Qualifizierung und Verifizierung von Hochleistungsbatteriesystemen für Traktionsanwendungen unter dynamischer Last

Die Qualifizierung und Verifizierung einer Traktionsbatterie ist eine unerlässliche Voraussetzung, bevor solche Systeme auf den Markt gebracht werden. Ein geeigneter Prüfstand muss einen großen Spannungs- und Strombereich und eine hohe Dynamik abdecken und sollte darüber hinaus die erforderlichen Prüfungen so realistisch und anwendungsorientiert wie möglich ausführen können. Dafür werden hochpräzise und dynamische Messtechniken benötigt. In dieser Abhandlung werden zunächst die Bauformen von Hochleistungs-Traktionsbatterien und die Anforderungen an die Prüfung solcher Systeme beschrieben und anschließend ein spezieller Hochleistungsprüfstand und eine mögliche Lösung für die Instrumentierung mit dem Datenerfassungssystem GEN3i vorgestellt. Zum Schluss werden verschiedene Messungen erläutert.

Autoren

Johannes Büdel, M.Eng.,
Thomas Kowalski, M.Eng.,
Prof. Dr.-Ing. Johannes Teigelkötter, University of Applied Science Aschaffenburg,
Dipl.-Ing. Klaus Lang, Hottinger Baldwin Messtechnik, Darmstadt

1. Einleitung

Die wachsende Nachfrage und der Bedarf an elektrischen Energiespeichersystemen in mehreren verschiedenen Anwendungen bringt die Notwendigkeit mit sich, fortlaufend neue Batteriesysteme zu entwickeln und neue Batterietechnologien zu erforschen. Diese ständig weiter fortschreitende Entwicklung führt zu immer höheren Energie- und Leistungsdichten. Dadurch kann bei gleichbleibenden mechanischen Merkmalen wie Gewicht und Baugröße die Speicherkapazität der Batterien erhöht werden. Dies führt unter anderem bei Traktionsanwendungen zu noch größeren Reichweiten und ebnet den Weg für die weitere Ausbreitung von Elektromobilität. Insbesondere für den Einsatz in mobilen Traktionsanwendungen müssen Batteriespeichersysteme hohe Anforderungen erfüllen. Kriterien wie die Energiespeicherkapazität und die Baugröße der Batterie, die durch ihre Energie- oder Leistungsdichte bestimmt werden, sowie die implementierten Sicherheitskonzepte dienen als Grundlage für eine erste Bewertung der Speichersysteme und damit als Auswahlkriterium für die geplante Anwendung. Daher ist bereits während des Entwicklungsprozesses eine qualifizierte Prüfung der notwendigen anwendungsspezifischen Anforderungen unerlässlich. Um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten, ist es zwingend erforderlich, dass alle diese Prüfverfahren so realistisch wie möglich und anwendungsorientiert durchgeführt werden. Nur dann können Aussagen über das Verhalten des Batteriesystems in der später vorgesehenen Anwendung getroffen werden. Deshalb muss ein moderner Prüfstand die hohen und ganz speziellen Prüfanforderungen flexibel erfüllen können. Insbesondere für Hochleistungsbatteriesysteme muss der Prüfstand auch hochdynamisch sein und einen großen Leistungsbereich abdecken. Zu berücksichtigen sind zudem die hohen Anforderungen an die Instrumentierung der Prüfumgebung. Die Messtechniken müssen hochpräzise und für eine dynamische Erfassung geeignet sein. Sie müssen Live-Überwachung ebenso bereitstellen können wie die Nachbereitung und Auswertung der Daten

