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Labor Elektrische Mobilität HTW Dresden

Praktikum Elektrische

Mobilität

Untersuchungen am Elektro-PKW

V2

Ziel des Praktikumsversuchs

In diesem Praktikumsversuch soll das Antriebssystem eines Elektrofahrzeugs insb. PKW untersucht werden. Als Versuchsfahrzeug steht ein auf Elektroantrieb umgerüsteter Smart ForTwo von der Firma E-Car-Tech zur Verfügung.

Der Aufbau und die Funktion des gesamten Antriebssystems sowie das Zusammenspiel der Komponenten Batterie, Hochvoltverteilung, Elektroheizung, Antriebsmotor und Bord-netzversorgung sollen in den Versuchen vermittelt werden.

Inhalt

Ziel des Praktikumsversuchs ....................................................................................................... 1

Teil 1: Vergleich passives und aktives Batteriemanagementsystem (BMS) .................................. 2

Teil 2: Energieverbrauchsmessung im Elektrofahrzeug ............................................................... 3

Vorbereitungsaufgaben ............................................................................................................... 4

Funktionsprinzip eines Elektroautos und seiner Komponenten .................................................... 5

E-Smart – Gesamtübersicht inkl. Komponenten .......................................................................... 9

E-Smart – Blockschaltbild aktives Batteriemanagementsystem ................................................. 10

E-Smart – Blockschaltbild Slave Knoten ................................................................................... 10

Methoden des Zellspannungsausgleichs .................................................................................... 11

Passives Balancing .................................................................................................................... 12

Fester Shuntwiderstand ......................................................................................................... 12

Gesteuerter Shuntwiderstand ................................................................................................. 13

Aktives Balancing ..................................................................................................................... 14

Single Kondensator ............................................................................................................... 14

Multi Kondensatoren ............................................................................................................. 15

Single Induktivität ................................................................................................................. 15

Multi Induktivität .................................................................................................................. 16

Single Winding Transformator .............................................................................................. 17

Multi Winding Transformator................................................................................................ 18

Multiple Transformator ......................................................................................................... 18

µCµC

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Teil 1: Vergleich passives und aktives Batteriemanagement-

system (BMS)

Zu Beginn liegt das Augenmerk auf dem elektro-chemischen Energieträger, der Traktions-batterie. Von ihr hängen mitunter die Leistungsfähigkeit des Antriebs und die Reichweite des Fahrzeugs ab. Eine Batterie besteht aus mehreren Akkumulatorzellen, die als Batte-rie seriell und/oder parallel verschaltet werden. Aufgrund der zulässigen Spannungsberei-che der Akkumulatoren ist ein sogenanntes Batteriemanagementsystem (BMS) notwendig. Das BMS erkennt, wenn die Spannung einer Zelle vom Mittelwert abweicht, was gleichbe-deutend mit eine Abweichung der Ladung zusammenhängt. Um die Zellen auf die gleiche Spannungs- und damit Ladungsebene auszugleichen, gibt es zwei prinzipielle Möglichkei-ten. Ein passives System entlädt die Zelle mit zu hoher Spannung über einen Leistungs-widerstand. Dabei wird die Energie in Wärme umgewandelt und ist nicht mehr für den An-trieb nutzbar. Das aktive Managementsystem entlädt die Zelle mit erhöhter Spannung und lädt mit dieser Energie die gesamte Batterie. Dadurch entsteht weniger Energieverlust beim Ausgleich und der Gesamtwirkungsgrad steigt.

In der Praxis gibt unterschiedliche Wege ein aktives Batteriemanagementsystem aufzu-bauen. Die verschiedenen Ausführungen werden in einer Übersicht im Anhang dieser An-leitung erläutert. Im Praktikumsversuch soll ein passives BMS einem aktiven BMS gegen-übergestellt werden. Das aktive BMS im Praktikum ist als Multi-Winding-Transformator-System ausgeführt.

Diese Aufgaben sind im Vorfeld zu bearbeiten:

1 Erarbeiten Sie das Grundfunktionsprinzip eines aktiven Batteriemanagementsys-tems am Bespiel eines Multi-Winding-Transformators.

