5. Batteriepackdesign: Auslegung, Sicherheit, Aufbau

Question 1

Integration der Batteriesysteme in Fahrzeuge führt zu einer Vielzahl von Herausforderungen
Welche?

Answer 1

• Gewicht
• Volumen
• Kosten
• Sicherheit

Question 2

Was kann seitens der Batteriesystemtechnik für die Lebensdauer getan werden?
Grundannahme für die Betrachtungen:
Zellen sind vorgegeben
1 bis 4

Answer 2

1. Packaufbau
   ➔ Temperierung
2. Zellverschaltung
   ➔ Parallelschaltung vs. Serienschaltung
3. Alterung abhängig von Betriebsbedingungen
   ➔ Lade- und Nutzungsmanagement
4. Elektronik
   ➔ Balancingsystem

Question 3

Anwendungsspezifische Dimensionierung

Answer 3

• Ladeleistung
• Sicherheit
• Kosten
• Spannung
• Gewicht
• Volumen

Question 4

Auslegung eines Batteriepacks
1 bis 3

Answer 4

1. Elektrische Auslegung
2. Auswahl einer passenden
   Batteriezelle
3. Elektrisches Konzept

Question 5

Energie- und Leistungsdichte
Zu unterscheiden zwischen

Hohe Leistungs- und hohe Energie- dichte nicht
zugleich möglich!

Answer 5

□ Theoretischen Energiedichten
□ Angaben bezogen auf Zellen
□ Angaben bezogen auf Batteriepack

Question 6

Mehrwert von modularen Batteriekonzepten
■ Modularität erlaubt kundenspezifische Auslegung der Reichweite
und Anpassung der Reichweite an veränderten Lebensbedingungen
■ Hochleistungs- und Hochenergiebatterien können je nach Kundenwunsch kombiniert werden
■ Mischen von Batteriepacks (Alter, Hersteller, Leistung)
■ Teilaustausch der Batterie ist möglich

-> Herausforderungen??

Answer 6

□ Modulare Batteriemanagementsysteme
□ Standardisierte Schnittstellen
□ Starke Kostensenkung bei Sicherungen und Schützen
(➔ Halbleiterschalter) notwendig
□ Kostengünstige Leistungselektronik

Question 7

Faktoren für die Auswahl einer Zellchemie

Answer 7

□ Energiedichte
□ Leistungsdichte
□ Lebensdauer
□ Thermisches Verhalten
□ Lademöglichkeiten
□ Kosten

Question 8

Zylindrische Zelle
1. Positive Eigenschaften
2. negative E.

Answer 8

1. • Große Erfahrung aus
     Consumer-Produkten: sehr
     hohe Energiedichte, niedriger
     Preis
     + Hohe intrinsische Sicherheit
     durch zellinterne
     Sicherheitsmechanismen
2. – Zellgehäuse relative teuer
   – Kühlung wegen des
   Oberflächen-/Volumen-
   verhältnisses schwierig

Question 9

Pouch-Bag Zelle
1. Positive Eigenschaften
2. negative E.

Answer 9

1. • Hohe Packungsdichte
     + Einfache Kühlung bedingt
     durch große Oberfläche
     + Variabel hinsichtlich
     Zellverkabelung über die Pole
2. – geringe Steifigkeit
   – Zellverspannung benötigt

Question 10

Prismatische Zelle
1. Positive Eigenschaften
2. negative E.

