Energiesystem aus Batterie, Supercap und schneller Regelung

HESS besteht im Wesentlichen aus einer Batterie und einem Ultrakondensator sowie einer ultraschnellen Steuer- und Regelelektronik. Diese Kombination erlaubt eine optimale Arbeitsteilung: Die Batterie, hier eine Lithium-Ionen- (Li-Ion) Batterie, liefert mit ihrer hohen Energiedichte dauerhaft die Energie für die durchschnittliche Leistung der Anwendung. Der Supercap übernimmt die kurzzeitigen Spitzenströme. Denn mit seiner hohen Leistungsfähigkeit kann er für eine kurze Zeit auch hohe Ströme liefern, ohne dass er dadurch geschädigt wird. Danach ist er innerhalb weniger Sekunden wieder vollgeladen. Seine Lebensdauer ist mit zehn Jahren und mindestens 500.000 Ladezyklen um ein Vielfaches höher als die einer Batterie, zudem ist er mit einem Arbeitstemperaturbereich von -40 °C bis 70 °C deutlich weniger temperaturempfindlich als Batterien. Das macht auch das Gesamtsystem robuster und selbst bei Temperaturen unter 0 °C ohne Leistungseinbußen einsetzbar. Der Schlüssel für das Hochleistungs-Energiesystem liegt jedoch im optimierten Regelkreis.

Um die Funktionsweise von HESS zu verstehen, ist es hilfreich, das reale Lastprofil, z.B. eines E-Scooters, zu betrachten (Bild 1). Hier sind zahlreiche Stromspitzen erkennbar, vor allem beim Anlauf der Motoren. Auch unterhalb der Nulllinie gibt es durch Rekuperationsströme verursachte Spitzen. Sie alle haben einen sehr steilen Anstieg mit einer kurzen Spitze. Insgesamt liegt also ein überaus dynamisches Lastprofil mit Stromänderungen im Mikrosekundenbereich vor.

Im 48-V-Bordnetz, wie es vor allem in Kleinfahrzeugen immer mehr zum Standard wird, besteht ein starkes Ungleichgewicht zwischen der mittleren Leistung und der Spitzenleistung. Beispielsweise erfordert die elektrische Servolenkung durchschnittlich eine Leistung zwischen 0,25 kW bei entspanntem und 0,46 kW bei aggressivem Fahrstil. In der Spitze, etwa bei einem elektronischen Lenkeingriff, werden 1,5 kW erreicht. Das Verhältnis von durchschnittlicher und Spitzen-Leistung beträgt also rund 1:6 bzw. 1:3. Noch weiter geht die Schere beim elektrischen Turbolader auseinander: Hier stehen mittleren Leistungen von 0,53 kW (entspanntes Fahren) bzw. 0,71 kW (aggressives Fahren) Spitzen zwischen 7,5 und 10 kW gegenüber – was ein Verhältnis von ca. 1:16 bzw. 1:12 ergibt. Über alle Anwendungen im Fahrzeug hinweg werden im Mittel je nach Fahrstil nur zwischen 3,55 und 4,33 kW gebraucht, in den Spitzen dagegen zwischen 25,3 und 27,8 kW.

Für den Entwickler stellt sich damit die Frage, wie groß die Batterie dimensioniert werden sollte. Wählt er eine Batterie mit relativ geringer Kapazität, die sich eher an der mittleren Leistung orientiert, hat diese viele Ströme über ihrem Nominalstrom zu verkraften. Sie schädigen die Batterie nachhaltig und verkürzen dadurch ihre Lebensdauer deutlich. Eine Batterie mit höherer Kapazität läuft häufiger innerhalb ihres spezifizierten Bereichs und hat dadurch eine längere Lebensdauer. Doch im Gegenzug steigen Gewicht, Volumen und Kosten.

Dieses Dilemma lässt sich mit HESS lösen. Das System begrenzt den Entladestrom der Batterie auf ihren Nominalstrom, sodass sie ausschließlich in ihrem optimalen Betriebsbereich arbeitet. Der Supercap übernimmt die Spitzenströme. Hierfür misst ein Sensor innerhalb von Nanosekunden die Stromanstiegsgeschwindigkeit (di/dt). Die Messdaten gehen in den digitalen Regelkreis, der innerhalb weniger Mikrosekunden den MOSFET schaltet, bevor die Stromspitze tatsächlich entsteht. Diese ultraschnelle sogenannte OR-MOS-Schaltung ermöglicht, dass der Supercap die Stromspitzen übernimmt.

Drei Beispiele verdeutlichen die Funktionsweise von HESS (Bild 3):

• Bei einem Strom von 10 A fließt der gesamte Strom von der Batterie zur Last.
• Benötigt die Last für eine bestimmte Zeit lediglich 5 A, liefert die Batterie dennoch 10 A. Mit den restlichen 5 A wird der Supercap geladen, sodass er stets betriebsbereit ist, wenn höhere Ströme gefordert sind.
• Bei einer Stromspitze von 30 A liefert die Batterie ebenfalls 10 A, hinzu kommen 20 A des Supercaps.

Bild 4 verdeutlicht, auf welchen Zeitebenen diese Prozesse ablaufen. Im Sekundenbereich findet die Überwachung des Energiezustands statt. Beim „Power Sharing“ von zwei Energiespeichern, wie bei HESS mit Batterie und Supercap, wird innerhalb weniger Millisekunden zwischen diesen umgeschaltet. Die MOSFETs selbst werden im Mikrosekundenbereich umgeschaltet, die Schaltgeschwindigkeit wird nur durch die Gatterlaufzeit der Logic Arrays begrenzt.

Um dies zu ermöglichen, detektiert die patentierte Schaltung von Rutronik und der Hochschule die Stromanstiegsgeschwindigkeit innerhalb von Nanosekunden und kann damit Stromspitzen vorhersagen. Das kann auch für Rückwärts- und Rekuperationsströme genutzt werden, um den Supercap zu laden. Zudem verfügt das System über eine Verriegelungslogik, d.h. die MOSFET-Schalter sperren sich gegenseitig, um einen Querkurzschluss in Brückenschaltungen bzw. die parasitäre Diode im MOSFET zu sperren.

Hierfür kombiniert der digitale Regelkreis eine ultraschnelle Logik-Schaltung mit den schnellstmöglichen Regel-Algorithmen in der Leistungselektronik, die Rutronik zusammen mit Prof. Lutz Zacharias und seinem Team der Westsächsischen Hochschule Zwickau entwickelt hat, sowie ultraschnelle Sensoren. Das nennt Rutronik die Buck-OR-MOS-Boost-Topologie. Mit dieser schafft HESS eine Balance aus Energie- und Leistungsdichte, Kapazität, Kosten, Gewicht und Volumen. Derzeit arbeitet Rutronik an einem Referenzdesign, das den Anwender mit einer kompletten Bill of Material (BoM) zur Verfügung stehen wird.