Batteriemanagementsysteme und deren funktionelle und strukturelle Evaluierung

von Jan Engelmann

 


bis zum 8. Januar 2014

Die Zeit vor Weihnachten ist gewiss eine der stressigsten, wenn nicht die stressigste in der Schulkarriere der meisten TUM-Kollegiaten. Somit konnte die Arbeit neben Klausuren und dem schulischen Tagesgeschäft nur langsam voran gebracht werden. Ein großer Teil der schriftlichen Arbeit wurde deshalb in den Weihnachtsferien getan.

Hier will ich es mal wagen den nachfolgenden TUM-Kollegiaten einen Rat zu geben: Bei einer wissenschaftlichen Arbeit gibt es oft drei Phasen. In der ersten sucht man sich das Thema und wenn man sich für eines entschieden hat, glaubt man das Thema verstanden zu haben. Anschließend folgt eine Literaturrecherche und man merkt, dass man es eben nicht begriffen hat. Man hat zwar unglaublich viel über das Thema gelesen und gelernt, doch hat noch nicht alles Wissen verknüpft und strukturiert. Diese Phase hatte ich vor und während den Sommerferien. In dieser Zeit habe ich viel Energie auf Sachen verwendet, die letztendlich nicht in meiner Arbeit aufgetaucht sind. Solltet ihr merken, dass ihr die genaue Richtung, wo eure Arbeit hingeht, nicht kennt, macht euch gründlich Gedanken und redet mit euren Betreuern. Es kann immer eine Richtungsänderung geben. Sonst wäre es keine wissenschaftliche Arbeit, doch man sollte immer regelmäßig hinterfragen, ob man noch in die richtige Richtung geht. Denn kennt ihr euer Ziel schon in den Sommerferien und fangt schonmal an zu schreiben, freut ihr euch in den Winterferien riesig. Versprochen!

Ich habe die dritte Phase, in der ich das Ziel meiner Arbeit in seiner Gesamtheit begriffen hatte, erst im November erreicht.  Dadurch hatte ich erst nach allen Klausuren Zeit, mich wirklich intensiv mit der Verschriftlichung der Arbeit zu beschäftigen. Natürlich hatte ich schon einen großen Teil der Arbeit an den Mittwochen gemacht, doch die Ergebnisse wirklich auf Papier zu bringen ist eine ganz andere Herausforderung. Am Ende ist eine, wie ich finde, tolle Arbeit entstanden, doch ich hätte mir viel Stress sparen können.

Jetzt wo die Arbeit abgegeben ist, bin ich erleichtert, ein bisschen froh und sehr stolz! Ich habe interessante Ergebnisse produziert und ein Tool entwickelt, dass die Wahl der Topologie für ein Batteriemanagementsystem stark vereinfacht. Wer interessiert ist mehr zu erfahren über meine Arbeit, sollte sich einfach bei mir melden! Ich freue mich über interessante Fragen und Diskussionen.

Meine Kurzfassung könnt ihr hier lesen:

Die richtige Wahl eines Batteriemanagementsystems (BMS) ist ein wesentlicher Erfolgsfaktor für die effiziente Nutzung der Lithium-Ionen Technologie. Durch die Auswahl geeigneter Entscheidungskriterien kann die Wahl eines BMS erheblich erleichtert werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Systematik zur Auswahl eines kommerziellen BMS entwickelt. Außerdem wird ein Überblick über die am Markt erhältlichen BMS gegeben. Darüber hinaus wurden die unterschiedlichen Topologien für BMS hinsichtlich des Verkabelungs- und Kontaktierungsaufwandes, der elektromagnetischen Verträglichkeit, der Flexibilität sowie der Möglichkeit der Integration von Redundanzen verglichen. Hierzu wurde ein rechentheoretisches Modell entwickelt, das die Topologien bezüglich eines konfigurierbaren Batteriepacks vergleicht.

Es wurde der topologische Aufbau des Zellmanagementsystems (ZMS), des zentralisierten, des Master-Slave und des verteilten BMS an einem großen Batteriepack untersucht. Trotz vorteilhafter Ergebnisse bezüglich Redundanz und Flexibilität überwiegen die Nachteile des ZMS bei den Kriterien Verkabelungs- und Kontaktierungsaufwand. Zusätzlich führt die hohe Redundanz zu hohen Komponentenkosten.

