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School of Engineering

Bachelorarbeit Energie- und Umwelttechnik: Batteriemanagementsystem: Resonanzwandlerschaltung zur effizienten Energieübertragung

Möglichst wenig Energie verheizen

Den Wirkungsgrad und die Lebensdauer von Lithium-Batteriemodulen weiter zusteigern, ist Gegenstand aktueller Forschungsprojekte. Im Rahmen seiner Bachelorarbeit im Studiengang Energie- und Umwelttechnik hat Jimmy Oliapuram einen Spannungswandler entwickelt, der genau diese Eigenschaften verbessert.

Um ein Lithium-Batteriemodul zweckmässig und sicher betreiben zu können, ist ein sogenanntes Battery Management System (BMS) notwendig. Ein solches BMS beinhaltet mehrere Funktionen. Vor allem aber dient es dem Schutz und der Effizienzsteigerung des Speichersystems. In seiner Bachelorarbeit im Studiengang Energie- und Umwelttechnik hat Jimmy Oliapuram eine Massnahme zur Steigerung des Wirkungsgrads und der Lebensdauer beim aktiven Balancing-Vorgang untersucht. Ein Balancer ist ein elektrischer Ausgleichsregler, der die gleichmässige Ladung aller Zellen innerhalb einer Batterie gewährleistet.

Resonanzwandler als neue Methode

«Konventionelle Batterieladegeräte absorbieren die Energie, welche beim Ausgleich der einzelnen Zellen entsteht, als Wärme», erklärt Jimmy Oliapuram. «Die Folgen sind längere Ladezeiten,eine kürzere Lebensdauer und ein schlechter Wirkungsgrad.» Durch aktives Balancing hingegen wird die Energie einer überladenen Zelle ins Gesamtsystem zurückgespeist. Dies bedingt einehohe Ausgangsspannung. Aus diesem Grund hat Jimmy Oliapuram eine neue Schaltstruktur zur DC/DC-Wandlung untersucht – den sogenannten Resonanzwandler. Anders als herkömmliche DC/DC-Wandler arbeitet der Resonanzwandler im Resonanzbetrieb. Der Vorteil dieser Methode liegt darin, die Transistor-Halbbrücke verlustarm umschalten zu können.

«Konventionelle Batterieladegeräte absorbieren die Energie, welche beim Ausgleich der einzelnen Zellen entsteht, als Wärme.»

Jimmy Oliapuram

Varianten simuliert

Jimmy Oliapuram hat die möglichen Schaltungen zunächst mit der Software PLECS simuliert. Dabei analysierte er zwei Basis-Schaltstrukturen: einen Resonanzwandler mit Serienschwingkreis und einen mit Parallelschwingkreis. Im Rahmen dieser Untersuchungen hat Jimmy Oliapuram bereits einen ersten einfachen Prototyp gebaut, der das grosse Verbesserungspotenzial aufzeigte.Dabei verlor der Absolvent aber sein Ziel nicht aus den Augen: «Mit meiner Arbeit verfolgte ich einerseits die technische Umsetzung der Optimierungsmassnahmen, andererseits auch die Implementierung von Steuerung, Regelung und einer seriellen Kommunikation zu einem Computer.»

Schaltung realisiert

Nach umfassenden Simulationsversuchen und Messungen entschied sich Jimmy Oliapuram für die vielversprechendste Schaltungsversion, um diese mithilfe einer Software zu entwickeln: «Die Herausforderung dabei war, die korrekten Bauteile auszuwählen und eine Schaltung zu entwickeln, die auch bei einer niedrigen Zellspannung von 3 Volt effizient und voll funktionstüchtig ist», so der Absolvent. Diese Hürde hat er gemeistert: Nach der erfolgreichen Inbetriebnahme zeigte die Schaltung einen Wirkungsgrad von annähernd 90 Prozent – und dies selbst bei sehr kleinen Eingangsspannungen.

Ziel erreicht

Auch die Kommunikation verläuft wie gewünscht: Softwaretechnisch können die Eingangsgrössen wie die Zellspannung und der Entladestrom über einen Computer abgefragt werden. Darüber hinaus hat Jimmy Oliapuram die Steuerung und Regelung des Eingangsstroms implementiert – weitere Funktionen wie eine aktive Gleichrichtung sowie die Messung, Steuerung und Regelung der Ausgangsgrössen könnten mit entsprechender Software ergänzt werden.

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