Batteriemanagement Traktionsbatterie und Batteriemanagementsystem für E-Kleinbusse

Autor / Redakteur: Ulrich Huber, Dietmar Schrägle* / Jan Vollmuth

Der neue VDL Elektro-Kleinbus nutzt die Batterietechnologie von Kreisel Electric, die durch ein Batteriemanagementsystem von STW überwacht und geregelt wird.

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Der vollelektrische Antriebsstrang des neuen VDL MidCity Electric wurde zusammen mit der österreichischen Firma Kreisel Electric entwickelt. Basis ist deren patentierte Batterietechnologie.
Der vollelektrische Antriebsstrang des neuen VDL MidCity Electric wurde zusammen mit der österreichischen Firma Kreisel Electric entwickelt. Basis ist deren patentierte Batterietechnologie.
(Bild: VDL Bus & Coach)

Dem unbestrittenen ökologischen Nutzen der Elektromobilität werden oft ökonomische Vorbehalte gegenübergestellt. Diese auszuräumen fällt dem elektrischen Nutzfahrzeug besonders leicht. Gerade Busse jedweder Größe sind stundenlang im Einsatz und legen dabei oft nur vergleichsweise geringe Strecken zurück. Mit kaum einer anderen Fahrzeugart ist durch den Einsatz eines batterie-elektrischen Antriebs ein derart großer ökologischer Effekt zu erzielen.

Saubere und effiziente Kleinbusse

Gemäß dieser Erkenntnis erweitert der niederländische Bushersteller VDL Bus & Coach seine Nullemissions-Elektrobus-Reihe mit dem vollelektrischen VDL MidCity Electric. Das Fahrzeug kommt der sprunghaft steigenden Nachfrage nach leisen, sauberen und effizienten Kleinbussen nach. Nicht nur für den Hersteller, sondern auch für seine Zulieferer und natürlich für die Betreiber und Fahrgäste markiert es einen großen Schritt nach vorn.

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Seine Stärke soll der Bus für 14+5+1 Fahrgäste in der Stadt, zunehmend aber auch im ländlichen Raum ausspielen. Als Basis für diesen vollelektrischen Bus dient der bekannte Mercedes Sprinter in der 5,5-t-Ausführung. Dem wird bei der Umrüstung der herkömmliche Diesel-Antriebsstrang entfernt und durch einen elektrischen ersetzt. Die Batteriekapazität beträgt wahlweise 87 kWh und erlaubt eine Reichweite von bis max. 220 km, womit alle typischen Einsatzprofile abgedeckt werden.

Bremsenergie-Rückgewinnung spart Energie

Dank Bremsenergie-Rückgewinnung (KERS – Kinetic Energy Recovery System) spart der VDL MidCity Electric viel Energie. Denn gerade das Omnibus typische häufige Anhalten und Beschleunigen, wirkt sich bei einem Elektrofahrzeug besonders günstig auf den Verbrauch aus.

Zwischen den Touren lassen sich die Batterien mit einem im Fahrzeug eingebauten 22-kW-Ladegerät und einem Ladestecker nach dem europäischen Standard Typ 2 wieder aufladen. Das entspricht der heute schon für PKW vorhandenen Ladeinfrastruktur.

Zusammen mit der österreichischen Firma Kreisel Electric GmbH hat VDL den vollelektrischen Antriebsstrang entwickelt. Dessen Kernstück ist die kompakte und sichere Batterietechnologie von Kreisel. Die Kreisel-Batterien sind flüssig gekühlt und dennoch besonders leicht – pro kWh Energieinhalt wiegen sie gerade einmal 4,6 kg.

Thermomanagement kombiniert Heizung und Klimatisierung

Der häufig in diesem Zusammenhang verwendete Begriff Kühlung greift dabei zu kurz. In Wahrheit handelt es sich um ein innovatives Thermomanagement, das auch Heizung und Klimatisierung vereint. So gelingt es, auch bei extremen Temperaturen in kürzester Zeit eine ideale Temperatur zwischen 25 °C und 29 °C im Innern der Batterie herzustellen. Die Zellen danken dies mit erhöhter Lebensdauer und die gefürchteten Einbußen an Reichweite und Leistungsfähigkeit bei Hitze oder Kälte sind damit kein Thema mehr.

