Breitbandige elektronische Nachbildung von Lithium-Ionen-Zellen für Anwendungen in der Elektromobilität

Zur Speicherung der Energie in Fahrzeugen mit elektrifiziertem Antriebsstrang werden überwiegend Lithium-Ionen-Zellen in verschiedenen chemischen Zusammensetzungen und Bauformen eingesetzt. Sämtliche elektrochemischen Zellen des Energiespeichers müssen durch ein Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht werden, um einen sicheren Betrieb während des Fahrbetriebs und des Ladens zu ermöglichen. Bei neuesten Ansätzen ist es auch möglich, die komplexe Impedanz jeder Zelle breitbandig zu bestimmen und so detaillierte Informationen über ihren inneren Zustand zu gewinnen. Zur Implementierung eines BMS in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und zur Entwicklung neuartiger Funktionen ist eine Erprobung unter realitätsnahen Bedingungen unverzichtbar. Versuche mit echten Batteriezellen sind dafür jedoch nicht praktikabel.Um Mess- und Analysefunktionen zu testen, die das Impedanzspektrum einer Zelle über eine hohe Bandbreite erfassen, wird ein neuartiger Zellemulator mit der Fähigkeit zur flexiblen breitbandigen Impedanzemulation benötigt. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Verifikation eines Zellemulators, der beliebige elektrochemische Batteriezellen in einem für die Anwendung relevanten Frequenzbereich nachbilden kann. Ein zentraler Aspekt ist die Erforschung von Methoden zur Emulation der komplexen Impedanz. Das Auflösungsvermögen und die Genauigkeit des Emulators müssen ausreichend hoch sein, um die Impedanz einer typischerweise in der Elektromobilität verwendeten Zellen realitätsnah abzubilden. Die Emulation dieser arbiträren komplexen Impedanz erfordert sowohl eine Modellierung zur Simulation der elektrochemischen Zelle, als auch eine geeignete elektronische Schaltung zur Ausgabe der Strom- und Spannungsgrößen.