2. Hochleistungs-Traktionsbatteriesystem

Die folgenden Ausführungen beziehen sich nur auf die Lithium-Ionen-Batterie, da diese Technologie das Potenzial besitzt, die heutigen Anforderungen an Energie- und Leistungsdichte für die Anwendung in Elektrofahrzeugen (EFZ) [1] zu erfüllen. Wie in Abbildung 1 und 2 gezeigt, besteht ein Batteriesystem aus verschiedenen komplexen Teilsystemen. Diese Einzelkomponenten müssen eng miteinander koordiniert werden, um einen sicheren und optimalen Betrieb zu gewährleisten. Durch Zusammenschalten einzelner elektrochemischer Zellen können hohe Systemspannungen und Kapazitäten erreicht werden. Damit das Batteriepaket insgesamt die geforderten Spannungen und Ströme bereitstellt, enthält es viele einzelne Zellen, die in Reihe und parallel geschaltet werden. Für die Anwendung in Traktionsbatterien kann das Paket mehrere hundert Einzelzellen enthalten. Üblicherweise wird der große Zellenstapel in kleinere, als Module bezeichnete Stapel unterteilt. In jedem der Module werden die Zellen zusammengelötet, um eine elektrisch leitende Bahn für den Stromfluss herzustellen. Ein Batteriepaket besteht aus mehreren dieser Module. Die Module können auch Kühlsysteme, Temperaturüberwachungen und weitere Vorrichtungen enthalten, beispielsweise zum Zellenausgleich. Der Zellenausgleich ist wichtig für die Lebensdauer des Batteriesystems, denn ohne Ausgleichssystem entwickeln sich im Lauf der Zeit zu starke Spannungsunterschiede zwischen den einzelnen Zellen. Dies führt zu einer raschen Kapazitätsverschlechterung des gesamten Batteriepakets [2].

Abbildung 1: Verschiedene Teilsysteme einer Traktionsbatterie
Abbildung 2: Typischer Aufbau einer Batterie für Traktionsanwendungen

Je nach Präferenzen der Batteriehersteller können sich die verwendeten Batteriezellen in ihrer chemischen Zusammensetzung, ihren Formen und Maßen unterscheiden. Dies führt zu einer ersten klaren Unterscheidung der verschiedenen Batteriesystem-Konzepte. Neben den zusammengeschalteten Einzelzellen und Modulen besteht ein Batteriesystem aus weiteren mechanischen und elektrischen Komponenten, die den Betrieb des Systems ermöglichen. Für einen optimalen Betrieb müssen diese Komponenten eng miteinander und mit der vorgesehenen Anwendung koordiniert werden. Um den Strom des Batteriepakets bei einem Kurzschluss zu begrenzen, ist der Satz mit einer Hauptsicherung ausgestattet. Üblicherweise verfügen auch die einzelnen Stapel über eine Modulsicherung zur Begrenzung interner Überströme. Oft ist in die Leitungsbahn der Batterie ein „Servicestecker“ eingebaut, der entfernt werden kann, um den Batteriestapel in zwei galvanisch getrennte Hälften zu teilen. Außerdem enthält die Batterie Relais oder Schaltschütze, über die die Verteilung der elektrischen Leistung des Batteriepakets gesteuert wird, die an den Ausgangsklemmen abgegeben wird. In den meisten Anwendungen gibt es mindestens zwei Hauptrelais, die die Zellenmodule mit der negativen und der positiven Hauptklemme des Pakets verbinden. Bei einigen Batteriekonzepten dienen zusätzliche Wechselstrombahnen dazu, das Traktionssystem mit einem begrenzten Strom vorzuladen oder eine Eigenbedarfsschiene mit Strom zu versorgen. Außerdem enthalten für Traktionsanwendungen genutzte Batterien oft einen Brems-Chopper. Diese Vorrichtung wird benötigt, um ein Überladen der Batterie während der Rekuperation zu verhindern. Wenn die Batterie vollständig zu 100 % aufgeladen ist, wandelt der Brems-Chopper die überschüssige Energie während der Rekuperation in thermische Energie um. Dies verhindert ein Überladen der Batterie. Jedes Traktionsbatteriesystem enthält zudem eine Vielzahl von Temperatur-, Spannungs- und Stromsensoren. Die Erfassung und Analyse der Daten von den Sensoren der Zellen/des Pakets sowie die Steuerung der Schütze und des gesamten Batteriesystems erfolgt durch das Batteriemanagementsystem (BMS). Mithilfe der erfassten Daten übernimmt das BMS die Aufgabe der Zustandsüberwachung, beispielsweise die Bestimmung des Ladezustands („state-of-charge“, (SOC) und das Fehlermanagement. Das BMS ist somit ein komplexes und wichtiges elektronisches System für das Management von Leistungsfähigkeit und Sicherheit des Batteriepakets und der hohen in ihm gespeicherten elektrischen Energie. Eine gründliche Prüfung des BMS ist daher unverzichtbar.

