STRUKTURSTUDIE - page 19

2.2.6 BATTERIESYSTEM
Sekundärzellen müssen zum Einbau in Kraftfahrzeuge zu Batte-
riesystemen zusammengefasst werden, um höhere Spannungen,
Leistungen und Kapazitäten zu erreichen. Dabei sind die einzelnen
Zellen parallel und in Reihe geschaltet. Hierdurch ergeben sich
für PKW derzeit Kennwerte von 100 V und 20 kW (bei Hybridfahr-
zeugen) [Wind (2012)] über 400 V und 150 kW (bei batterieelektri-
schen Fahrzeugen) [Schoewel (2014)] bis hin zu 430 V und 230 kW
(bei Hybrid-Sportfahrzeugen) [Markus (2013)]. Zukünftig ergeben
sich auch höhere Werte. Die Kapazitäten von heute verwendeten
Batteriesystemen liegen ca. zwischen 1 kWh und über 80 kWh. In-
nerhalb der Batteriesysteme werden die Zellen üblicherweise zu
Modulen gebündelt, was ihre Handhabung bei der Montage und
einer möglichen Wartung vereinfacht. Neben den Zellen und Mo-
dulen umfasst ein komplettes Batteriesystem auch Komponenten
zum mechanischen, elektrischen und elektronischen Zusammen-
schluss sowie für das thermische Management und die Kommuni-
kation (vgl. Abbildung 8).
Aus unterschiedlichen Zelltypen leiten sich unterschiedliche An-
forderungen an das Gesamtsystem ab, beispielsweise hinsichtlich
Kühlung und Package. Dies hat direkten Einfluss auf die Komplexi-
tät und die Gesamtkosten des Systems. Es ist daher notwendig, die
Batterie als Gesamtsystem zu verstehen und entsprechend nicht
nur einzelne Komponenten zu verbessern, um eine Systemverbes-
serung zu erreichen, sondern eine systemische Optimierung zu
betreiben. Diese holistische Betrachtung bei der Konzeption und
Optimierung des Systems ist notwendig, da dies direkten Einfluss
auf die Charakteristik des Gesamtsystems hat.
BATTERIEMANAGEMENT
Das Batteriemanagement erhält bzw. erhöht die Lebensdauer und
die Zyklenzahl der einzelnen Zellen des Batteriesystems. Dazu
erfasst es die Zellspannungen, die Temperatur der Batterie so-
wie den Batteriestrom und vergleicht die Werte mit festgelegten
Vorgaben. Bei einer Abweichung werden Korrekturmaßnahmen
eingeleitet. Beispiele hierfür sind, dass das Batteriemanagement
einen Ladungsausgleich zwischen Zellen initiiert (Cell-Balancing)
oder die Batteriekühlung ansteuert. In kritischen Fällen kann es
auch eine Sicherheitsabschaltung einleiten. Wichtige Bestand-
teile des Batteriemanagements sind die Überwachungs- und die
Zelle
Modul
System
Pouchzelle
Prismatische Zelle
Rundzelle
Abbildung 8: Die Wertschöpfungsstufen der Batterieherstellung.
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Kontrolleinheit, Spannungs-, Temperatur- und Stromsensoren,
Sicherheitselemente (Sicherungen, Schütze) und Datenübertra-
gungskanäle (CAN-Bus). Die Kommunikation innerhalb des Bat-
teriemanagements erfolgt über eine Sternverdrahtung oder eine
Ringverdrahtung. Das Elektrolytsystem von Lithium-Ionen-Zellen
ist nicht überladefähig und damit empfindlich gegen Über- und
Tiefentladung. Des Weiteren führen Produktionsunterschiede zu
unterschiedlichen Zelleigenschaften. Somit können einzelne Zel-
len während eines Ladevorgangs die maximale Spannung früher
als andere erreichen. Da die schwächste Zelle das Verhalten des
gesamten Batteriesystems bestimmt, ist der Ladungsausgleich
von besonderer Bedeutung. Hierfür kommen heute üblicherweise
passive Verfahren zum Einsatz, bei denen überschüssige Energie
an Widerständen in Wärme umgewandelt wird. Wirksamer sind al-
lerdings aktive Methoden, bei denen Ladungen mit DC/DC-Wand-
lern zwischen den Zellen transferiert werden [Korthauer (2013)].
Zukünftig werden auch Gesamtsysteme aus Batteriezellen und
Supercaps erwartet, die von einem zentralen Controller gesteuert
werden.
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Eigene Darstellung; Bildmaterial: Saft (2009); Quick (2009); Lavrinc (2011); ADAC (2012); Kane (2013).
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