Sicherheit und Leistung in Hochvoltbatterien

Maßgeschneiderte Hochvoltbatterie für einen Hybrid-Raupenkran im Baumarkt. (Foto: Flash Battery)

Der wachsende Anteil elektrifizierter Modelle im Nutzfahrzeugmarkt erstreckt sich mittlerweile auch auf größere Maschinen mit höherer Leistung. Die Deckung des gestiegenen Leistungsbedarfs dieser Modelle wurde durch eine Reihe technologischer Fortschritte bei Lithiumbatterien, insbesondere bei Hochvolt-Lithiumbatterien, unterstützt.

Das Was und das Warum

Bei industriellen und Off-Highway-Anwendungen werden Niedervoltbatterien üblicherweise als Einheiten mit einer Nennspannung von bis zu 102,4 V definiert. Dies trotz der gesetzlichen Vorgabe von 60 V für Niedervoltbatterien. Hochvoltbatterien beginnen bei 300 V und können über 800 V liefern.

Flash Battery erklärte, dass die Kosten einer Niederspannungsbatterie geringer seien als die einer Hochspannungslösung, da die Komponenten der Niederspannungsmodelle leicht zu beschaffen seien und keine verbesserten Komponenten benötigten, die für die Handhabung höherer Ströme erforderlich seien, wie etwa spezielle Steckverbinder oder Sicherheitsvorrichtungen.

Eine Niederspannungslösung lässt sich jedoch nicht für den Einsatz in einem Hochleistungssystem adaptieren. Dies liegt vor allem an der Ausgangsleistung des Elektromotors, die direkten Einfluss auf die Wahl der Spannung hat. In Industrie- und Off-Highway-Anwendungen benötigen Motoren über 20 oder 30 kW eine höhere Spannung, um kompakt zu sein und effizient zu arbeiten.

Flash Battery erklärte, dass einige OEMs Hochvoltlösungen gegenüber noch skeptisch seien, oft aus Sicherheitsbedenken. Es sei jedoch wichtig zu betonen, dass Hochvoltbatterien strenge Sicherheitsmaßnahmen und -protokolle erfordern, um sowohl die Sicherheit des Bedieners als auch die Systemzuverlässigkeit zu gewährleisten.

Das Wie

Zusammenhang zwischen Batteriespannung und Motorleistung (in diesen Tabellen werden allgemeine Parameter als Beispiele aufgeführt). (Abbildungen: Flash Battery)

Flash Battery entwickelte kürzlich eine 396,8 V 420 Ah Batterie (166,6 kWh) für einen Hybrid-Raupenkran. Aufgrund des hohen Leistungsbedarfs erforderte die Lösung vier Batteriepakete in Reihenschaltung, die jedoch auf zwei verschiedene Bereiche des Rahmens verteilt waren. Das System umfasste ein integriertes Steuerungssystem mit einem isolierten Hochvolt-Verriegelungssystem (HVIL), um die für Hochvoltanwendungen erforderlichen Sicherheitsstandards zu erfüllen. Das Projekt erforderte eine mechanische Studie zur Positionierung der Batterien im Fahrzeugrahmen.

Das Projekt basierte auf drei Hauptsäulen: Chemie, intelligente Montage und fortschrittliche proprietäre Steuerelektronik.

Akkupacks

Laut Flash Battery gilt die Zellchemie auf Basis von Lithiumferrophosphat (LFP) aufgrund ihrer Effizienz und Sicherheit als die beste Wahl für industrielle Anwendungen. Darüber hinaus hat LFP eine lange Lebensdauer – über 4.000 Ladezyklen – und ist gleichzeitig die stabilste derzeit verfügbare Chemie.

Ein weiterer wichtiger Sicherheitsaspekt ist die Montage der Batteriezellen. Besonders wichtig ist dabei die Zellkapazität und damit die Anzahl der parallel geschalteten Zellen in einem Batteriepack.

Die Verwendung kleinerer Batteriezellen erfordert zwangsläufig mehr Parallelschaltungen innerhalb des Packs, um die gewünschte Kapazität zu erreichen. Eine Erhöhung der Anzahl der Verbindungen erhöht jedoch das Kurzschlussrisiko. Die von Flash Battery hergestellten Packs verwenden nicht mehr als vier Zellen parallel: Tests haben gezeigt, dass dieses Design die sicherste Lösung bietet.

Komponenten-Rollcall

Weitere Komponenten spielen in einem Hochvolt-Batteriepack eine grundlegende Sicherheitsrolle. Dazu gehören Sicherungen, die den Strom bei Überladung oder Kurzschluss unterbrechen, sowie Schütze, die den Stromkreis unterbrechen und so Schäden an den Systemkomponenten begrenzen können.

Die Sicherheitskomponenten in einem Hochvolt-Batteriepack von Flash Battery, (Bild: Flash Battery)

Darüber hinaus überwacht das Hochvolt-Verriegelungssystem mithilfe eines kontinuierlichen Niedervolt-Schaltkreises den korrekten Anschluss aller Hochvolt-Komponenten im Fahrzeug. Bei einer Unterbrechung des HVIL-Signals wird der Hochvolt-Strom sofort unterbrochen.

Bei automatisierten Systemen ist die mechanische Sicherheitstrennung (MSD) eine manuelle Vorrichtung, die bei Wartungsarbeiten aktiviert wird, um den Stromkreis physisch zu trennen. Sie dient im Notfall als zusätzliche Sicherheitsebene.

Zusätzlich zu all diesen Elementen ist eine intelligente Steuerelektronik unerlässlich, um eine vollständige und kontinuierliche Kontrolle des Akkupacks zu gewährleisten. Dies trägt dazu bei, eine stabile Leistung während der gesamten Lade-/Entladezyklen des Akkupacks sicherzustellen.

Ein zentraler Bestandteil ist das BMS, das kontinuierlich Temperatur und Spannung jeder Batteriezelle überwacht und im Falle eines Sicherheitsproblems das erforderliche Protokoll einleitet. Die Bedeutung des BMS ist so groß, dass Flash Battery ein eigenes BMS, das Flash Balancing System, entwickelt hat.

Flash Battery betreibt außerdem sein Flash Data Center, ein Remote-System, das die Rechenleistung der Cloud, maschinelles Lernen und KI-Technologie nutzt, um Echtzeitdaten von weltweit im Einsatz befindlichen Flash Battery-Produkten zu sammeln und zu analysieren. Die Analyse dieser Daten unterstützt die vorausschauende Wartung für eine längere Lebensdauer.

Das Flash Data Center war einer der Finalisten in der Kategorie „Steuerungssystem/Überwachungslösung des Jahres“ beim Power Progress Summit 2024.

Anmerkung des Herausgebers: Diese Geschichte erschien erstmals in der Oktober-Dezember-Ausgabe 2024 von Power Progress International.