Wie im vorherigen Absatz beschrieben, müssen zum Bau eines sicheren und zuverlässigen Batteriesystems für Traktionsanwendungen alle Einzelkomponenten optimal koordiniert werden. Die Komplexität der Einzelkomponenten führt zu einer komplexen Wechselwirkung zwischen ihnen und dementsprechend zu einem technisch höchst anspruchsvollen Batteriesystem. Dabei ist es unbedingt erforderlich, diese Wechselwirkung im Hinblick auf die vorgesehene Anwendung unter realistischen Bedingungen zu verifizieren. Welche Prüfungen in jedem der Schritte durchgeführt werden, ist allerdings eine andere Frage und hängt von den Besonderheiten des Prozesses und des Geräts ebenso ab wie von der vorgesehenen Anwendung. Da jedes Konzept eines Batteriesatzes ein Unikat ist und die Prüfanforderungen sich je nach Einsatzzweck unterscheiden, muss ein Prüfstand die einzelnen Aufgaben der Batterieprüfung flexibel erfüllen können.

3. Anforderungen an geeignete Prüfverfahren

Um die besonderen Anforderungen der Automobilindustrie zu erfüllen, ist es unerlässlich, spezielle Prüfverfahren für Batteriesysteme und ihre Einzelkomponenten zu entwickeln. Die Norm ISO 12405 enthält spezifische Prüfverfahren für Lithium-Ionen-Batteriesysteme und -pakete, die speziell für den Antrieb von Straßenfahrzeugen entwickelt wurden. Sie legt die Prüfungen und zugehörigen Anforderungen fest, mit denen sichergestellt werden kann, dass ein Batteriepaket oder -system in der Lage ist, den besonderen Erfordernissen der Automobilhersteller gerecht zu werden. Prüfungen von Leistung und Zuverlässigkeit und Prüfungen auf möglichen Missbrauch sind nur einige der vielen Aspekte, die untersucht werden müssen [3].

Um ein sicheres, zuverlässiges und normgerechtes Batteriesystem zu bauen, müssen die Prüfverfahren schließlich ausgeführt und die Ergebnisse müssen ausgewertet werden. Zusätzlich zu den genormten Prüfverfahren sind jedoch auch realistische und anwendungsorientierte Prüfungen durchzuführen. Das bedeutet, dass das Batteriesystem unter den Bedingungen in seiner Anwendung untersucht werden muss. In den konkreten Prüfverfahren ist zu verifizieren, dass das System sicher und zuverlässig arbeitet und die anwendungsspezifischen Funktionen erfüllt. Die vielfältigen Untersuchungen umfassen unter anderem die Verifizierung der zuverlässigen Wechselwirkung zwischen den Einzelkomponenten, die korrekte Wechselwirkung zwischen dem BMS und dem Fahrzeug, die Einhaltung der anwendungsspezifischen Sicherheitsanforderungen, das Lastverhalten in bestimmten Temperaturbereichen, die Belastung der Batterie durch Spitzenströme und das Verhalten des Systems bei unterschiedlichen Temperaturen. Ein Batteriesystem darf erst in der Anwendung eingesetzt werden, nachdem es diesen Qualifizierungs- und Verifizierungsprozess erfolgreich durchlaufen hat.

