Li-Ion-Batterien nach Maß für eine „e-traktive - All

BATTERIESYSTEME
Li-Ion-Batterien nach Maß
für eine „e-traktive“ Zukunft
Dreh- und Angelpunkt eines jeden Elektroautos ist die Batterie. Von der reinen Lithium-IonenAkkuzelle bis zur automotive-tauglichen Hochleistungsbatterie sind jedoch viele einzelne
ENTWICKLUNGSSCHRITTE notwendig.
F
ahrzeuge mit Elektro-Traktion sind
zwar bereits seit Jahrzehnten auf
dem Markt verfügbar, fanden jedoch nie eine nennenswerte Beachtung.
Insbesondere die aktuellen technischen
Entwicklungen im Bereich der LithiumIonen-Speichertechnologie haben zu einer deutlichen Veränderung dieser Situation beigetragen.
Neben der Entwicklung der Zellen bedeutet die Auslegung und Entwicklung
der Batterie-Packs für die Anwendung im
Automobil eine große Herausforderung.
Hohe Komponentenkosten sowie hohe
Anforderungen an Systemsicherheit, Lebensdauer, Packaging und Gewicht erfor-
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AUTOMOBIL-ELEKTRONIK Dezember 2009
dern maßgeschneiderte Systeme, die an
die jeweiligen Fahrzeuganforderungen
perfekt angepasst sind. Der vorliegende
Artikel gibt eine Übersicht über die Entwicklung von Traktionsbatterien bei der
FEV von der Auswahl geeigneter Batteriezellen bis zur Fahrzeugintegration am
Beispiel des FEV Elektrofahrzeugs LiiONDRIVE.
Zielwerte und Lastenheft
Am Anfang einer Batterieentwicklung
steht das Lastenheft für die Zielanwendung. Am Beispiel des FEV LiiONDRIVE
wurden für das gewählte Stadtautokonzept Top-Down die Zielanforderungen an
die Fahrzeug-Performance wie auch an
die Fahrzeugnutzung festgelegt. Eine klare Anforderung war hierbei, dass weder
der Fahrerinnenraum noch der Kofferraum eingeschränkt werden sollten. Aus
den vorliegenden Package-Vorgaben ergeben sich Einschränkungen für die installierbare Batteriekapazität. Aber auch
im Sinne eines günstigeren Fahrzeuggewichts und aufgrund der vergleichsweise hohen Batteriekosten sollte die Dimensionierung der Batterie sehr sorgfältig erfolgen und für die konkrete Zielanwendung maßgeschneidert sein.
Beim LiiONDRIVE-Konzept wurde eine elektrische Reichweite von 80 km im
ECE-Zyklus als Zielwert vorgegeben, die
für ein City-Nutzungsprofil in den meisten Fällen ausreichen sollte. Unter Berücksichtigung der weiteren Fahrzeuganforderungen und Randbedingungen
wurden durch detaillierte Simulationsrechnungen die Zielwerte für die Batterie
bezüglich Leistung und Kapazität ermittelt.
Grafik: FEV
BATTERIESYSTEME
Performance
Simulation and
Requirement
Specification
Battery
Management
System
Cell selection
Battery
Assembly
and
Testing
Vehicle
Integration
and
Calibration
Module and
Pack Design
Batteriemodul und Batteriepack
Das Batteriepack des LiiON besteht aus
mehreren gleich aufgebauten Batteriemodulen, die jeweils mehrere Batteriezellen zusammenfassen. Bei der Auswahl
der Batteriezellen sind neben den rein
elektrischen Anforderungen in punkto
Kapazität und Leistungsfähigkeit eine
Vielzahl weiterer Kriterien wie zum Beispiel die geometrischen Abmessungen zu
beachten. Neben gewickelten Zellen in
zylindrischer oder prismatischer Form
sind auch sogenannte Pouch-Zellen am
Markt verfügbar, bei denen die einzelnen
Layer aufeinander geschichtet werden.
Das erforderliche Spannungsniveau des
Batteriepacks sowie die gewählte Anzahl
der Stränge gehen ebenso in die Zellauswahl ein wie die charakteristischen Zellwerte.
Da in einem Li-Ionen Batteriepack die
schwächste Zelle die Performance des gesamten Packs beeinflusst, muss auf eine
homogene Temperaturverteilung aller
Zellen geachtet werden. Bei der FEV wird
der Entwicklungsprozess durch Simulationsrechnungen begleitet, die Aussagen
zur Temperaturverteilung und Kühlungsauslegung erlauben. Die Entwicklung des Batteriepacks erfolgt nach Vorgaben, die sich aus der Fahrzeugintegration, der Kühlungsauslegung sowie den
elektrischen Zielwerten ergeben. Zur
Entwicklung gehört neben der Anordnung und Verbindung der Module auch
die Kühlung sowie die Integration von
Lastrelais, Vorladeschaltung, Service-Stecker und Batteriesteuergerät. Eine große
Bedeutung kommt hierbei der mechanischen und elektrischen Sicherheit zu.