Answer 10

1. • Robust, hohe Steifigkeit
     + Einfache Montage und
     Verkabelung
     +/- Kombiniert Eigenschaften der
     zylindrischen, sowie der
     Pouch-Bag Zellen
2. – Probleme mit internem Druck
   der Zellen
   – Kühlung wegen des
   Oberflächen-/Volumen-
   verhältnisses schwierig
   – Zellverspannung benötigt

Question 11

Spannungslage von Batterien
-> Spannung bestimmt die Anzahl seriell verschalteter Zellen

Hohe DC-Batteriespannungen verursachen einige
Herausforderungen:

Answer 11

□ Hohe DC-Spannungen sind kritischer als AC-Spannungen
□ Elektrisches Fachpersonal ist nicht für DC-Systeme ausgebildet
□ Batterie weist ein Potential auf
□ Gefahr für Ersthelfer bei Unfällen
□ Hohe Zahl von in Serie geschalteten Zellen verringern die
Zuverlässigkeit

Question 12

Schaltungstopologien:
1. Serienverschaltung
2. Modulare Stränge
3. Parallel/Serienverschaltung

Answer 12

1. Spannungsmessung und Balancing für jede Zelle
   ➔ herkömmliches BMS
   Eine Strommessung und Sicherung für gesamtes
   Pack
   ➔ Ein Stromsensor
2. Spannungsmessung und Balancing für jede Zelle
   ➔ ein BMS pro Strang
   Strommessung und Sicherung für jeden Strang
   ➔ Mehrere Stromsensoren oder Sicherungen
3. Spannungsmessung und Ladungsausgleich für jedes parallele Modul Stromsicherung für jede einzelne Zelle
   ➔ Eine Sicherung pro Zelle

Question 13

Alterung in Strängen seriell verschalteter
Zellen wird bestimmt durch … Zelle

Answer 13

schwächste

Question 14

Technologien zur Zellverbindung
1. -> 2. -> 3.

Answer 14

1. Auswahl der Fügetechnik (Löten, Schweißen, Klemmen)
2. Auswahl der Verbinder (Material, Querschitt)
3. Bestimmung der Schweißparameter (Zusammenspiel von Schweißparametern und Kontaktblechen)

Question 15

Technologien von Zellverbindern & elektrischen Verbindungen
Herausforderungen?

Answer 15

□ Übergangswiderstand
□ Korrosion
□ Zuverlässigkeit bei
Vibrationsbelastungen

Question 16

Technologien von Zellverbindern & elektrischen Verbindungen

Answer 16

• Schweißverbindung
• Alternative Methoden:
  kleben, krimpen, klemmen
• Punktschweißen
• Draht Bonding
• Stromsammler
• Verbindung von Zellen mit Stromsammlerstrukturen

Question 17

Thermisches Verhalten
1. Beim Laden/Entladen wird … produziert (Verluste)
2. Kühlsysteme sind meist notwendig
□ Luftkühlung
□ Wasserkühlung
□ Kühlmittel
3. Wärmeverteilung und Kühlmöglichkeit ist von … abhängig
4. Tieftemperaturverhalten für
Elektromobilität relevant

Answer 17

1. Wärme
2. Zellenformat

Question 18

Kühlsysteme – aktive Luftkühlung
1.Pro
2. Contra

Answer 18

1. □ Gemeinsame Nutzung der Innenraumklimatisierung
   □ Keine Gefahr von Kurzschlüssen durch Kühlmittel
   □ Einfache Implementierung der Heizung
   □ Geringes Gewicht
2. □ Gemeinsame Nutzung der Innenraumklimatisierung
   □ Großes Volumen
   □ Luftanschluss zw. Fahrgastraum & Batterie
   □ Kondensation muss berücksichtigt werden

Question 19

Kühlsysteme – Kühlmittel
1. Pro
2. Contra

Answer 19

1. □ Einfache Erhitzung
   □ Luftdichte Verpackung möglich
   □ Geringeres Volumen
   □ Höhere Leistungsdichte möglich im
   Vergleich zur Luftkühlung
2. □ Leckage des Kühlsystems muss
   berücksichtigt werden
   □ Höheres Gewicht
   □ Komplexität / Kosten
   □ Isolierung zw. Zellpotential und Kühlmittel