4. Hochleistungsprüfstand für Traktionsbatteriesysteme

Aufgrund der hohen und sehr individuellen Anforderungen an Hochleistungs-Traktionsbatterien muss ein dafür vorgesehener Prüfstand entsprechend hohe Anforderungen an die Prüfverfahren erfüllen. Ein Prüfstand muss den großen Spannungs- und Leistungsbereich der künftigen Batteriesysteme abdecken. Daneben liegt das Hauptaugenmerk bei einem Prüfstand auf seiner Fähigkeit, die Prüfungen möglichst flexibel und hocheffizient durchzuführen. Die Ausgestaltung der Prüfverfahren muss dabei so realistisch und anwendungsorientiert wie möglich sein. Das bedeutet, dass der Prüfstand zusätzlich zu den Prüfungen der leistungsbezogenen Parameter wie Kapazität und Batterieleistung die anwendungsorientierten Betriebsbedingungen ebenso simulieren muss wie die möglichen Fehlerszenarios. Aufgrund der individuellen Besonderheiten der verschiedenen Batteriesysteme muss der Prüfstand die Flexibilität bieten, sich an die jeweiligen Schwellenwerte und vorgegebenen Bedingungen für die Prüfung der Sicherheitskonzepte und auch der Funktionalität des gesamten Systems anzupassen. Selbstverständlich muss dabei eine sichere Betriebsumgebung für das Messobjekt („Device under Test“, DUT) und das Bedienpersonal gewährleistet sein. Vor dem Hintergrund der hohen Anforderungen an den Prozess der Qualifizierung und Verifizierung eines Hochleistungs-Traktionsbatteriesystems wird in diesem Abschnitt ein spezieller Hochleistungsprüfstand für diese Systeme und ihre Einzelkomponenten vorgestellt.

Die Leistungselektronik-Schnittstelle des Prüfstands besteht aus zwei Zweipunkt-Umrichtern, die über einen gekoppelten Gleichspannungszwischenkreis verbunden sind. Die drei Halbbrücken des ausgangsseitigen DC/DC-Umrichters regeln den Lade-/Entladestrom der Batterie, während der netzseitige Umrichter die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises und den Netzstrom regelt. Mit dieser Konfiguration ermöglicht der Prüfstand einen Stromfluss in beide Richtungen zwischen dem DUT und dem Netz mit einer maximalen Betriebsleistung (Scheinleistung) von 250 kVA. Dies sorgt dafür, dass Lade- und Entladeexperimente mit hoher Leistung und Energieeffizienz durchgeführt werden können.

Abbildung 3: Prinzipschaltbild des vorgestellten Prüfstands

Abbildung 2 stellt das Prinzipschaltbild der Leistungsanschlüsse dar. Zu den Netzanschlusskomponenten gehören der Netzausschalter, das Netzfilter und die Netzdrossel, der Trenntransformator für die Potentialtrennung und ein Gleichspannungszwischenkreis zum Vorladen. Die Ausschalter Q1 bis Q5 sorgen für die galvanische Trennung zwischen dem Prüfstand und dem Netz sowie dem DUT. Tabelle 1 listet die elektrischen Kenndaten des vorgestellten Prüfstands auf.

Tabelle 1: Elektrische Kenndaten des vorgestellten Prüfstands

Netzspannung|400 V
Ausgangsspannungsbereich|0 – 750 V
Maximaler Ausgangsstrom|± 800 A
Maximaler Ausgangsrippelstrom|≤ 1 A
Maximale Systemleistung|250 kVA

Um genaue Untersuchungsergebnisse zu garantieren und das DUT nicht unnötig zu belasten, muss es mit einem geringen Rippelstrom geladen/entladen werden. Dadurch wird sichergestellt, dass das DUT nur mit den vorab definierten und standardisierten Lastprofilen geladen/entladen wird, sodass die Reaktion des DUT eindeutig diesen Profilen zugeordnet werden kann. Deshalb sind die drei ausgangsseitigen Halbbrücken zu je drei Synchronwandlern aufgebaut und parallel geschaltet. Der Laststrom wird infolgedessen auf die drei einzelnen Phasen aufgeteilt. Diese Stromaufteilung verhindert, dass ein einzelnes Modul einer übermäßigen Strombelastung im stationären Zustand sowie bei Leitungs-/Lasttransienten ausgesetzt ist. Außerdem können sehr hohe Batterieströme erzielt werden. Durch den gewählten Ansatz, die drei Phasen mit einer Verschiebung von genau 120° verschachtelt zu schalten, haben die Rippelströme der Drosselspule die Tendenz, sich gegenseitig aufzuheben, wodurch ein kleinerer Rippelstrom in den Ausgangskondensator fließt [4]. Auch die Frequenz des Ausgangsrippelstroms wird verdreifacht. Unter bestimmten Bedingungen ist es möglich, den Rippelstrom am ausgangsseitigen Knoten zu eliminieren. Die Phasenbeziehung in Abbildung 4 zeigt, wie die gegenseitige Aufhebung der Rippelströme am Ausgang funktioniert.

Abbildung 4: Spannungen und Ströme der Drosselspule für die verschachtelte Drei-Phasen-Schaltung, D = 0,75, m = 1, 2, 3
Abbildung 5: Normalisierter Spitze-Spitze-Ausgangsrippelstrom über dem Tastverhältnis,

Um die Amplitude des Ausgangsrippelstroms in einem m-Phasen-Stromkreis zu quantifizieren, wurde eine Lösung in geschlossener Form entwickelt [4]:

Die Abhängigkeit zwischen dem Ausgangsrippelstrom und dem Tastverhältnis für die Drei-Phasen-Anwendung wird in Abbildung 5 dargestellt. Bei einem Tastverhältnis D = [0, 1/3, 2/3, 1] führt die gegenseitige Aufhebung der Ströme zu einem Ausgangsrippelstrom von 0 A. Innerhalb des gesamten Bereichs wird der maximale Spitze-Spitze-Ausgangsrippelstrom im Vergleich zum maximal möglichen Ausgangsrippelstrom in einer einzelnen Phase um einen Faktor von mindestens drei verringert.

Zusätzlich wird zur Minimierung des Ausgangsrippelstroms für alle Arbeitspunkte ein individuelles Filternetzwerk entwickelt. Um eine hohe Dämpfungsflanke zu erreichen, ist das Tiefpassfilter als mehrstufiges Filter ausgeführt. Dank der verschachtelten Schaltung mit 8 kHz pro Halbbrücke ist dieses Filter auf die resultierende Frequenz von 24 kHz optimiert. Mit allen diesen Maßnahmen wird erreicht, dass der Ausgangsrippelstrom über den gesamten Ausgangsspannungsbereich des Prüfstands auf weniger als 1 A minimiert wird. Abbildung 6 zeigt den vorgestellten Prüfstand mit dem Datenrekorder GEN3i und einem geeigneten DUT.

