Zur Zeit wird an unserem Lehrstuhl an Batteriespeichersystemen gearbeitet, die basierend auf der Multi-Level-Technologie arbeiten. Mit dem konventionellen Aufbau von Batteriespeichern wird dabei in Form der Wechselstrombatterie fundamental gebrochen. Diese Wechselstrombatterie kann in kleinen Varianten als Hausspeicher eingesetzt werden, um den Eigenverbrauch selbst erzeugter Energie zu erhöhen. In großen Ausbaustufen kann sie aber auch in Gewerbe- oder Industrieeinrichtungen genutzt werden, um Spitzenlasten zu dämpfen oder die Phasenlage zu verbessern (Phasenschieberbetrieb). Ebenso ist es denkbar, diese Technologie auf Netzebene zum Peak Shaving einzusetzen, oder damit am Primärregelleistungsmarkt teilzunehmen. Zudem kann die Wechselstrombatterie die Elektromobilität in ein neues Zeitalter führen!

Wie funktioniert ein Elektrofahrzeug?

Der klassische Aufbau eines Konzepts mit Batteriespeicher, Umrichter und elektrischer Last/Versorgung ist überholt. Bisher war der Aufbau eines Elektrofahrzeuges folgendermaßen: Ein Batteriespeichersystem liefert Gleichstrom, der über eine Leistungselektronik in 3-phasigen Wechselstrom gewandelt wird und den Motor versorgt. Dabei ist eine gesonderte Leistungselektronik für jeden vorgesehenen Ladestandard (z.B. Haushaltssteckdose, Starkstrom , Supercharger) notwendig. Die Leistungselektronik ist immer als B6-Brücke ausgeführt, d.h. wir schalten die Spannung bei hoher Schaltfrequenz binär zu und weg. Über das Verhältnis von Ein- zu Ausschaltzeit kann auf diese Weise ein Spannungsverlauf nachgebildet werden, was jedoch teure Spulen erforderlich macht, die das Ausgangssignal filtern. Diese Art der Leistungswandlung nennt man Pulsweitenmodulation (PWM). Das Netz, bzw. die elektrische Maschine sieht in der Folge Spannungspulse hoher Frequenzen und variierender Längen, wobei Netzfilter bzw. die baulich bedingte Induktivität der elektrischen Maschine diese gepulste Spannung glätten. Über das Verhältnis von „AN (1)“ zu „AUS (0)“ entstehen somit die gewünschten Spannungsniveaus als Mittelwert der PWM. Auf dieser Technologie basieren fast alle der heutigen Leistungselektroniken. Dieses Konzept wurde seit seiner Einführung vor über 80 Jahren nicht mehr verändert. Die Entwicklung von rechenstarken Mikrocontrollern und Fortschritte in der Halbleitertechnik ermöglichen nun jedoch alternative Vorgehensweisen.

Neues Konzept

Beim vorgeschlagenen Lösungsansatz wird ein Verbund von Batteriezellen (bei Lithium-Ionen-Zellen Nennspannung 3,6 Volt) mit einer Leistungselektronik versehen. Die so entstehenden "Smart Batteries" werden wiederum mit ihren unmittelbaren Nachbarzellen verbunden und bilden so einen Umrichterstrang. Verschiedene Schaltzustände der Leistungselektronik ermöglichen ein serielles oder paralleles Verschalten benachbarter Module. Zusätzlich ist auch ein Bypass-Modus, also eine vorübergehende oder dauerhafte Deaktivierung einzelner Module, möglich. Dieser Modus kann bei defekten Zellen oder starken Inhomogenitäten hinsichtlich von Lade- (State Of Charge (SOC)) oder Alterungszustand (State Of Health (SOH)) der Zellen genutzt werden, sodass nicht die Leistungsfähigkeit des gesamten Akkus beeinträchtigt wird. Durch das serielle Verschalten der Module kann ein Strang unterschiedliche Spannungsniveaus ausgeben, was namensgebend für die Multilevel-Technologie ist. In der Regel werden über die Spannungsstufen Sinus-Signale unterschiedlicher Frequenz und Amplitude generiert. Durch die neue Herangehensweise können die Nachteile konventioneller Batteriespeicher- und Umrichtersysteme, wie z.B. der geringe Wirkungsgrad im Teillastbereich oder die aufwendige Skalierbarkeit, umgangen werden. Sie ermöglicht es, einzelne Smart Batteries eines Batteriespeichersystems individuell anzusteuern, wodurch unzählige neue Möglichkeiten eröffnet werden. Zudem vereint das integrierte Batteriespeicher- und Umrichtersystem sowohl das BMS als auch die Funktionen der unterschiedlichen Umrichter. Dieses hochintegrierte und modulare Batteriespeicher- und Umrichtersystem nutzt seine zahlreichen Freiheitsgrade für den hocheffizienten Betrieb des Gesamtsystems und ermöglicht ein differenziertes Handling verschiedener Batteriezellen. Es umgeht zahlreiche Nachteile konventioneller PWM-Umrichterkonzepte.

Was machen wir anders?

Zur Wandlung von Gleich- in Wechselspannungen existieren verschiedene Ansätze. Die grundlegende Herangehensweise ist es, eine Gleichspannung derart zu „zerhacken“, dass sie nach entsprechender Filterung einer Sinusform ähnelt. Insgesamt dabei gibt es unterschiedliche Herangehensweisen, die konventionelle PWM, der Multi Level (ML)-Ansatz und ein ML-Ansatz mit Parallelschaltung. Durch eine Aufspaltung der Blockbatterie, mit einem ML-Ansatz kann der Sinus wesentlich besser approximiert werden. Dieser Ansatz führt jedoch zu erhöhten Verlusten in der Batterie im Vergleich zu einem herkömmlichen System. Umgangen werden kann dies durch das Parallelschalten der Zellen. Zusätzlich führt dies zu einem erhöhten Wirkungsgrad im Teillastbetrieb, da mehr Zellen dynamisch parallel geschaltet werden können. Gerade bei einem PKW ist dieser Teillastbetrieb (Fahrten mit weniger als 140kmh) ausgeprägt vorhanden. Derzeit werden auf Umrichterseite fast ausschließlich PWM-Umrichter verbaut.