Batterie-Management-System Zuverlässiger Wächter für sensible Akku-Zellen in Elektro-Rennwagen

Ein Batterie-Management-System überwacht den korrekten Betriebsbereich von Akku-Zellen zum Beispiel auch in Elektro-Rennwägen der Formula Student Germany. Das Schanzer Racing Team der TH Ingolstadt baut auf das Batterie-Management-System von Sensor-Technik Wiedemann (STW).

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Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

Sensor-Technik Wiedemann GmbH (STW)

August 2013: flimmernde Luft über dem heißen Asphalt in Hockenheim. Zahlreiche angehende Ingenieure aus der ganzen Welt stehen dicht gedrängt an der Rennstrecke, um einen Blick auf ihre Rennwagen zu werfen, die direkt vor ihnen vorbeirasen. Einer der Elektroboliden ist gerade auf dem Weg aus der letzten Kurve auf die Zielgerade, an deren Ende die schwarz-weißkarierte Flagge auf ihn wartet. Der Fahrer gibt noch ein letztes Mal Gas. Doch was ist los? Das Pedal reagiert nicht mehr. Der Fahrer muss untätig zusehen wie der Elektro-Rennwagen auf der Strecke ausrollt. Ein bitteres Gefühl für den Piloten und die ganze Mannschaft, die hinter der Absperrung ungläubig zusehen muss, was sich vor ihren Augen abspielt. Da kommen schon die Streckenposten herangesprintet, um den „Liegenbleiber“ aus der Bahn zu räumen und die Strecke für die nachfolgenden Teams wieder frei zu machen.

Internationaler Designevent

Diese und ähnliche Geschichten schreibt der internationale Designevent der Formula Student Germany Jahr für Jahr. Eine Vielzahl, der von Studenten entwickelten Rennboliden erreicht das Ziel des wohl härtesten Teilrennens, dem „Endurance“, nicht.

Das Schanzer Racing Team aus Ingolstadt schaffte es letzte Saison bis ins Ziel. Jedoch werden die Karten jedes Jahr wieder neu gemischt, da es Pflicht für jede Saison ist, einen neuen Rennboliden zu entwerfen. Und so stellen sich die 80 Studenten der Technischen Hochschule Ingolstadt natürlich die Frage, wie es zu oben genanntem Ausfall gekommen sein könnte. Ein Hinweis auf die Lösung des Rätsels könnte der Zeitpunkt des Ausfalls sein - am Ende des Rennens, beim Herausbeschleunigen des Rennwagens aus der Kurve.

Hier ist mit dem höchsten Strom aus der Batterie zu rechnen. Denn um die maximale Leistung aus der Batterie zu holen, braucht man bei stark gesunkener Spannung, einen höheren Strom. Jeder kennt diese Regel vom eigenen Straßenfahrzeug – Startprobleme nach längerer Standzeit insbesondere im Winter. Der hohe Anlass-Strom lässt die Spannung der Batterie zusammenbrechen und die Leistung reicht nicht mehr aus, um das Auto in Bewegung zu setzen.

Hoher Spannungsabfall

Ähnlich erging es auch dem Team aus unserer Geschichte. Der hohe Strom, der für die Beschleunigung aus der Kurve heraus nötig war, verursachte einen hohen Spannungsabfall über dem Innenwiderstand der Batterie. So musste das Batterie-Management-System (BMS) eingreifen und das Fahrzeug abschalten, da die untere Zellspannungsgrenze erreicht war. Man kann sich natürlich die Frage stellen, warum denn überhaupt ein Batterie-Management-System verbaut werden soll, wenn dieses System nur Probleme macht. Der Grund sind die verwendeten Zellen, deren Leistungs- und Energiedichte um ein Vielfaches über die Kenndaten eines Blei-Akkus hinausgehen.

Der Begriff Lithium-Ionen-Akku ist spätestens seit der Grundsatzdiskussion um die Elektromobiliät in aller Munde, jedoch ist Lithium-Ionen-Akku nicht gleich Lithium-Ionen-Akku. In der Formula Student, wie auch in den Elektro-Serienfahrzeugen der namhaften Automobilhersteller, setzt man auf Lithium-Polymer-Akkus.

Gelartiger Elekrolyt

Diese bestehen wie jeder andere Lithium-Ionen-Akku aus einer negativen Elektrode aus Graphit und einer positiven Kathode aus Lithium-Metalloxid. Die Besonderheit besteht in dem Elektrolyt der Zelle, das nicht als Flüssigkeit eingebracht wird, sondern als fest bis gelartige Folie vorliegt. Das Schanzer Racing Team entschied sich bei der Wahl des Energiespeichers auf die Verwendung von Lithium-Eisenphosphat-Zellen, deren Kathode, wie schon der Name impliziert, aus Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) besteht.

Ein Vorteil, den diese Art von Zellen mit sich bringt, ist der höhere Sicherheitsfaktor, den die Zellen bieten. Bei anderen Zellchemien wie zum Beispiel Lithium-Cobaltdioxid (LiCoO2) kann es bei Überladung oder Eindringen von Fremdkörpern leicht zu einem Brand kommen. Da das instabile Kathodenmaterial mit der Umgebungsluft reagiert, kann es im schlimmsten Fall zu einer Explosion der Zelle kommen. Zudem ist es so gut wie unmöglich, einen Brand der Zellen zu stoppen, da sich die Zelle den Sauerstoff für die exotherme Reaktion selbst erzeugt. Dieses Risiko ist durch die Verwendung der Lithium-Eisenphosphat-Zellen vermindert.

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