Abbildung 6: Vorgeschlagener Hochleistungsprüfstand, GEN3i, Pb-Traktionsbatterie

Außer dem äußerst geringen Rippelstrom und dem großen Spannungs- und Strombereich bietet der Prüfstand auch die Möglichkeit, realistische und anwendungsorientierte Prüfverfahren durchzuführen. Der Prüfstand kann sich flexibel an die spezifizierten Prüfbedingungen und Batteriesysteme anpassen. Dadurch können die verschiedenen Sicherheitsmaßnahmen wie Über- und Unterspannungsschutz verifiziert werden. Der Prüfstand kann dazu an die jeweiligen Schwellenwerte angepasst werden, um die Prüfungen gemäß Spezifikation und gefahrlos durchzuführen. Dank der Möglichkeit, sowohl genormte als auch herstellerspezifische Lastprofile und Impulsprüfungen durchzuführen, kann das Batteriesystem für den Einsatz in der später dafür vorgesehenen Anwendung geprüft werden. Solche Prüfungen sind notwendig, um sinnvolle Aussagen über das Verhalten der Batterie in der vorgesehenen Anwendung treffen zu können. Darüber hinaus kann auch die Konfiguration der Batterie verifiziert werden. Damit kann geprüft werden, ob die einzelnen Komponenten für sich allein und auch in ihrer gegenseitigen Wechselwirkung ordnungsgemäß arbeiten. Der Prüfstand bietet außerdem die Möglichkeit, gängigen Prüfverfahren wie die Bestimmung der Speicherkapazität oder Zyklenprüfungen, aber auch komplexere Untersuchungen wie die automatische Bestimmung des Gleichstrom- und Wechselstrom-Innenwiderstands mittels elektrischer Impedanzspektroskopie zu bestimmen. Zusätzlich zur Prüfung eines vollständigen Batteriesystems können auf dem Prüfstand auch Einzelkomponenten wie einzelne Zellen/Module oder die integrierte Leistungselektronik geprüft werden. Dank seiner hochgradigen Flexibilität ist der Prüfstand zudem für weitere Gleichstrom-Prüfanwendungen geeignet. Die besonderen Sicherheitsfunktionen, mit denen der Prüfstand ausgestattet ist, gewährleisten eine sichere Prüfumgebung. So testet beispielsweise ein Isolationsüberwachungssystem den Prüfstand und das DUT auf Isolationsfehler.

5. Instrumentierung

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Einrichtung einer Prüfumgebung für den Qualifizierungs- und Verifizierungsprozess von Traktionsbatterien ist die Auswahl und Optimierung der geeigneten Messgeräte. Sie sind die Voraussetzung für die Gewinnung zuverlässiger Ergebnisse, auf deren Grundlage genaue Aussagen über das Verhalten des Batteriesystems in der später vorgesehenen Anwendung getroffen werden können. Deshalb muss die Reaktion des DUT während eines Prüfverfahrens hochpräzise und dynamisch aufgezeichnet werden. Zu den vielen verschiedenen Messsignalen, die bei der Prüfung einer Traktionsbatterie aufgezeichnet werden, gehören Spannung/Strom an den Batterieklemmen, Spannungen/Ströme von Zelle oder Modul und die Temperaturen an verschiedenen Punkten. Um das Verhalten der Batterie unter verschiedenen Bedingungen zu verstehen und zu verifizieren, müssen die diskreten Signale synchronisiert werden. Nur mit dieser Synchronisation kann der Zustand der Batterie an bestimmten Arbeitspunkten analysiert werden. Entsprechend den verschiedenen Signaltypen und -bereichen muss sich ein geeignetes Datenerfassungssystem flexibel an die jeweiligen Bedingungen anpassen können. Neben der hochgenauen Messung der hohen Spannung an den Batterieklemmen muss die Messausrüstung auch gewährleisten, dass die „Nieder“-Spannungen der einzelnen Zellen mit gleicher Genauigkeit gemessen werden. Ebenso wichtig wie die Anpassung an unterschiedliche Signalpegel ist die Fähigkeit, die riesige Anzahl unterschiedlicher Signale gleichzeitig aufzuzeichnen. Darüber hinaus muss die Online-Überwachung der Signale, insbesondere der kritischen Signale, sichergestellt sein, damit die Personen, die die Prüfung durchführen, beim Eintreten kritischer Bedingungen oder unvorhersehbarer Störungen das Prüfverfahren manuell abbrechen können. Zur weiteren Analyse und Dokumentation des Prüfverfahrens sollte eine einfache Nachbearbeitung und Auswertung möglich sein.

GEN3i von HBM ist für diese hohen Anforderungen an Datenerfassung und Transientenspeicherung besonders gut geeignet. Der Datenrekorder GEN3i ermöglicht die synchrone Erfassung aller wichtigen physikalischen Größen in energiebezogenen Systemen mit einer hohen Kanalzahl und hohen Abtastraten [5]. Mit diesem Datenrekorder lassen sich Inbetriebnahme des Prüfstands ebenso wie die Datenerfassung während der Prüfverfahren einfach und unkompliziert bewerkstelligen. Einfache Prüfungen wie die Bestimmung der Kapazität können ebenso durchgeführt werden wie komplexere Messungen, beispielsweise eine elektrische Impedanzspektroskopie. Nach Abschluss des Prozesses können die Daten ausgewertet und weiterverarbeitet werden. Daraus lassen sich genaue Aussagen über das Batteriesystem formulieren.