2 Erläutern Sie den Funktionsunterschied zwischen Top- und Bottom-Ballancing.

Im Praktikum sind folgende Punkte abzuhandeln:

1 Aufbau und Inbetriebnahme des Tischversuchstandes incl. Monitoringsystem (CA-Noe-Tool) nach Anleitung des Betreuers.

2 Vergleichsmessung beider Systeme ausführen (Betrachtung Wirkungsgrad).

3 Definieren Sie eine Spannungsdifferenz zwischen Zelle Nr.:= und den restlichen Zellen.

4 Starten Sie den Balancing-Vorgang mithilfe des CANoe-Tools.

5 Erfassen Sie folgende Parameter: Zeit, Spannung, Strom, Energie

Die Versuchsauswertung beinhaltet:

1. Stellen Sie die Energiebilanz von dem untersuchten passiven und aktiven BMS auf.

2. Berechnung der Zeit und des Endladezustands eines vollständigen Zellausgleichs mit einem Wirkungsgrad von 97 % bei einer Ladung von 100 % SOC einer Zelle bei zehn in Reihe geschalteten 120-Ah-Zellen mit sonst 99 % SOC mit den im Prakti-kum verwendeten Verfahren und Parametern.

3. Vergleichen Sie anschließend die zwei Systeme anhand des Wirkungsgrads, der Systemkosten und nennen Sie sinnvolle Einsatzgebiete der Systeme (Begründung).

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Teil 2: Energieverbrauchsmessung im Elektrofahrzeug

Im zweiten Teil des Praktikums werden die elektrischen Komponenten eines Elektroautos

und deren Zusammenspiel vermittelt. Der auf Elektroantrieb umgerüstete Smart ForTwo soll analysiert werden.

Im Vorfeld sollte die Vorbereitungsaufgabe mithilfe der Funktionsbeschreibung der

Teilkomponenten (s. Anhang) gelöst werden.

Dadurch wird ein Grundverständnis des Antriebssystems erlangt. Dies wird benötigt, um die Versuche im Praktikum durchzuführen und auch zu verstehen.

Das Praktikum beinhalten im Wesentlichen folgende Punkte:

1. Zu Beginn werden mithilfe der Gesamtübersicht des E-Smarts die Komponenten identifiziert und deren Funktion erarbeitet.

2. Definieren Sie die Messpunkte zur Verbrauchsmessung unter Berücksichtigung des

Bordnetzes und der Heizung (s. Auswertung). Was, wo und wie muss gemessen werden? Es bietet sich das Blockschaltbild des gesamten Fahrzeugs an, in dem die Messpunkte markiert werden können (s. Anhang).

3. In einer Diskussion sollen die notwendigen Fahrmanöver und alle Ausgangsbedin-gungen definiert werden.

4. Nehmen Sie anschließend das Datenloggermesssystem in Betrieb und schließen Sie die Messwandler an.

5. Anschließend werden die Messwerte bei definierten Fahrmanövern aufgezeichnet. 6. Zum Abschluss wird der Ladevorgang ausgewertet und die Steckerstandards und

Lademodi nach SAE J1772 diskutiert.

Folgende Auswertungen sind zu betrachten und die Ergebnisse zu interpretieren:

1. Gesamtenergieumsatz in kWh pro 100 km auf Basis der durchgeführten Messfahr-ten. Geben Sie die einzelnen Verbräuche von Heizung, Bordnetz, Antrieb ohne Rekuperation und mit Rekuperation an sowie den Rekuperationswirkungsgrad.

2. Wie hoch sind die max. elektrische Antriebsleistung und die max. elektrische Reku-perationsleistung?

3. Erstellen Sie eine Wirkungsgradkette soweit möglich anhand der gemessenen Wer-te. Bevorzugte Darstellung ist ein Blockschaltbild.

4. Ergänzen Sie ihre Darstellung um den Wirkungsgrad des Ladegeräts anhand der erfassten Messwerte. Warum ist dieser Wert nicht repräsentativ?

5. Visualisierung der gefahrenen Strecke (Fahrprofil) anhand der GPS-Koordinaten und hinsichtlich des Energieumsatzes (Leistungsprofil) mit Bestimmung der signifi-kanten Traktions- und Rekuperationsstrecken.

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Vorbereitungsaufgaben

Unterschied zwischen einem reinen Elektrofahrzeug (BEV) und Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor.

Benennen Sie die verdeckten Komponenten der Grafik. Nutzen Sie auch die Dokumente im Anhang über die Funktionsprinzipien eines Elekt-rofahrzeugs.

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Funktionsprinzip eines Elektroautos und seiner Komponenten

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E-Smart – Gesamtübersicht inkl. Komponenten

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E-Smart – Blockschaltbild aktives Batteriemanagementsystem

E-Smart – Blockschaltbild Slave Knoten

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Methoden des Zellspannungsausgleichs

Das Ungleichgewicht des Ladezustandes der Akkumulatorzellen spielt für die Lebens-

dauer der Batterie eine sehr wichtige Rolle. Weil die einzelnen Ladezustände ohne dem

Balancing über die Zeit auseinander driften, kann eine schnelle Verringerung der Batterie-

kapazität die Folge sein, da einige Zellen nicht vollständig geladen, andere bei Traktion

nicht vollständig entladen werden.

Die Ursachen des Ungleichgewichts von Zellladungen werden nach internen und externen

Quellen in zwei große Kategorien geteilt. Die internen Ursachen umfassen die vom Hers-

teller vorgegebenen maximalen Ladeströme, unterschiedliche Eigenimpedanzen und

Selbstentladungsraten der Zellen. Externen Ursachen ist vor allem die durch Schutzschal-

tungen verursachte ungleichmäßig Verteilung von Ladungen oder Entladungen an ver-

schiedenen Zellen in einem Batteriemodul. Wegen der thermischen Differenz über der

Batterie, ergeben sich unterschiedliche Selbstentladungsraten der Zellen.

Abbildung 1: Passives und aktives Zell-Balancing – Topologien

Es kann grundlegend zwischen passivem und aktivem Balancing unterschieden werden.

Eine Unterteilung der Unterarten findet sich in Abbildung 1. Alle Varianten, die die über-

schüssigen Energien aus den vollständig geladenen Zellen in Wärme oder andere nicht

primär nutzbare Energieform umwandeln, werden als passiv bezeichnet. Im Gegensatz

dazu lädt das aktive Balancing die Energie aus voll geladenen Zellen in Zellen mit gerin-

Zell Balancing

Aktiv Passiv

Fester Shunt-

Widerstand

Gesteuerter Shunt-

Widerstand

Kapazitive

Zwischenspeicherung

Transformator/Induktive

Zwischenspeicherung

Single

Kondensator

Multi

Kondensatoren

Multi

Induktivität

Single Winding

Transformator

Multi Winding

Transformator

Single

Induktivitätt

Multiple

Transformator

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gerem Ladezustand. Der Energiesaustausche geschieht mit Hilfe der Energiezwischen-

speicherung in aktuven Bauelementen.

Prinzipiell gibt es drei verschiedene Varianten:

• kapazitive Zwischenspeicherung

• induktive Zwischenspeicherung

• erweitere induktive Zwischenspeicherung (Transformator)

Passives Balancing

Fester Shuntwiderstand

Das einfachste passive Balancingverfahren wird mit einem Shuntwiderstand realisiert, der

parallel an jede Zelle angeschlossen wird. Ein kontinuierlicher Strom von allen Zellen wird

dabei durch den Widerstand umgeleitet (bypassing) während die Batterie lädt, um die

Spannung der Zellen zu begrenzen. Oder wie in Abbildung 2 auf der rechten Seite darges-

tellt, kann die einzige nicht vollständige geladene Zelle B3, nicht durch Ladeschlussstrom

der anderen Zellen, sondern durch einen geringeren bypassing Strom voll geladen wer-

den, um die Nennkapazität aller einzelnen Batteriezellen zu erreichen.

Abbildung 2: Fester Shuntwiderstand [4]

Dieses Verfahren kann nur für Blei-Akkumulator und Nickel-Cadmium/Metallhydrid- Akku-

mulator verwendet werden, weil diese bei Überladung nur geringen Kapazitätsverlust er-

leiden. Dieses Verfahren ist zwareine sehr preiswerte Variante, jedoch ist ein großer

Nachteil, dass vielVerlustwärmeenergie durch den durch die Widerstände fließenden

Strom bei allen Zellen erzeugt wird.

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Gesteuerter Shuntwiderstand

Statt der kontinuierlichen Shuntwiderstände wird nun ein Schalter in Reihe zu diesen ge-

schaltet, um die Energie selektiv in Wärme umzuwandeln, je nachdem, welche Zelle einen

zu hohen Ladezustand besitzt (Abbildung 3). Die Steuerung geschieht über eine höhere

Logik (z.B: Mikroprozessorschaltung), die anhand von Grenzwertkriterien über das Balan-

cing der einzelnen Zellen entscheidet. Dieses Verfahren ist effizienter als die Methode mit

festem Shuntwiderstand und ist zudem einfach, zuverlässig, selektiv und kann bei Lithium-

Ionen-Batterien eingesetzt werden.