Question 20

Kühlsysteme– Kältemittel
1. Pro
2. Contra

Answer 20

1. □ Sehr homogene Temperaturverteilung innerhalb des Akkupacks möglich
   □ Luftdichte Verpackung möglich
   □ Geringes Volumen
   □ Höhere Leistungsdichte möglich im Vergleich zur
   Luftkühlung
2. □ Nacherwärmung schwierig
   □ Leckage des Kühlsystems sehr kritisch
   □ Höheres Gewicht
   □ Komplexität / Kosten
   □ Kritische Auswahl des Kühlmittels

Question 21

Auslegung von Kühlsystemen/Heizung
1. Ziel: ?
2. Geringer …
□ Kurven: Berechnung äquivalenter Länge
□ Bei paralleler Struktur: gleichmäßiger Druckabfall
3. Hoher …

Answer 21

1. möglichst turbulente Strömung
2. Druckverlust
3. Durchfluss

Question 22

Packaufbau ➔ Temperierung
Generell:
1. Hohe …verkürzen die Lebensdauern
2. Temperaturgradienten in Batterien erhöhen die …
Aber auch Heizen ist eine wichtige Funktion:
3. Insbesondere Aufladen bei tiefen … ist ein Problem

Answer 22

1. Temperaturen
2. Zellstreuung
3. Temperaturen

Question 23

Aktoren im Batteriepack
Master-BMS

Answer 23

• Hauptschütz
• Kühl- / Heizsystem
• Zellausgleichsystem

Question 24

Batteriemanagementsysteme – Typischer modularer Hardwareaufbau

Answer 24

• Contactor-Board
• Zellcontroller
• HV-I-Board

Question 25

Modulares BMS – Daisy Chain Topology
1. Aufspaltung des BMS in verschiedene Module
2. Modultypen

Answer 25

1. □ Flexibel
   □ Kurze Messleitungen
   □ Digital Bus
2. □ Zellcontroller
   □ Master
   □ Master/HVI

Question 26

Batteriemanagementsysteme – Cellcontroller Board („Slave“)
Balancing am Zellcontroller-Board bedeutung?

Je nach
Dimensionierung
entsteht
unterschiedlich
viel
Verlustwärme!

Answer 26

□ Ausgleich von Alterungseffekten
□ Aktiv oder passiv
□ Verschiedene Methoden des Balancing

Question 27

Überwachungselektronik (Fahrzeug)
1. Isolationswächter
2. Interlock Control
3. Slave-BMS ICs für Zellüberwachung

Answer 27

1. Überwacht Isolationswiderstand beider Batterieklemmen gegenüber Fahrzeugmasse
2. □ Zusätzliche Leitung, parallel zu HV-Leitung über alle Verbraucher
   □ Kontinuierliches Signal
3. □ Spannungsmessung
   □ Temperaturmessung
   □ Zellausgleichssystem

Question 28

Entwurfsschritte für die Überwachungselektronik

Answer 28

1. Entwicklung und Anpassung von Hardware
2. Entwicklung und Anpassung von Software
3. Testing

Question 29

Alterung abhängig von Betriebsbedingungen
Wesentliche Einflussfaktoren:

Zyklisierung über kritische Status
verkürzt Lebensdauer signifikant

Answer 29

■ Temperatur
■ Ladezustand (bei Lagerung und Zyklisierung)
■ Stromstärke bei der Aufladung
■ Zyklentiefe

Question 30

Algorithmen zur Batterieüberwachung
2. Bestimmung von:

■ Diese Größen können nicht direkt gemessen werden, sondern werden mit Hilfe von Modellen aus
Messgrößen bestimmt

Answer 30

1. □ Ladezustand
   □ Alterungszustand (Innenwiderstand, Restkapazität)
   □ Leistungsfähigkeit & Leistungsprognose