Die gesamte Messausrüstung umfasst:

  • GEN3i Datenrekorder für Datenerfassung, Transientenspeicherung, Live-Überwachung, nachbereitende Bearbeitung von Strömen/Spannungen/Temperaturen der Batterie, Spannungen/Strömen des Inverters
  • LEM IT 700/1000 S mit hochgenauen Mess-Shunts, HBR 2.5/10 zum Messen von Phasen- und Batterieströmen
  • Künstlicher Sternpunkt zum Messen der netzseitigen Spannungen
  • Thermoelement, Typ K

Abbildung 7 zeigt ein Schaltbild der Messdatenerfassung der Systemgrößen, die an den Datenrekorder GEN3i gesendet werden. Zum Prüfen eines Traktionsbatteriesystems brauchen nur die physikalischen Größen der Batterie gemessen zu werden. Hierzu gehören Spannung und Strom an den Batterieklemmen, die Spannungen einzelner Zellen oder eines Zellenstapels sowie die Temperaturen an unterschiedlichen Punkten. Für die Inbetriebnahme des Prüfstands müssen jedoch wesentlich mehr Signale ausgewertet werden. Zur Implementierung und Optimierung der Netzregelung müssen Phasenströme und -spannungen des Netzes sowie Spannung im Gleichspannungszwischenkreis gemessen werden. Auf der Grundlage der optimierten Netzregelung ist dann die Regelung für die Lade-/Entladeexperimente einzurichten. Hierzu müssen die physikalischen Größen des ausgangsseitigen Umrichters und der Filter gemessen werden. Mit der dynamischen Messung der Ausgangsgrößen können verschiedene Steuerungsstrategien für die Ausgangsseite auf einfache Weise analysiert werden.

Abbildung 7: Gemessene Systemgrößen

6. Messergebnisse

6.1. Methoden zur Verringerung des Rippelstroms

Im ersten Beispiel wird dargestellt, wie die gegenseitige Aufhebung von Rippelströmen durch eine verschachtelte Schaltung funktioniert. Die Messung zeigt auch den Einfluss des Tiefpassfilters auf den Ausgangsrippelstrom. Deshalb werden die Phasenströme/-spannungen des Mehrpunkt-Umrichters sowie der resultierende Strom/die Spannung am Knoten und Strom/Spannung am Ausgang gemessen. Die Messung in Abbildung 8 zeigt das Prinzip der verschachtelten Schaltungsmethode. Die drei Phasen sind mit einer Phasenverschiebung von 120° geschaltet. Infolge der geschalteten Phasenspannungen sind auch die Ströme phasenverschoben. Durch den in Abschnitt 4 erklärten Effekt der Rippelstromaufhebung bei einer verschachtelten Schaltung haben die Rippelströme die Tendenz, sich gegenseitig zu eliminieren. Dies führt zu einer geringeren Welligkeit des Stroms im Knotenpunkt. Zusätzlich bewirkt das Filternetzwerk eine abschließende Dämpfung dieses Rippelstroms auf unter 1 A.

