Elektronische Überwachungs- und Steuergeräte zum Erhalt der aktuellen Qualität vielzelliger elektrochemischer Speichersysteme

Electronic supervising and control devices for conserving the current quality of multicell electrochemical storage systems

  • Ausgehend von den Batterien nach dem Stand der Technik werden die Einflüsse auf diese untersucht. Es stellt sich heraus, dass vor allem Batterien für den Einsatz in der Traktion und in stationären Anlagen nur mit nicht zu vernachlässigenden Toleranzen gefertigt werden können. Dazu kommt der Einfluss durch den Betrieb, der in Verbindung mit der Fertigungstoleranz und der Lagerbeanspruchung eine Überwachung der Batterie mit einem elektronischen Überwachungs- und Steuergerät, einem sogenannten Batteriemanagementsystem, zwingend notwendig macht. Nur damit kann die aktuelle Qualität einer Batterie erhalten oder verbessert werden. Es folgt eine Klassifizierung von Batteriemanagementsystemen, die ihrerseits in elektrisches Batteriemanagement, thermisches Batteriemanagement und Ladeausgleich aufgeteilt werden. Für diese drei Teileinheiten werden jeweils eine Reihe von Topologien definiert. Das Batteriemanagementsystem mit verteilten Datenerfassungseinheiten und Energiezuführung für den Ladeausgleich wird als Beispiel für eine Geräteentwicklung detailliert beschrieben. Grundlegend für Batteriemanagementsysteme sind deren Algorithmen. Nach der Definition der elektrischen und thermischen Betriebsbereiche verschiedener Batterien werden typische Algorithmen für den Lade- und Entladebetrieb vorgestellt. Weiter werden Verfahren zur Bestimmung des aktuellen Ladezustandes einer Batterie diskutiert. Im Falle eines Betriebes in einem Inselnetz geht in die aktuelle Qualität einer Batterie auch der Isolationswiderstand mit ein. Näher beschrieben wird ein Gerät zur Messung des Isolationswiderstandes. Das Batteriemanagement fordert eine hohe Genauigkeit bei der Datenerfassung. Es werden typische Datenerfassungseinheiten und Sensoren auf ihre Fehlerquellen und die daraus resultierenden Toleranzen untersucht. Weiter werden Kalibrierungsmöglichkeiten diskutiert. Ein weiterer Punkt ist der Test von Batteriemanagementsystemen. Ein Test mit einer realen Batterie nimmt eine längere Zeit in Anspruch. Außerdem besteht dabei die Gefahr einer Schädigung der Batterie. Es wird ein rechnergestütztes System zum Test des elektrischen Batteriemanagements vorgestellt. Abschließend werden integrierte Batteriemanagementsysteme, die im Gerätebereich Anwendung finden, klassifiziert. Es wird gezeigt, dass diese integrierten Lösungen als Ersatz für Datenerfassungseinheiten bei Batterien im Traktions- und Stationärbetrieb eingesetzt werden können. Insgesamt wird nachgewiesen, dass elektronische Überwachungs- und Steuergeräte unabhängig vom Batterietyp und der Einsatzart zum Erhalt oder zur Verbesserung der aktuellen Qualität von Batterien nicht nur sinnvoll sondern für neuere Batterietechnologien unbedingt notwendig sind.
  • Starting with state-of-the-art batteries the influences on them are analysed. It turns out that especially batteries used for traction and for stationary use can only be manufactured with tolerances which cannot be neglected. In addition, there is an influence during the use of the battery which necessitates in combination with the manufacturing tolerances and the storage stress a control of the battery with an electronic control device. With this device only, the up-to-date quality of a battery can be kept or improved. A classification of battery management systems follows: The systems can be divided in electrical battery management, thermal battery management and charge equalization. For each of these three parts a number of topologies are defined. The battery management system using distributed data acquisition units and energy support for the charge equalization is described in detail as an example for developing a device. Fundamental for battery management systems are their algorithms. After defining electrical and thermal operating conditions of different batteries typical algorithms for charging and discharging are presented. Further, methods for the calculation of the up-to-date state of charge of a battery are discussed. If a battery is used in an island net the isolation resistance is also part of the up-to-date quality of a battery. The battery management requires a data acquisition with high accuracy. Typical data acquisition units and sensors are analysed regarding their error sources and the corresponding resulting tolerances. Furthermore, calibration methods are discussed. Another topic is the test of battery management systems. Testing with a real battery takes a long time. Besides, there is a risk of damaging the battery. A computer controlled system for the test of the electrical battery management is presented. Finally integrated battery management systems which are used for device batteries are classified. It is shown that these integrated solutions can substitute data acquisition units for traction and stationary batteries. All in all, it is proved that electronic control devices independent of battery type and type of usage are not only useful for keeping or improving the up-to-date quality of batteries but also absolutely necessary for newer battery systems.

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Metadaten
Author:Bernhard Hauck
URN (permanent link):urn:nbn:de:bsz:386-kluedo-16560
Advisor:Hans Kahlen
Document Type:Habilitation
Language of publication:German
Year of Completion:2003
Year of Publication:2003
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2003/06/25
Tag:Batteriemanagement ; Batterien
batteries; battery management
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
DDC-Cassification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $