Die Spannung einer einzelnen Lithium-Ionen-Zelle (3 bis 4 V) ist zu niedrig, um Anwendungen mit hohem Strombedarf zu versorgen. Daher müssen mehrere Zellen miteinander verbunden werden, um die Spannung zu erhöhen und ausreichend Strom für die Anwendung liefern zu können.
Zellen werden in Reihe (Spannungserhöhung) und parallel (Kapazitäts- und Stromerhöhung) geschaltet, um Batterien zu bilden. Außerdem muss ein Batteriesystem die folgenden Funktionen integrieren:
- Stellen Sie sicher, dass die Zellen immer in ihrem angegebenen Bereich verwendet werden.
- Die Sicherheit der Benutzer gewährleisten
- Den Benutzer über den Zustand der Batterie informieren (verbleibende Energie, verfügbare Leistung, Sicherheit)
- Widerstehen und schützen Sie die Zellen vor Umwelteinflüssen (Vibrationen, Stöße, Eintauchen, Witterung, Salznebel, elektromagnetische Strahlung, Feuer…).
Daher müssen die Elemente, aus denen ein Batteriesystem besteht, die folgenden Anforderungen erfüllen:
Elektronisches Batteriemanagementsystem
Die Spannung jeder Zelle, aus der sich die Batterie zusammensetzt, sowie deren Temperatur und Stromstärke müssen kontinuierlich überwacht werden, um innerhalb des vom Hersteller angegebenen Bereichs zu bleiben. Beispielsweise ist es generell verboten, eine Lithium-Ionen-Zelle zu laden, wenn ihre Temperatur unter 0 °C liegt. Eine Batterie muss sich auch selbst schützen, wenn ihre Temperatur oder Spannung zu stark ansteigt (z. B. über 60 °C oder 4,2 V pro Zelle). Das Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht diese Variablen kontinuierlich, um den Benutzer über den Zustand der Batterie zu informieren oder die Batterie durch Trennen der Verbindung zu schützen. Das BMS teilt dem Benutzer die verbleibende Energie und die Leistung mit, die die Batterie liefern oder aufnehmen kann. Einige BMS können auch die Alterung der Batterie abschätzen.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass der vom BMS zugelassene Funktionsbereich der Zellen (Spannung, Temperatur und Strom) einen erheblichen Einfluss auf die Lebensdauer der Batterie hat. Er muss daher entsprechend ausgewählt werden, um die Anwendungsanforderungen zu erfüllen und eine maximale Lebensdauer zu gewährleisten.
Elektrischer Schutz
Einzelne Zellen sind nicht gefährlich. Aber wenn man viele Zellen miteinander verbindet, kann das zu gefährlichen Spannungen führen. Das Batteriedesign muss angepasst werden, um die Sicherheit aller Benutzer zu gewährleisten und sie vor den Gefahren hoher Spannungen zu schützen. Wenn eine Batterie für eine Betriebsspannung von 800 V ausgelegt ist, müssen alle Stromleiter vom Gehäuse für die entsprechende Spannung isoliert werden, wobei die Sicherheitsmarge in der Regel auf das Doppelte der Nennspannung zuzüglich 1 000 V festgelegt ist (z. B. 2 600 V für eine 800-V-Batterie). Der Batteriekonstrukteur muss sicherstellen, dass alle Stromträger durch Isoliermaterialien mit ausreichender Dicke vom Chassis getrennt sind und alle möglichen Stromlecks um diese Isolierteile herum vermieden werden. Beispielsweise kann saubere Luft eine Durchschlagfestigkeit von 3 kV pro mm gewährleisten (weniger bei Staub). Ein Stromleckpfad entlang eines Isolierteils schützt jedoch nur 1,5 kV pro mm (immer in sauberer Luft).
Umgebungsbedingungen (Stöße, Vibrationen, EMV, Wasserschutz, Brandschutz…)
Wie jede Komponente ist auch die Batterie einer Vielzahl von Umwelteinflüssen ausgesetzt. Ihr Design und ihr Montageprozess müssen entsprechend angepasst werden, um sicherzustellen, dass sie während ihrer gesamten Lebensdauer diesen Einflüssen standhält. Lithium-Ionen-Zellen sind nicht dafür ausgelegt, allen Einflüssen aller Anwendungsbereiche standzuhalten. Das Batteriesystem muss die Zellen daher vor diesen Einflüssen schützen.
Thermische Konditionierung und Sicherheit
Die thermische Konditionierung der Batterie kann erforderlich sein, um die Zellen in einem sicheren Arbeitsbereich zu halten. Tatsächlich können Zellen je nach Zelltyp zwischen 75 °C und 110 °C in einen thermischen Durchlauf geraten. Ein thermischer Durchlauf entspricht einem raschen Anstieg der Zelltemperatur, gefolgt von einer Entlüftungsöffnung, um überschüssiges Gas abzulassen, oder im schlimmsten Fall zu einem Brand oder einer Explosion. Um solche Situationen zu vermeiden, müssen die Zellen unter 55 bis 60 °C gehalten werden. Lithium-Ionen-Zellen sind so konzipiert, dass sie während eines thermischen Durchgehens ihre Integrität bewahren und überschüssiges Gas durch eine Entlüftungsöffnung ablassen. Das Batteriesystem muss so ausgelegt sein, dass es diese große Gasmenge ablassen kann und eine Ausbreitung des thermischen Durchgehens auf benachbarte Zellen verhindert.
Furthermore, a repeated use at high temperature (>35°C) or low temperature (<5°C) cause faster aging of the cells. A study conducted by Renault and The University of Bordeaux (Journal of Power Sources 325 (2016) pages 273 to 285) shows that the aging speed is multiplied by 3,25 between 30 and 45°C. It becomes even more significant between 30 and 60°C, since the aging speed gets multiplied by 21,5.
Die Leistung der Batterie wird immer durch das schwächste ihrer Elemente begrenzt. Daher ist es sehr wichtig, dass die Zelltemperatur so homogen wie möglich ist, um eine gleichmäßige Alterung zu gewährleisten. Dies hat zur Einführung der Flüssigkeitskühlung in zahlreichen Elektrofahrzeugen geführt (siehe Abbildung unten).