Abbildung 8 : Verschachtelte Kurven für D = 0.85

6.2. Laden mit Konstantstrom/Konstantspannung (CC/CV)

Das CC/CV-Ladeverfahren wird zum Laden von Lithium-Ionen-Batterien und -Batteriesystemen eingesetzt, die anfällig für Schäden sind, wenn der obere Spannungsgrenzwert überschritten wird. Dieses Verfahren besteht aus zwei Abschnitten. Im erste Abschnitt wird die Batterie mit einem konstanten Strom geladen. Die spezifizierte Laderate ist die maximale Laderate, die die Batterie tolerieren kann, ohne dass sie beschädigt wird. Bevor die Zellspannungen ihre oberen Grenzwerte erreichen, schaltet das Ladeverfahren auf Konstantspannung um. In diese, Abschnitt nimmt der Batteriestrom mit steigendem Ladezustand ab. Wenn der Strom unter einen bestimmten Grenzwert fällt, wird der Ladevorgang beendet und der Ladezustand erreicht 100 %. Abbildung 9 stellt das vorgeschlagene Ladeverfahren dar. Zu Anfang wird das DUT mit einem Konstantstrom von 100 A geladen. Wenn die Spannung den oberen Schwellenwert (115 V) überschreitet, schaltet das Verfahren auf den Abschnitt mit Konstantspannung um. In diesem Abschnitt wird das DUT so lange mit einer Konstantspannung von 115 V geladen, bis der Strom den Schwellenwert überschritten hat und der Ladevorgang beendet wird.

Abbildung 9: Beispiel des CC/CV-Ladeverfahrens

6.3 Bestimmung des Gleichstrom-Innenwiderstands

Neben der Kapazität eines Batteriesystems gehört auch der Innenwiderstand zu den wesentlichen Parametern einer Batterie. Je niedriger der Widerstand ist, desto weniger Einschränkungen hat die Batterie bei der Abdeckung der geforderten Leistungsspitzen. Batterien mit hohem Innenwiederstand zeigen ein eher schlechtes Verhalten bei der Lieferung hoher Stromimpulse. Der Innenwiderstand steigt auch beim Entladen der Batterie und mit zunehmendem Alter der Batterie. Die folgende Messung beschreibt eine Technik zum Messen des Gleichstrom-Innenwiderstands eines Batteriepakets/einer Batteriezelle. Dieses Verfahren beruht auf der Spannungsänderung während eines Stromimpulses. Unter idealen Bedingungen springt der Strom von einem kleinen Wert (z. B. Laderate von 0,1 C) auf einen hohen Wert (z. B. Laderate von 2 C). Nach einer definierten Dauer wird der Spannungsabfall gemessen. Anschließend wird die Spannungsänderung durch die Stromänderung geteilt. Das Ergebnis dieser Berechnung ist der Innenwiderstand des DUT. [6]

Abbildung 10 stellt die Messung zur Bestimmung des Innenwiderstands eines Traktionsbatteriesystems dar. Im ersten Abschnitt wird das DUT mit einem kleinen Strom von ca. 21 A entladen. Wenn ein stationärer Zustand erreicht ist, wird ein Stromschritt ausgeführt. Der Entladestrom springt auf 400 A. Ebenso fällt die Batteriespannung ab. Nach einer bestimmten Dauer ist der Entladevorgang der Batterie abschlossen, und die Berechnung des Innenwiderstands kann durchgeführt werden. Der Innenwiderstand des DUT wird wie folgt bestimmt:

 

 

Abbildung 10: Prüfverfahren zum Bestimmen des Innenwiderstands

7. Literatur

[1]      International Electrotechnical Commission (IEC): Electrical Energy Storage, White Paper, December 2011.

[2]      Cao, J.; Schofield, N.; Emadi, A.: Battery Balancing Methods: A Comprehensive Review. In: IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC) (2008), DOI: 10.1109/VPPC.2008.4677669.

[3]      ISO 26262 (all parts), Road vehicles – Functional safety.

[4]      ISO 6469 (all parts), Electrically propelled road vehicles – Safety specifications.

[5]      Linear Technology Corporation: High Efficiency, High Density, PolyPhase Converters for High Current Applications. cds.linear.com/docs/en/application-note/an77f.pdf. Release: 1999.

[6]     Eberlein, D.; Lang, K.; Teigelkötter, J.; Kowalski, T.: Electromobility in the fast lane: increased efficiency for the drive of the future. Proceedings of the 3rd conference of Innovation in Measurement Technology, May 14, 2013.

[7]      Jossen, A; Weydanz, W.: Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen. First edition, Untermeitingen: Inge Reichardt Verlag, 2006. ISBN: 3-939359-11-4.