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Ladezustandsbestimmung bei Lithium-Ionen-Batterien? Wie gut sind derzeit am Markt verfügbare Halbleiterbausteine wirklich?
Simon Schwunk, Fraunhofer Institut ISE
Max Jung, Fraunhofer Institut ISE
Bisher sind Lithium-Ionen-Batterien als Energieversorgung hauptsächlich durch ihren Einsatz in portablen Kleinsystemen wie beispielsweise Laptops, Mobiltelefonen oder Mp3-Player bekannt. Die Entwicklung hin zu großen Lithium-Ionen-Batterien für den Automobilbereich in den letzten Jahren ermöglicht die Anwendung auch in anderen Systemen. Beispiel hierfür ist die PV, Verschiedene Eigenschaften dieser Batterien lassen deren Einsatz attraktiv erscheinen: die hohen kalendarischen und zyklischen Lebensdauern, die hohen Energie- und Leistungsdichten, die Stabilität in niedrigen Ladezuständen und die fehlende Notwendigkeit für regelmäßige Vollladungen. Um diese Vorteile ausspielen zu können, ist vor allem eine zuverlässige Zustandsdiagnostik notwendig, allen Zuständen voran der Ladezustand. Bei oben beschriebenen Kleinsystemen wird dies schon seit Jahren recht erfolgreich gemacht, jedoch stellt sich für andere Applikationen die Frage, ob solch eine Art der Ladezustandsbestimmung für diese hinreichend genau ist.
Hierzu wurden am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme verschiedene zum Teil sehr aktuelle Bausteine mit photovoltaischen und elektrofahrzeugähnlichen Belastungsprofilen getestet und mit einem selbst entwickelten prototypischen Algorithmus zur Ladezustandsbestimmung verglichen. Ziel war es, sowohl das Einschwingverhalten als auch die Stabilität der Algorithmen zu bewerten. Die Profile wurden mit kleinen Strömen gefahren und hatten wenige bis keine Vollladungen, Ruhephasen ganz ohne Stromfluss gab es größtenteils nicht, Um geeignete Testumgebungen für die Halbleiterbausteine zu schaffen, wurden diese teilweise mit zugekauften Evaluationboards inklusive Software und teilweise auf einer selbst entwickelten Elektronik in Betrieb genommen. Bei dem Vergleich mit den erzeugten Referenzdaten ergaben sich erhebliche Abweichungen bei den Bausteinen, falls ein falscher Startwert eingestellt war, Korrekturen wurden meist nur nach langen Pausen durchgeführt, welche in Applikationen wie PV-Systemen nicht garantiert werden können. Es ist deutlich feststellbar, dass die Bausteine nicht für derartige Anwendungszwecke gedacht sind, sondern für Anwendungen mit zyklischen Belastungen und langen Pausen. Dagegen erlaubt der prototypisch entwickelte Algorithmus ein schnelles Auffinden von Startwerten auch bei unterschiedlichsten Belastungsprofilen, die Fehler bleiben über den gesamten Zeitraum auf einem hinreichend genauen Niveau. Der entwickelte Algorithmus ist also geeignet für den Einsatz in leistungstechnischen Anwendungen, wobei noch Verbesserungen im Detail zum Beispiel bei tiefen Ladezuständen durchzuführen sind.
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