Das entscheidende Novum der Kreisel Batterien ist die patentierte Bauweise mit direkter Umspülung aller Batteriezellen mit einem flüssigen Medium. Diese erlaubt eine unmittelbare und damit rasche Kühlung oder Heizung der einzelnen Zellen. Die besondere Bauweise und der Einsatz des flüssigen Mediums reduzieren sogar das Bauvolumen und erhöhen die Eigensicherheit des Batteriesystems.

Für Lithium-Ionen-Zellen entwickelt

Kreisel Electric setzt bei seinen E-Fahrzeugen auf das Batteriemanagementsystem mBMS von Sensor-Technik Wiedemann (STW). Das mBMS wurde speziell für den Einbau in Traktionsbatterien mit Lithium-Ionen-Zellen entwickelt. Dazu vereint es alle erforderlichen Funktionen in einem konfigurierbaren Baukasten aus Elektronik- und Software-Komponenten. Für den Batteriehersteller besteht somit keine Notwendigkeit mehr, Elektronik selbst entwickeln zu müssen, denn das mBMS enthält bereits alle elektronischen Funktionen in kompakter Bauform und lässt sich über Datensätze einfach konfigurieren.

Erst die Vollständigkeit des Funktionsumfangs macht das mBMS zum System. Dazu gehört insbesondere eine umfassende Sensorik für Zellspannungen, Zelltemperaturen, Ströme, Kühlmitteltemperaturen, Batteriespannungen und Isolationswerte. Aufgrund der gewonnenen Sensordaten entscheidet das mBMS, ob ein Einschalten der Batterie gefahrlos möglich ist oder ob ein Abschalten aus Sicherheitsgründen erforderlich wird. Liegt ein solcher Fall vor, entscheidet es autonom und löst aktiv eine Trennung der Batterie vom Verbraucher aus – die Trennung gilt als „sicherer Zustand“.

Normenkonforme Sicherheitsfunktionen

Lithium-Ionen-Batterien bergen ein intrinsisches Gefahrenpotenzial, das durch eine Kombination aus konstruktiven und elektronischen Maßnahmen beherrscht werden muss. Diese Sicherheitsfunktionen sind ein wesentlicher Bestandteil eines Batteriemanagementsystems. Ihre Implementierung ist den geltenden Vorschriften und Bestimmungen für funktional sichere Systeme unterworfen, wie sie in der Norm IEC 61508 und davon abgeleiteten anwendungsspezifischen Normen festgelegt sind.

Das mBMS verfügt über einen separaten Applikations-Controller, der von den funktional sicheren Komponenten vollständig entkoppelt ist und der komplexe Algorithmen zur Zustandsbestimmung ausführt. Dazu gehören die Vorhersage der aktuellen Leistungsfähigkeit (power prediction – PP), des Ladezustands (state of charge – SOC) und des Alterungszustands der Batterie (state of health – SOH). Die Algorithmen sind wiederum von Konfigurationstabellen gespeist, die der Batteriehersteller aus Charakterisierungsdaten der Zellen gewonnen hat. Eine weitere Grundlage sind aber auch aktuell bestimmte Temperaturen, Spannungen, Ströme und Innenwiderstände.

Hilfreiche Zusatzfunktionen

Eine ganze Reihe von Zusatzfunktionen wie beispielsweise das Ausgleichen des Ladezustands der einzelnen Batteriezellen (Balancing) oder das kontrollierte und adaptive Vorladen der Kondensatoren in der Leistungselektronik (Pre-Charge) vervollständigen das System.

Alle diese elektronischen Funktionen sind so realisiert, dass sie den gängigen Standards nach Hochvolt-Sicherheit und elektromagnetischer Verträglichkeit entsprechen. Die Komponenten decken einen weiten Strom- und Spannungsbereich ab und entsprechen den Standards der Automobilindustrie. So kann sich der Hersteller Kreisel Electric darauf verlassen, dass auch die von ihm gelieferten Batteriesysteme den erforderlichen Standards entsprechen. (jv)

* Ulrich Huber ist Projektmanager, Dietmar Schrägle ist Senior Sales Manager bei STW

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