Prüfung und Qualifizierung von Hochleistungsbatterien

Batterien auf Basis von modernen Lithium-Ionen-Zellen werden zunehmend für Anwendungen in der elektrischen Traktion sowie zur Stabilisierung im elektrischen Versorgungsnetz als Hochleistungs-Energiespeicher eingesetzt. Um diese Hochleistungsspeicher bezüglich der vielfältigen Anforderungen zu testen, wurde an der Hochschule Aschaffenburg im ZeWiS (Zentrum für wissenschaftliche Services und Transfer) ein leistungsstarker Prüfstand für Hochleistungsbatteriesysteme und deren Einzelkomponenten
entwickelt.

 

Damit können die Leistungsdaten der Energiespeicher sowie das Betriebsverhalten unter normalen Betriebsbedingungen oder auch im gestörten Zustand überprüft und die Messergebnisse dokumentiert sowie analysiert werden.


Hochleistungsbatterien
Leistungsfähige Energiespeicher bestehen aus einer Vielzahl an Einzelzellen. Diese sind miteinander verschaltet, um die gewünschte Kapazität, Leistung sowie Spannung zu erreichen (Bild 1). Die steigenden
Spannungen führen gezwungenermaßen zu einem erhöhten Risikopotenzial für die Anwender und im Umfeld des Energiespeichers tätigen Personen. Deshalb sind weitere Schutzelemente wie Sicherungen oder Leistungsschalter notwendig, die z. B. im Fehlerfall die Batterie abschalten können. Die Überwachung der Batterie und die Kommunikation mit der übergeordneten Steuerung übernimmt dabei das Batterie-Management-System (BMS). Das BMS überwacht die Zell- sowie Modulzustände und überprüft, ob alle Spannungen, Ströme und Temperaturen im erlaubten Arbeitsbereich liegen. Bei Überschreitung der Grenzwerte werden entsprechende Gegenmaßnahmen vom BMS eingeleitet. Als Beispiel kann hier das gezielte Entladen der Zellen mit zu hohen Spannungen zur Anpassung an die restlichen Zellen genannt werden (Cell Balancing).

Bild 1: Aufbau und Komponenten einer Hochleistungsbatterie
Bild 1: Aufbau und Komponenten einer Hochleistungsbatterie

Eine weitere wichtige Aufgabe stellt die Ermittlung des Ladezustandes der Batterie dar (SoC, State of Charge). Dabei wird auf Basis eines physikalischen Modells des Energiespeichers und einer genauen
Strom- sowie Spannungsmessung der aktuelle Ladezustand berechnet. Dieses Modell, die Einhaltung der Grenzwerte, die allgemeine Zustandsbestimmung sowie die Kommunikation sind wichtiger Bestandteil einer Batterieprüfung.


Prüfstand für Hochleistungsbatterien
Mithilfe moderner Leistungselektronik wurde an der Hochschule Aschaffenburg ein Prüfstand konzipiert, der eine verlustarme Ladung und eine Entladung der zu prüfenden Batterien sowie deren Einzelkomponenten erlaubt. Wie Bild 2 verdeutlicht, wird die elektrische Energie bei einer Ladung aus dem Versorgungsnetz über einen Hochleistungsstromrichter entnommen und zu einem Gleichstrom zur Ladung
der Batterie umgeformt. Umgekehrt wird bei einem Entladevorgang Energie der Batterie entnommen und in das Versorgungsnetz zurückgespeist. Dies erlaubt eine maximal effiziente Batterieprüfung. Mit dem großen Leistungsbereich von wenigen Watt bis 250 kVA, sowie einer maximalen Systemausgangsspannung von 750 V wird sichergestellt, dass auch der Trend zu immer höheren Systemleistungen und -spannungen abgedeckt wird. Um diese Systemgrößen sicher bewältigen zu können, sind innovative Regelungs-, Steuerungs- und Überwachungsalgorithmen implementiert. Dies garantiert ebenso hochdynamische
als auch sehr präzise Testverfahren. Um die gesamte Vielfalt an Batteriespeichertechnologien bedienen zu können, verfügt das System über unterschiedliche, auf den Prüfling und die Anwendung abgestimmte, Prüfverfahren. Die Möglichkeit zur Nachbildung realer Betriebsbedingungen gibt dabei Aufschluss auf das Systemverhalten im letztendlich vorgesehenen Einsatzgebiet. So kann der Prüfling bspw. mit genormten oder anwendungsspezifischen Leistungsprofilen belastet werden.

Bild 2: Aufbau und Messgrößen des Batterieprüfstandes
Bild 2: Aufbau und Messgrößen des Batterieprüfstandes

Die Ergebnisse dienen anschließend zu einer detaillierten sowie realitätsnahen Bewertung auf Grundlage
welcher, im Prüfling vorhandene Schwachstellen als auch Verbesserungspotenziale aufgedeckt werden können. Neben den elektrischen Kennwerten müssen ebenfalls die im Prüfling integrierten Schutz- sowie Steuerungsmechanismen auf Funktionalität überprüft werden. Hierzu bildet der Prüfstand entsprechende Fehlerfälle nach.


Treten dabei Fehlfunktionen am Prüfling auf, so schützen redundante Sicherheitskonzepte alle beteiligten Systemkomponenten vor Zerstörung durch bspw. hohe Fehlerströme. Gleichzeitig kann durch eine kontinuierliche Isolationsüberwachung innerhalb von wenigen Sekunden auf ein plötzliches Auftreten eines Isolationsfehlers reagiert und notwendige Schutzmaßnahmen durchgeführt werden. Bild 3 stellt das an der Hochschule entwickelte Prüfstandsystem dar.

Bild 3: Hochleistungsprüfstand für Batteriesysteme der Hochschule Aschaffenburg
Bild 3: Hochleistungsprüfstand für Batteriesysteme der Hochschule Aschaffenburg

Alle relevanten Größen können bei der Prüfung mit hoher Genauigkeit zeitsynchron gemessen und protokolliert werden. Aus den gemessenen Zeitverläufen können dann die charakteristischen Daten der Hochleistungsbatterie ermittelt werden. Weiterhin ist im Prüfstandsystem eine Klimakammer integriert, um das Verhalten des Prüflings im Temperaturbereich von -40°C bis 70°C zu ermitteln.

 

Zusammenfassung
Bereits während des Entwicklungsprozesses eines Batteriespeichers ist eine qualifizierte Prüfung der Einhaltung der notwendigen anwendungsspezifischen Anforderungen unerlässlich. Ein modernes Prüfsystem muss demnach ebenfalls flexibel den unterschiedlichen Anforderungen genügen. Der an der Hochschule Aschaffenburg konzipierte und entwickelte Prüfstand erlaubt eine präzise Prüfung von Hochleistungs-Energiespeichern und deren zugehörigen Batterie-Management-Systemen (BMS). Mithilfe einer Klimakammer können applikationsnahe Prüfungen im gesamten Temperaturbereich der Batterie durchgeführt werden. Im ZeWiS der Hochschule Aschaffenburg werden die Prüfungen als Dienstleistung angeboten.


Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. Johannes Teigelkötter
Hochschule Aschaffenburg
Würzburger Str. 45
63743 Aschaffenburg
06021 4206 809
Johannes.teigelkoetter@h-ab.de
www.h-ab.de


 

Teilen Sie gerne mit Ihrem Netzwerk diese Information: