Wearables

Effiziente fahrerlose Transportsysteme durch Batterie Management

Gerade die Batterie als ein zentrales Bauteil eines FTS muss immer neuen, zum Teil stark anwendungsabhängigen Herausforderungen gewachsen sein. Flexible Lithium-Ionen-Batteriepacks können hier helfen.

Diehl & Eagle-Picher hat Lithium-Ionen-Batteriepacks mit integriertem Batterie-Management-System entwickelt, die auf einem modularen System basieren und sich hinsichtlich Größe, Design und Features flexibel an die jeweilige Anwendung anpassen lassen. Neben Sicherheitsfunktionen, etwa bei Kurzschluss oder Überspannung, sowie einer Kommunikation über CAN 2.0 B (optional CANopen oder Profinet) sind die Akkumulatoren beispielsweise mit einem Cellbalancingsystem sowie einer Vorladefunktion ausgestattet. Durch die sogenannte COM-Box ist das Auslesen der Batteriedaten am PC sowie eine Fernwartung möglich, über die WLAN-Box das Ein- und Ausschalten der Batterie via WLAN.

Für seine Batterien nutzt das Unternehmen Standardrundzellen, häufig 18650- oder 21700-Zellen, die meist in einem Aluminiumstrangpressprofil verbaut werden und im Vergleich zu den größeren prismatischen Varianten unter anderem bei der Wärmeregulierung Vorteile bieten. Da die Zellen sich nicht unmittelbar nebeneinander befinden, kann eine Luftzirkulation stattfinden, über die Wärme abgeführt wird. Prismatische Zellen sind dagegen nicht nur dicht an dicht verbaut, sondern auch größer. Damit ist ihre Oberfläche im Vergleich zum Volumen deutlich geringer als beim 18650- oder 21700-Typus. Die kleineren Zellen bieten zudem einen höheren Freiheitsgrad, was die Geometrie des Packs und die Integration ins Fahrzeug betrifft. So kann beispielsweise auch eine L-förmige Batterie, die Ecken geschickt ausnutzt, umgesetzt werden. Aufgrund des flexiblen Designs ist der Auftraggeber in anderen Bereichen wie der Anordnung der Auslässe oder der Platzierung von Steckern ebenfalls sehr frei. 

Zusätzliche Flexibilität erhalten die Batteriepacks durch das integrierte Batteriemanagementsystem (BMS), das neben den Standardfeatures auch mit verschiedenen Zusatzoptionen ausgestattet werden kann. Die inhouse entwickelte Elektronik, die auf die Batterie aufgesetzt ist, gewährleistet die üblichen Abschaltparameter. Dazu gehören Überspannung, -strom und -temperatur, Kurzschluss sowie Unterspannung und -temperatur. 

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Um die Temperatur in der Batterie messen zu können, sitzen bei den Modellen von Diehl & Eagle-Picher Temperatursensoren direkt an den Zellen. Die Kommunikation dieser Daten zur Leitsteuerung des Fahrzeugs erfolgt standardmäßig über CAN 2.0 B, optional über CANopen oder Profinet. „Zudem überwacht das BMS beispielsweise auch den Ladezustand der Batterie, wodurch der Rechner des Fahrzeugs auf Basis der weitergeleiteten Daten entscheiden kann, ob und wann ein FTF an die Ladestation geschickt wird“, erklärt der Vertriebsleiter. Neben Temperaturen und Restkapazität werden auch diverse Einzelspannungen sowie Packspannung, aktueller Strom und die Ladezyklen weitergegeben.

Die Vorladefunktion kommt beim erstmaligen Einschalten der Akkus zum Tragen. Wird eine Batterie ohne diese Funktion eingeschaltet, fließen kurzzeitig sehr hohe Ströme im Bereich von mehreren hundert Ampere, um die Kondensatoren des Fahrzeugs zu laden. Dies hätte eine Sicherheitsabschaltung zur Folge, da Ströme dieser Höhe nicht zugelassen sind. Um das zu verhindern, stellt ein Widerstand sicher, dass die Kondensatoren zuverlässig vorgeladen werden. 

Erst bei Spannungsgleichheit vor und nach dem Widerstand wird die Batterie vollständig zugeschaltet. Zudem verfügt die Elektronik der Akkumulatoren von Diehl & Eagle-Picher über ein Balancing-System: Durch den Aufbau der Batterie aus kleinen Einzelzellen sind minimale Fertigungsabweichungen möglich, die ein Auseinanderdriften der Leistung der Zellen verursachen können. Die Balancing-Funktion sorgt dafür, dass alle Zellen immer auf demselben Level sind und dadurch stets die maximale Kapazität zur Verfügung steht. 

Die Elektronik der Akkumulatoren wurde derart ausgelegt, dass je nach Ausstattung im Bereich Sicherheit nach ISO 13849-1 ein Performance Level zwischen C und D erreicht wird. „Bei unserer Elektronik besteht die Möglichkeit, auch externe Sensoren und Aktuatoren anzuschließen; dies bestimmt den genauen Performance Level“, führt Pechloff aus. Deshalb sind auf der Elektronik mehrere Prozessoren vorhanden, welche die Option eröffnen, den Strom an zwei unterschiedlichen Stellen zu messen und von verschiedenen Prozessoren mit jeweils separaten Eingangssignalen auswerten zu lassen. Die beiden Ausgangssignale ermöglichen es, zwei Abschaltbauteile (auch unterschiedlicher Art, zum Beispiel MOSFET und Relais) zu schalten – damit sind zwei komplett unabhängige Abschaltmechanismen realisierbar. Dieses redundante Design erhöht die Sicherheit des Batteriesystems maßgeblich.

Darüber hinaus steht optionales Zubehör zur Verfügung. Mit Hilfe der COM-Box können in einer Software alle relevanten Zustände und Messwerte wie Ströme, Spannungen und Temperaturen angezeigt und ausgelesen werden. Zudem erlaubt diese Einheit die Fernwartung der Batterie mittels Team Viewer. Die WLAN-Box hingegen dient dazu, die Batterie über WLAN ein- und auszuschalten. „Diese Einheit haben wir ursprünglich für einen Automobilhersteller entwickelt, um mehrwöchige Werksferien zu überbrücken“, so Pechloff. Um nicht jedes Fahrzeug einzeln einschalten zu müssen – was bei 30 Fahrzeugen in einem Kreissystem zeitlich sehr aufwändig wäre – nimmt die mit einer eigenen kleinen Batterie ausgestattete Komponente in regelmäßigen Abständen Kontakt zum Hauptrechner auf. Liegt ein Befehl vor, fährt sie die Batterie hoch und das Fahrzeug kann genutzt werden. Sind alle Fahrzeuge mit dieser Box ausgestattet, lassen sie sich mit einem einzigen Tastendruck an der Leitsteuerung in Einsatzbereitschaft versetzen.