Abbildung 3 Gesteuerter Shuntwiderstand

Für die zwei passiven Balancing Verfahren muss ein Shuntwiderstand so dimensioniert

werden, dass die maximalen Verlustleistungen in Wärme umgesetzt werden können. Da-

für ist ggf. ein extra Kühlsystem nötig, um die Wärme an die Umgebung abzugeben.

Je nach maximal möglicher Kühlkörpergröße ist der Ladestrom entsprechend zu dimen-

sionieren. Aufgrund der nicht nutzbaren Energiemenge sinkt der Wirkungsgrad des elektri-

schen Systems.

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Aktives Balancing

Single Kondensator

Ein über zwei Zellen parallel geschalteter Kondensator als Zwischenspeicher basiert auf

dem Prinzip der Ladungspumpe. Zwei Arten von Schaltungen werden auf diesem Prinzip

entwickelt. Die erste Schaltung (siehe Abbildung 4) braucht nur einen Kondensator, n+1

Schalter und zwei Doppelkontaktschalter, um n Zellen auszugleichen. Dies ist eine einfa-

che Strategie. Wenn ein Spannungsunterschied zwischen den Zellen über einem be-

stimmten Schwellwert liegt, lädt der Kondensator die Energie zwischen dieser und einer

weiteren Zelle um. Dabei müssen die zum Ausgleich verwendetenZellen in der Batterie-

nicht unmittelbar benachbart liegen. Das Balancing kann bereits mit einem geringen

Spannungsunterschied von 10 mV stattfinden. Je kleiner der Spannungsunterschied ist,

desto geringer ist die Ladungsverschiebung zwischen den Zellen pro Schaltzyklus.

Jedoch ist eine sehr sichere Steuerung bei dieser Schaltung nötig. Im Fehlerfall - zum Bei-

spiel durch eine Fehlbedienung der Schalter - besteht ein Kurzschluss an zwei benach-

barten Zellen.

Abbildung 4 Single Kondensator

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Multi Kondensatoren

Die zweite Methode basiert auch auf dem Prinzip der Ladungspumpe. Wie in Abbildung 5

dargestellt, erfordert diese n-1 Kondensatoren und 2n Schalter zum Ausgleich von n Zel-

len. Es wird keine intelligente Steuerung gebraucht, da alle Schalter nur gleichzeitig in

zwei Zustände schalten. Die Kondensatoren laden sich bis Zellspannungsniveau auf und

es führt zu keinem Kurzschluss bei Fehlbedienung der Schalter. Im Vergleich mit der ers-

ten Schaltung kann der Ausgleich nur zwischen benachbarten Zellen pro Schaltzyklus

stattfinden.

Abbildung 5 Multi Kondensatoren

Der gleiche Energietransport zwischen den Batteriemodulen bei gleicher Anzahl von Zel-

len und gleicher Nennspannung wird mit einer Umschaltung von Kondensatoren realisiert.

Der Nachteil der Ladungspumpe ist eine relativ lange Ausgleichszeit, obwohl bei der La-

dung oder Entladung fast kein Energieverlust in Form von Wärme auftritt.

Single Induktivität

Eine weitere Methode zur schnellen Energieumwandlung ist die Nutzung der Induktivität in

einer Spule oder Transformator. Durch einen großen Ausgleichsstrom bietet diese Varian-

te eine kleine Ausgleichszeit mit geringen Schaltverlusten. Die in Abbildung 6 gezeigte

Methode nutzt eine Spule für die Energieübertragung in dem Batteriemodul. Die Steue-

rung hat eine integrierte Spannungsüberwachungsfunktion, diese erfasst die Spannungen

aller Zellen und wählt zwei Zellen zum Ausgleich aus. Die Zelle mit höchstem Ladezustand

gibt ihre Energie durch das Einschalten ihrer parallelen Schalter Qnb und Q(n+1)a in die

Spule zum Aufbau eines magnetischen Felds ab. Die Größe der magnetischen Feldstärke

in der Spule wird durch die Höhe des Stromes, der Abmessungen und der Windungszahl

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bestimmt. Das magnetische Feld baut sich nach dem Abschalten der Stromzufuhr ab und

gibt die Energie an die gewählte Zelle mit Zuschaltung paralleler Schalter weiter.