Question 31

Optimierung des Batteriemanagements
■ Vollladen erst dann, wenn es notwendig ist
■ Nachladung abhängig von aktuellem Ladezustand und absehbarem Bedarf
■ Asymmetrische Belastung von Batteriepacks in modularen Systemen unter Kriterium „Maximierung
der Gesamtlebensdauer“
■ Kundenspezifische Ausnutzung der vorhandenen Kapazität

Question 32

Strukturelle Aspekte des Batteriepackdesigns
Mechanische und Elektrische Anforderungen

Answer 32

• Vibrationen im Fahrzeug
• Abhängig von der Positionierung ist
  Wasserdichtheit notwendig
• Leichter Zugang zu den Hochvoltsteckern ist
  notwendig
• Abschirmung der Elektronik gegen
  elektromagnetische Strahlung
• Entkopplung der Batterie vom Fahrzeugnetz
  muss aus Sicherheitsgründen möglich sein
• Bei Metallgehäusen: Erdung des Gehäuses
  und aller Komponenten

Question 33

Strukturelle Aspekte des Batteriepackdesigns
Wichtige zu beachtenden Aspekte

Answer 33

• Dichtigkeit
• Berstschutz zur Absicherung gegen Explosion
• Steifigkeit und Tragfähigkeit des Gehäuses
• Feuerfestigkeit
• Taubildung im Pack bei tiefen Temperaturen zu beachten
• Isolation

Question 34

Einige Standardtests an Batteriepacks
Prüfungen

Answer 34

• Elektrische Prüfungen
• Mechanische Prüfungen
• Kennzeichnung
• UN Transporttests

Question 35

Sicherheitsmechanismen innerhalb der Zelle
Zellsicherheit
1. aktiv
2. passic

Answer 35

1. -Thermomanagement
   - Spannungsüberwachung
   - Lademanagement

2.- Überdruckventil
- Keramischer Seperator, LiFePO4
- Strombegrenzung

Question 36

In die Zellen integrierte Sicherheitsmechanismen - passiver Zellschutz
Prinzip:

Answer 36

□ Strombegrenzung
□ Druckentlastung
□ Eigensichere Materialien

Question 37

PTC-Widerstand (Positive Temperature Coefficient)

Answer 37

■ Scheibenförmiger Temperaturabhängiger Widerstand
■ Begrenzung des Stromes
■ Erhöht den Innenwiderstand der Zelle
■ Reversible Sicherung, schützt vor externen Kurzschlüssen

Question 38

Aufgaben des Batteriemanagementsystem als Teil des Sicherheitskonzepts
Aufgaben der Managementalgorithmen
1 Bestimmung von:
2. Diese Zustandsgrößen sind durch direkte Messung nicht zugänglich, sondern müssen mit Hilfe von
Modellen aus den Messwerten von Strom, Spannung, Impedanz und Temperatur ermittelt werden
3. Überwachung der Limits

Answer 38

1. □ Ladezustand
   □ Alterungsbedingungen (Innenwiderstand, Restkapazität)
   □ Aktuelle Leistung & Leistungsvorhersage
2. □ Temperatur
   □ Spannung
   □ Max. Entladestrom (herstellerabhängig, temperaturabhängig)
   □ Max. Ladestrom (herstellerabhängig, temperaturabhängig)

Question 39

Zusammenfassung
1. Gute Zellen sind eine notwendige Voraussetzung für eine lange Packlebensdauer, aber keine
Garantie
2. Modulare Niedervoltsysteme und Parallelschaltungskonzepte müssen intensiv evaluiert werden in
Bezug auf Kosten, Sicherheit und Lebensdauerzuwachs
3. Detaillierte Kenntnisse des Alterungsverhaltens als Funktion der Betriebszustände notwendig
➔ Umfangreiche Tests und Charakterisierungen für jeden Zelltyp
notwendig
4. Verschaltungskonzepte, Batteriepackdesign und Managementstrategien können bei gleicher
Leistung, Kunde und Größe der Batterie einen Faktor 2 in der Lebensdauer ausmachen