Modulares, intelligentes Li-Ionen Batteriesystem

Ausgangslage

Herkömmliche Batteriepakete werden nach Erreichen ihrer Lebensdauer ersetzt und entsorgt bzw. recycelt. Die seriell und parallel verbundenen Zellen eines Batteriepakets altern unterschiedlich schnell und wären teilweise noch brauchbar.

Anstelle einer Entsorgung wird vermehrt versucht, die Batteriepakete für eine Second-Life Anwendung aufzubereiten. Dafür werden sie zerlegt und der Zustand der einzelnen Zellen charakterisiert. Dieser Prozess ist sehr aufwändig und oft nicht rentabel. Um den Prozess zu vereinfachen, soll ein Batteriesystem entwickelt werden, dass eine Charakterisierung im Betrieb und eine einfache Auswechslung von Batteriezellen ermöglicht.

Ziele

Entwicklung eines Batteriesystems, basierend auf Batteriezellen der Bauform 18650 und mit folgenden Eigenschaften und Funktionen:

• Robuster, modularer Aufbau
• Einfache Auswechslung von Modulen und Zellen, auch im Betrieb («hot swap»)
• Integrierte Schutzfunktionen
• Zustandsbestimmung von Batteriezellen im Betrieb
• Messung von Strom, Spannung und Temperatur jeder Zelle und Aufzeichnung der Daten
• Integriertes Batteriemanagementsystem
• Trennen und Verbinden jeder Zelle über einen el. Schalter
  

Ergebnisse

Der entwickelte Batterieblock besteht aus einem 19-Zoll Baugruppenträger mit Rückwandplatine, einem Steuermodul und bis zu zwölf Batteriemodulen. Die Module im Europakartenformat können einfach in den Batterieblock eingeschoben werden. Auf der Rückwandplatine können die parallelen und seriellen Verbindungen der Batteriemodule konfiguriert und so die Spannung des Batterieblocks definiert werden.

Jedes Batteriemodul kann mit bis zu sechs parallelen Batteriezellen bestückt werden. Strom, Spannung und Temperatur von jeder Zelle werden kontinuierlich überwacht und aufgezeichnet. Die Zellen können einzeln über elektronische Schalter mit dem Modul verbunden werden.

Das Steuermodul überwacht die Batteriemodule und steuert den Spannungsausgleich von parallelen Modulen. Es speichert die Messdaten auf einer Speicherkarte und ermöglicht die Kommunikation mit einem Computer. Ein Batteriemanagementsystem überwacht zudem den Gesamtstrom des Batterieblocks sowie den Lade- und Entladevorgang.