Cell-Booster – Simulation, Entwicklung und Aufbau eines hocheffizienten DC/DC-Wandler-Konzepts für kleine Batterieeinheiten

Große Bedeutung beim Ausbau der erneuerbaren Energien kommt elektrischen Speichern zu, die Unterschiede in Erzeugung und Verbrauch effektiv ausgleichen können. Speicherlösungen werden auch in netzfernen Energiesystemen und zum Antrieb von Elektrofahrzeugen benötigt. Batteriezellen besitzen eine geringe Zellspannung, weshalb die Spannung für die Zielanwendung angepasst werden muss. In Batteriepacks werden höhere Spannungen durch harte Reihenverschaltungen der Einzelzellen realisiert. Dabei begrenzt die schwächste Zelle alle anderen Zellen und der Defekt einer Zelle führt zum Ausfall des gesamten Batteriepacks. Durch ein modulares Konzept in Kombination mit intelligenter Leistungselektronik können diese Nachteile minimiert werden. Dies führt zu Systemen mit hoher Zuverlässigkeit bei geringen Wartungskosten.

Bei der Entwicklung eines Batteriespeichersystems lassen sich unterschiedliche Batteriespannungen durch harte Reihenverschaltung der Einzelzellen realisieren. Jedoch ist die direkte Kopplung der Batteriezellen in herkömmlichen Systemen oft die Hauptursache einer beschleunigten Batteriealterung, was eine sinkende Systemeffizienz sowie eine Erhöhung der Wartungskosten mit sich bringt. Von großem Nachteil ist auch, dass der Defekt einer Zelle zum Ausfall des gesamten Speichers führt. Auch die Herstellung der Batteriepacks ist aufwändig, ganz zu schweigen vom Austausch einer defekten Einzelzelle. Dies führt ferner zu Systemverlusten, da aufgrund der Alterung der übrigen Zellen, die ersetzte Zelle nicht voll genutzt werden kann.

Im Rahmen des Projekts »Cell-Booster« wird ein technischer Lösungsansatz untersucht, der die Energie- und Kosteneffizienz von heutigen Batteriespeichern optimiert und deren Betriebs- und Lebensdauer verlängern soll. Die hier angestrebte Innovation bezieht sich auf die Systemtechnik mit einem deutlichen Schwerpunkt auf einer neuartigen »Embedded Elektronik«, dem sogenannten »Cell-Booster«. Durch diese Elektronik erfolgt eine direkte Impedanzanpassung und DC/DC-Wandlung, was zu einer Entkopplung des 48 V Batteriepacks führt. Batteriepack und DC/DC-Wandler bilden zusammen ein Modul. Die Anzahl der Module ist variabel, wodurch Speichersysteme mit verschiedenen Kapazitäten realisiert werden können.

Für eine einfache Wartung ist der Austausch einzelner Module sogar im Betrieb möglich. Durch die gegenseitige Entkopplung der Module können beim Defekt von Zellen auch Module mit Batteriezellen der neuesten Generation (mit völlig unterschiedlichen Eigenschaften) eingesetzt werden. Dies sichert eine lange Lebensdauer der Anlage und ermöglicht auch den Aufbau von Hybridsystemen, in denen die Vorteile verschiedener Batterietechnologien in einem System kombiniert werden. Die Leistungselektronik wurde am Fraunhofer ISE entwickelt. Neben einer kompakten Bauform wurde dabei besonders auf einen hohen Wirkungsgrad auch im Teillastbereich geachtet. Um auf dem aufgebauten Labormuster (Abb. 1) einen hohen Wirgungsgrad zu erreichen, wurden verschiedene Modulationsarten der Transistoren implementiert sowie eine leistungsabhängige Anpassung der Schaltfrequenz entwickelt (Abb. 2).

Das Projekt »Cell Booster – Simulation, Entwicklung und Aufbau eines hocheffizienten DC/DC-Wandler-Konzeptes für kleine Batterieeinheiten« ist ein Teil des übergeordneten Projekts »DC/DC-Wandler zur effizienten und modularen Verschaltung von Batterieeinheiten am Hochvolt-Wechselrichter-Eingang«.