeit des Energiespeichers. Die Leistungsfähigkeit setzt sich dabei aus der zur Verfügung stehenden Energie und der maximal möglichen Leistungsbelastung zusammen. Die in der Batterie gespeicherte Energie wird über den SOC und einem hinterlegten Batteriemodell berechnet. Die maximal möglich Leistung wird über Kennfelder u. a. in Abhängigkeit vom Ladezustand und der Temperatur, ermittelt.
  Je nach Funktion sind eher der Energieinhalt und/oder die Leistung entscheidend. Für die Kalkulation der Reichweite, bei ausschließlich elektrischem Betrieb, ist z. B. hauptsächlich der Energieinhalt von Interesse, wohingegen für das Starten des Verbrennungsmotors oder für kurzzeitigen Boostbetrieb bei Überholvorgängen auch die maximal abrufbare Leistung wichtig ist.
  Ergeben die ermittelten Kennwerte, dass eine Funktion nicht oder nur eingeschränkt möglich ist, so muss über eine Verschiebung des Betriebspunktes vom Verbrennungsmotor der Energiespeicher gefüllt oder geleert werden.
  
  

[13] U. Czarkowski: "Modular Battery Management System for Lithium Ion Batteries for Plug-in Hybrid Vehicles", 5th Symposium Hybrid Vehicles and Energy Management, Braunschweig, GZVB, 2008
[14] J. Kümpers, C. Schmitz, “Nickel-metallhydrid-Batterien für Hybridfahrzeuganwendungen”, Tagung Hybridantrieb - die Zukunft des Automobilantriebs?, expert verlag, Germany,2005
[15] U. Hackenberg: "Optionen zur Reduzierung von CO2-Emissionen", ATZ/MTZ Konferenz - Energie CO2 – Die Herausforderung für unsere Zukunft, München, 2008
[16] M. Ullrich: "Energiespeichersysteme für Hybrid- und Brennstoffzellenfahrzeuge", DGES-Fachtagung Hybrid- und Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge: Energiemanagement-Aufgaben und Strukturen, Ingolstadt, 2005