So muss beispielsweise jederzeit sichergestellt sein, dass die Batterie nach außen
hin ausreichend elektrisch isoliert ist. Dazu muss kontinuierlich der Isolationswiderstand überwacht werden.
Batterie-Management-System
Die Lithium-Ionen-Speichertechnologie
birgt ein inhärentes Risiko, da hochreaktive Materialien verwendet werden. Zur
Beherrschung des Risikos ist eine kontinuierliche Überwachung der Zellspannungen, der Betriebstemperaturen sowie
der Ströme erforderlich. Das Batterie-
Battery Development Process at FEV
Bild 1: Batterie-Entwicklungsprozess bei FEV.
steuergerät der FEV (LiiONMAN) kombiniert die Überwachung aller kritischen
Größen mit intelligenten Betriebsstrategien und erlaubt so einen sicheren Betrieb bei gleichzeitig möglichst optimaler
Ausnutzung der Leistungsfähigkeit der
Zellen.
Der LiiONMAN basiert auf einem flexiblen Master/Slave-Konzept, bei dem in
Batteriemodule integrierte intelligente
Slave-Boards mit einer Mastereinheit
über einen CAN-Datenbus verbunden
sind. Die elektrischen Schaltkreise zur
Zellüberwachung und Durchführung eines Ladungsausgleiches sind auf den Slave-Boards angebracht und werden von
der übergeordneten Mastereinheit ausgewertet sowie angesteuert. Eine Besonderheit stellt die offene Algorithmenstruktur der Mastereinheit dar, die auf die
teriesystem betrachtet werden, sondern
das gesamte Fahrzeug. Dazu entwickelt
FEV auf Basis einer Risikoanalyse Sicherheitskonzepte, die sowohl die funktionale als auch die Hochspannungs-Sicherheit einschließen. Im Rahmen eines Sicherheitsprogrammplans gemäß ISO DIS
26262 werden von der technischen Spezifikation über die Planung, Ausführung
und Dokumentation der unterschiedlichen durchgeführten Validierungsaktivitäten bis hin zu einer Überprüfung der
Zulieferer sicherheitskritischer Bauteile
alle notwendigen Schritte durchgeführt.
Zusammenfassung
Die Lithium-Ionen-Technologie hat dazu
beigetragen, dass die „e-traktive“ Zukunft in greifbare Nähe gerückt ist. Zum
Einsatz der Lithium-Ionen-Zellen in
Fahrzeugen werden jedoch weLiiONMAN basiert auf einem flexiblen Master/
sentliche Entwicklungsschritte beSlave-Konzept, wobei die Verbindung zwischen
nötigt. FEV bietet
Master und Slave per CAN erfolgt.
diese Schritte, beginnend mit Simulationen und Lastenhefterstellung,
weit verbreitete MATLAB/SIMULINKüber die Zell-Auswahl, Modul- und PackEntwicklungsumgebung aufsetzt. Die
Entwicklung, bis zur Integration ins
Entwicklung der Batteriealgorithmen erFahrzeug als Dienstleistung an. Dabei
folgt modellbasiert mit den hiermit verwerden alle sicherheitsrelevanten Thebundenen Vorteilen bezüglich Transmen abgedeckt. Das Batteriesteuergerät
parenz, Flexibilität und Modularität. Die
der FEV (LiiONMAN) kombiniert die
Algorithmen werden durch einen AutoÜberwachung aller relevanten Größen
Code-Generator in plattformoptimerten
mit intelligenten Betriebsstrategien und
Code umgesetzt.
erlaubt so einen sicheren Betrieb bei
Validierung und Sicherheit
gleichzeitig optimaler Ausnutzung der
Bei der Batterie-Entwicklung spielt das
Leistungsfähigkeit der Zellen.
Testen und Validieren eine wichtige Rolle. Hierzu hat die FEV eigene BatterieDr.-Ing Thomas Hülshorst und Dr.-Ing.
prüfstände entwickelt, an denen die erMartin Pischinger arbeiten bei FEV Motorenforderlichen Tests der Batteriemodule
technik.
und Batteriepacks durchgeführt werden
infoDIRECT www.all-electronics.de
können. Zur Erfüllung der Sicherheitsanforderungen muss für jede BatterieLink zu FEV
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entwicklung nicht nur das jeweilige BatAUTOMOBIL-ELEKTRONIK Dezember 2009
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