Batteriesystem

Das Batteriesystem des Karts setzt sich aus zwei Teilen zusammen. Dies sind die für die Speicherung von Energie verantwortlichen Batterien, sowie ein Batteriemanagementsystem, dass die Einzelzellen der beiden Batterien überwacht.

In Abbildung 1 ist die Anbringung beider Systeme zu erkennen. Die Batterien befinden sich dabei links und rechts des Fahrers, um den Schwerpunkt des Karts möglichst weit zu zentrieren.

Das Batteriemanagementsystem befindet sich unmittelbar hinter dem Fahrer, mittig zwischen beiden Batterien.

Im Folgenden werden beide Systeme detaillierter erklärt.

Batterie

Eine elektrische Batterie ist ein System zum Speichern von Energie. Typischerweise werden in ihr mehrere galvanische Einzelzellen zu einem Verbund zusammengeschaltet. Dabei ist die galvanische Zelle die kleinste elektrochemische Einheit und stellt die Grundlage der Energiespeicherung dar. Die in ihr chemisch gespeicherte Energie wird beim Entladen der Batterie in elektrische Energie umgewandelt.

Die Zellen werden dabei in nicht wieder aufladbare Primärzellen und in wieder aufladbare Sekundärzellen unterteilt. Werden mehrere Sekundärzellen zusammengeschaltet, so wird dies auch als Akkumulator (kurz: Akku) bezeichnet.

Durch das Voranschreiten der Entwicklung der Akkutechnik und insbesondere der Lithium-Ionen-Technik, ist es inzwischen auch möglich, Aufgaben, die hohe Energie- und Leistungsdichten erfordern zu bewältigen. Betrachtet man die Elektromobilität, so wird gut deutlich, dass erst Fortschritte beim Speichern der Energie die schnelle Entwicklung der Elektromobilität möglich gemacht haben.

So wurde auch für das Kart eine auf Lithium basierte Energieversorgung entworfen, wobei Lithium-Eisen-Mangan-Phosphat-Zellen zum Einsatz kommen (LiFeMnPO4-Batteriesystem). Die Einzelzellen sind, wie bei Lithium-Ionen-Systemen üblich, komplett wartungsfrei aufgebaut. Ein etwaiges nachfüllen von Säure, wie zum Beispiel bei Blei-Säure-Akkus entfällt.

Weiter sind die Zellen so konstruiert, dass ein Eindringen eines (metallischen) Fremdkörpers, sowie ein Verformen oder Aufbrechen der Zellen keine Gefahr für den Fahrer bedeuten. Ein gefährlicher Metallbrand oder explosive Verpuffungen, wie bei schlecht konstruierten Zellen können nicht auftreten.

Beide Seiten des Batteriesystems setzten sich dabei aus 8 in Reihe verschalteten Einzelzellen zusammen. In Abbildung 2 sind vier zu einem Block verbundene Zellen zu sehen. Zwei dieser Blöcke sind wie in Abbildung 3 gezeigt, je Seite untergebracht.

Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich neben hoher Leistungs- und Energiedichte vor allem durch hohe Stromtragfähigkeit aus. Dies ist für ein dynamisches Fahrverhalten, bei dem hohe Momente und damit hohe Ströme aufgebracht werden müssen, von besonderer Bedeutung. Dabei sind jedoch nicht nur große Entlade, sondern auch große Ladeströme möglich. Der sich daraus ergebende Vorteil liegt klar auf der Hand: Schon nach kurzer Ladezeit ist der Akku durch eine Schnellladefunktion auf bis zu 80% seiner Nennkapazität aufladbar.

Zusammengefasst ergeben sich folgende Daten:

Batteriemanagementsystem (BMS)

Das Batteriemanagementsystem (kurz: BMS), gezeigt in Abbildung 4, dient zur Regelung und überwachung des Akkumulators im Gesamtsystem. Dabei werden zum einen die einzelnen Spannungen der Zellen überwacht und ausgeglichen, zum anderen werden die Temperatur des Akkumulators und der entnommene bzw. zugeführte Strom gemessen. Damit ist es möglich einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, als auch die Restkapazität im Akkumulator zu ermitteln.

Besitzen die Zellen unterschiedliche Ladungszustände, so würde die leerste Zelle die dem Gesamtsystem entnehmbare Energie beschränken. Dieses Ungleichgewicht tritt zum Beispiel durch unterschiedlich starke Selbstentladung oder Unterschiede in der Temperatur der Einzelzellen auf.

Um dies zu verhindern werden die Zellen vom BMS ausgeglichen, um so die entnehmbare Energie zu maximieren. Dieser Vorgang wird auch als Balancing bezeichnet.

Das Balancing erfolgt dabei passiv am Ende des Ladevorgangs, das bedeutet, dass die Zellen mit der höchsten Zellspannung solange über einen Lastwiderstand entladen werden, bis diese einen ähnlichen Ladungszustand wie die anderen Zellen aufweist. Dabei ist jede Zelle einzeln mit dem BMS verbunden. Um Leitungswege kurz zu halten und eine einfache Wartbarkeit zu ermöglichen, ist das BMS mittig zwischen beiden Batterieteilen platziert. (Vergleiche Abbildung 5)