Entwicklung eines verteilten Energiemanagementsystems

Abstract

Traktionsbatterien bestimmen durch ihre hohen Kosten den Verkaufspreis von Elektrofahrzeugen und tragen dadurch zu geringer Marktakzeptanz dieser bei. Eine Traktionsbatterie besteht nicht nur aus dem Energiespeicher selbst, sondern unter anderem auch aus einer Überwachungseinrichtung - dem Batteriemanagementsystem (BMS). Das BMS soll einen fehlerfreien und sicheren Betrieb der Komponente Batterie sicherstellen. Da BMS individuell für jedes Fahrzeug entwickelt werden, ist es Ziel der vorliegenden Arbeit, einen Ansatz zu finden, BMS einheitlich zu gestalten und somit eine Möglichkeit zu schaffen, die Kosten der Batterie zu senken. Diese Arbeit setzt sich mit der Architektur von BMS und deren Ladungsausgleichssystemen (Balancing) auseinander. Es wird gezeigt, dass derzeitige Systeme unflexibel sind und keine Möglichkeit bieten, das BMS einheitlich zu gestalten. Es wird ein neues Konzept, die Intelligente Zelle, entwickelt, welche die Basis für ein einheitliches, skalierbares BMS bildet. Eine Intelligente Zelle besteht aus einem Energiespeicher und einer elektronischen Schaltung. Eine Menge an Intelligenten Zellen bildet eine Batterie, ohne dass ein übergeordnetes System notwendig ist, das heißt Intelligente Zellen bilden selbst ein verteiltes BMS. Die Funktionalität der Intelligenten Zelle wird insbesondere über ein Leistungsstellglied erreicht, welches den Energiefluss steuert und sowohl das Balancing ermöglicht als auch Sicherheit gewährleistet. Intelligente Zellen kommunizieren über Powerline Communication (PLC). Das Protokoll für diese Kommunikation wird in Hinblick auf die neue Architektur entwickelt. Es wird gezeigt, dass das Prinzip eines verteilten BMS umsetzbar ist. Die Intelligenten Zellen kommunizieren untereinander und stellen die Funktionalität eines BMS bereit. Das Leistungsstellglied der Intelligenten Zelle ermöglicht auch, stark gealterte oder defekte Zellen aus dem Verbund zu lösen. Es wird gezeigt, dass damit die Reichweite eines Elektrofahrzeugs durch die bessere Ausnutzung der verbauten Energie gesteigert werden kann. Die Lebensdauer einer Traktionsbatterie kann durch diesen Ansatz ebenfalls erhöht werden. Das entwickelte Funktionsmuster der Intelligenten Zelle muss optimiert werden um den Schritt in Richtung Produkt gehen zu können. Sind diese Optimierungen erfolgreich, steht zukünftig ein BMS zur Verfügung, welches sowohl Kosten als auch Nutzen einer Traktionsbatterie verbessert.

Traction batteries define the selling price of electric vehicles and by that lead to less market acceptance of them. A traction battery is not only made of the energy storage itself but also of a monitoring device - the battery management system (BMS). The BMS is designed to ensure trouble-free and safe operation of the battery. Since BMS are developed individually for each vehicle, it is the objective of this thesis to find an approach of standardized BMS design and thus to provide a way of reducing costs of the battery. This work deals with the architecture of BMS and its balancing systems. It is shown that todays systems are inflexible and do not offer the possibility of a standardized BMS. Accordingly a new concept, the intelligent cell is developed, which is the basis for a standardized, scalable BMS. An intelligent cell consists of an energy storage and an electronic circuit. Intelligent cells form a battery without having a central controller. This means intelligent cells build up a distributed BMS. Inter alia, the functionality of the intelligent cell is achieved by power electronics, which controls the flow of energy and enables both, balancing and security. Intelligent cells communicate via Powerline Communication (PLC). The protocol for this communication is developed in consideration of the new architecture. It is shown that the principle of a distributed BMS is possible. Intelligent cells communicate with each other and provide the functionality of a BMS. The power electronics of the intelligent cell makes it possible still using the battery at its maximum performance with strongly aged or even damaged cells by excluding them from the compound. It is shown that this technology enhances the range of an electric vehicle by the optimal usage of the installed energy. Furthermore, the approach can prolong the lifetime of a traction battery overall. The developed prototype of the intelligent cell needs to be optimized to be marketready. If these optimizations are successful a BMS will be available that improves both, costs and lifetime of a traction battery.