Abbildung 6 Ausgleichsschaltung mit Single Induktivität

Die beiden für einen Ausgleich zufällig ausgewählten Zellen können sich in einem Batte-

riemodul befinden. Deshalb braucht die Steuerung für ein mit n Zellen bestehendes Batte-

riemodul genau 2n separate Steuersignale. Eine komplizierte Schaltung mit vielen ICs und

Bauelementen muss vorgesehen werden. Aufgrund von Softwareausfall, der Qualität von

ICs und der Bauelementen besteht ein großes Sicherheitsrisiko.

Multi Induktivität

Abbildung 7 zeigt einen grundsätzlichen Aufbau mit mehreren Spulen. Somit benötigen n

Zellen n-1 Spulen, um ihre Ladungsniveaus auszugleichen. Bei dieser Schaltung kann

eine Zelle ihre Energie nur an die benachbarte Zelle weitergeben. Es dauert deshalb eine

lange Zeit bis sich ein einheitliches Spannungsniveau in einem Modul einstellt. Dies ist

dann der Fall, wenn die Spannungsdifferenz zwischen der ersten und der letzten Zelle

ausgeglichen ist. Weil es nicht möglich ist die Energie auf direktem Wege in eine entfernte

Zelle zu transportieren, senkt sich der Wirkungsgrad dieses Anwendungsfalls.

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Abbildung 7 Ausgleichsschaltung mit Multi Induktivität [12]

Single Winding Transformator

Die Ausgleichsschaltungen mittels Transformator beruhen auf dem Prinzip des Sperr-

wandlers. Die Primärseite des Transformators wird mit dem gesamten Batteriemodul ge-

koppelt und setzt auf Sekundärseite die Spannung der Zelle mit der auszugleichenden

Ladung um. Aus dem englischen Begriff nennt sich ein solcher Transformator „switches

transformer“ (siehe Abbildung 8). Der Strom der Primärseite des Transformators baut sich

eine bestimmte Zeit linear auf, solange der Schalter auf der Primärseite geschlossen ist.

Nach der Sperrung der Primärseite kommt der Sekundärseitige Strom zustande. Bevor

das Balancing beginnt, wird eine Zuschaltung an der Sekundärseite und der am wenigsten

geladenen Zelle von der Steuerung durchgeführt. Sodass die schwächste Zelle sich somit

von der Gesamtspannung lädt. Dieser Vorgang wird zyklisch wiederholt, bis alle Zellen

eine Mindestspannungsdifferenz zu der Durchschnittsspannung erreicht haben.

Abbildung 8 Ausgleichsschaltung mit Single Winding Transformator

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Multi Winding Transformator

Die zweite Methode mit Transformator ist die sogenannte Multi Winding Transformator

Variante. Jede Zelle erhält eine eigene sekundärseitige Wicklung wie in Abbildung 9 zu

sehen. Wenn eine erhöhte Spannungsdifferenz detektiert wird, schaltet sich der an der

Zelle mit höchster Spannung verbundene Schalter ein, womit der Speicherkern des Trans-

formators aus einer Zelle geladen wird. Bei Abgabe der gespeicherten Energie fliest der

primärseitige Strom durch die Freilaufdiode in die gesamte Batterie zurück. Der materielle

Aufwand dieser Variante für n Zellen beträgt jeweils n sekundärseitige Windungen und n

Schaltelemente. Die Schwierigkeit zeigt sich im Aufbau, weil der Transformator eine Son-

deranfertigung darstellt.

Abbildung 9 Ausgleichsschaltung mit Multi Winding Transformator [8]

Multiple Transformator

Die letzte Methode des Zellausgleichs mit Transformator wird in Abbildung 10 gezeigt. Je-

de Zelle erhält in diesem Fall nicht nur eine sekundärseitige Wickelung sondern einen ei-

genen Speicherkern. Zum Vergleich mit Multi Winding Transformator ist diese Methode

besser für den modularen Aufbau geeignet, da es bei einer Erweiterung eines Batteriemo-

duls keine Änderungen am Transformator (z.B.: Kernstärke, Anzahl der Wickelung)

braucht. Obwohl die Anzahl der Schaltelemente sich reduzieren und der Transformator in

normaler Bauform gewickelt werden kann, sind die Baukosten sehr hoch.

Abbildung 10 Ausgleichsschaltung mit Multiple Transformator