Im Rahmen der Diskussion um den Klimawandel zeigen hybride Antriebssysteme das Potenzial, Emissionen und Kraftstoffverbrauch signifikant zu senken. Die benötigte elektrische Leistung, die geforderte Lebensdauer sowie die damit einhergehende Kapazität des Energiespeichersystems für Anwendungen im Offhighway-Bereich liegen dabei deutlich über denen aus dem Onhighway-Bereich bekannten Seriensystemen. Vorgestellt wird ein modulares Hochleistungsenergiespeichersystem auf Basis von Lithium-Ionen-Zellen für den Einsatz in unterschiedlichsten Anwendungen und Leistungsklassen. Es wurde ein Batteriesystem bestehend aus 45 Modulen aufgebaut. Je 15 dieser Module werden elektrisch in Reihe verschaltet und bilden einen Batteriestrang mit der gewünschten Nennspannung von 666 V. Hierzu werden drei dieser Batteriestränge parallel verschaltet, sodass sich eine Nennkapazität von 138 Ah ergibt. In Summe ergibt sich ein Energieinhalt von circa 92 kWh und eine Spitzenleistung von 552 kW. Die Sicherheitsfunktionen und deren Anforderungsstufen bis SIL2 wurden ermittelt und als sicherer Zustand das Abschalten eines Batteriestrangs definiert. Das Batteriemanagementsystem realisiert diese Funktionen. Die vom Speichersystem geforderte Modularität findet sich auch in der Auslegung des Batteriemanagementsystems wieder. Alle elektronischen Komponenten sind hierbei mit robusten CAN-Verbindungen vernetzt, wobei proprietäre Protokolle zum Einsatz kommen. Auch die Funktion für den Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Batteriezellen ist hier implementiert. Neben den Sicherheitsfunktionen und der Koordination des Speichers verfügt jedes BMS über eine Einrichtung zur Isolationsüberwachung sowie ausreichend Rechenleistung, um den Zustand der jeweiligen Batteriezellen in Echtzeit ermitteln zu können. Die Erprobung und Absicherung der Funktionen des Energiespeichersystems im Zusammenspiel mit den weiteren Komponenten des Hybridantriebs wurde auf einem zu diesem Zweck ausgebauten Hybridprüfstand durchgeführt. Zur Bewertung des Kraftstoffeinsparpotenzials des ausgewählten Schienenfahrzeugs gegenüber konventionellen Zügen wurde basierend auf einem regelungsorientierten Simulationsmodell eine optimale Betriebsstrategie berechnet. Es gelang, ein Energiespeichersystem mit Lithium-Ionen-Zellen zu entwickeln, das sich durch eine hohe Lebensdauer, Leistungsfähigkeit, Modularität und Skalierbarkeit auszeichnet. Zur Darstellung realitätsnaher Lastzyklen wurde ein hybrides Antriebssystem entwickelt sowie die notwendigen, prüfstandsseitigen Komponenten beschafft und in Betrieb genommen. Ein wesentliches Ergebnis war die Realisierung einer sicherheitsgerichteten Antriebssteuerung sowie die zugehörige Software, die das komplexe Zusammenspiel der Komponenten regelt und überwacht.
Modulares Energiespeichersystem für hybride Antriebssysteme
Automobiltechnische Zeitschrift - ATZ ; Oktober , extra: offhighwax ; 42-52
2014
11 Seiten, 10 Bilder, 2 Quellen
Article (Journal)
German , English
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