Das verteilte BMS kombiniert Vorteile des ZMS mit höherer Wirtschaftlichkeit. In Folge eines optimierten Verkabelungs- und Komponentenaufwands, bei Beibehaltung einer flexiblen und redundanten Struktur. 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ich nicht nur auf fachlicher Ebene viel gelernt habe. Es ist ein tolles Gefühl sehr tief in eine Materie einzudringen. Erst dadurch versteht man etwas wirklich. Außerdem hatte ich zwei tolle Doktoranden, die mich ordentlich gefordert und gefördert haben. Deren Zielstrebigkeit, Klarheit und Ehrgeiz hat mich schwer beeindruckt.

Ich kann jedem Schüler, der sich selbst weiterentwickeln möchte und naturwissenschaftliches Interesse hat, das TUM Kolleg nur empfehlen. Allein die Möglichkeit eines Forschungsarbeit an der TU zu schreiben, ist unglaublich wertvoll.


bis November 2013

Natürlich reichen die Grundlagen bezüglich Lithium-Ionen-Batterien, Batteriepacks und Batteriemanagementsystemen (BMS) nicht aus systematisch ein eigenes BMS zu entwickeln.

Dafür waren weitere theoretische Betrachtungen nötig. Zum einen wurde eine aufwendige Marktrecherche bezüglich im Markt erhältlicher BMS durchgeführt und diese aufgrund ihrer Eigenschaften verglichen.

Aus dieser Recherche entstand die Frage nach der optimalen Topologie für das BMS. Die bestehenden Topologien sollten aufgrund mehrerer Charakteristiken untersucht werden. Der Flexibilität (Die Möglichkeit ein BMS an unterschiedlich aufgebaute Batteriepacks anzupassen), Diversität, EMV und Verkabelungsaufwand. Diese Faktoren wurden analysiert und die Abwägung dieser muss jetzt noch verschriftlicht werden.

Aufgrund dieser Untersuchungen ergab sich, dass ein Zellmanagementsystem, welches zu entwickeln zu Beginn Ziel der Arbeit war, zwar durch Flexibilität bestechen kann, jedoch ein sehr teures und aufwendiges Schaltungsdesign benötigt und diesen erhöhten Aufwand nicht durch Vorteile aufwiegen kann. Es stellte sich heraus, dass das verteile Batteriemanagementsystem gleichzeitig flexibel und deutlich kostengünstiger als ein Zellmanegementsystem ist.

Ziel ist es nun sämtliche geleistete Arbeit zu verschriftlichen und somit die Arbeit auf einen Stand zu bringen, der abgerundet ist. Bleibt dann noch Zeit soll aufgrund der theoretischen Arbeit angefangen werden ein BMS zu entwickeln.


April 2013

Eine Universität wie die TU München hat Vieles anzubieten. Das machte mir die Wahl eines Lehrstuhls für meine Forschungsarbeit natürlich nicht einfacher. Doch nach längeren Überlegungen entschied ich mich aufgrund meiner Technik-Affinität für die Fakultät für Elektrotechnik.

Während einer Internetrecherche stieß auf den Lehrstuhl für elektrische Energiespeichertechnik. Dieser beschäftigt sich mit der Erforschung besserer Herstellungsverfahren und effizienter Nutzung von elektrischen Energiespeichern wie Lithium-Ionen-Zellen. Ich nahm Kontakt mit dem Lehrstuhl auf. Dort wurde ich äußerst freundlich empfangen und nach wenigen Gesprächen habe ich mich mit meinen Betreuern auf das Thema geeignet.

Batterien, die beispielsweise in Elektroautos stecken, bestehen aus vielen Lithium-Ionen-Zellen. Im Herstellungsprozess entstehen Unterschiede z.B. in deren Kapazität. Außerdem nehmen die Zellen Schaden, wenn sie falsch betrieben werden. Deshalb müssen die Zellen von einem „Battery Management System“ gesteuert werden. Ziel meiner Arbeit ist es ein System zu entwickeln, das auf Zellebene arbeitet.

Die letzten 2 Monate habe ich mich ausführlich in Literatur eingelesen. Ich habe Vieles über Lithium-Ionen-Zellen, deren Nutzung und den aktuellen Stand der Technik gelernt.