5 wichtige Aspekte bei der Konstruktion eines maritimen Batteriesystems

Mit zunehmender Elektrifizierung im maritimen Bereich werden Lithium-Batteriesysteme zu einer wichtigen Energiequelle für Elektroboote, Fähren, Arbeitsschiffe, Yachten und andere maritime Fahrzeuge.

Die Konstruktion eines zuverlässigen maritimen Batteriesystems erfordert jedoch weitaus mehr als lediglich die Auswahl einer Batterie mit ausreichender Kapazität.

Die Batterie muss als Teil eines vollständigen Antriebs- und Energiesystems funktionieren und gleichzeitig Anforderungen an Sicherheit, Thermomanagement, Ladeverfahren, Kommunikation sowie die maritime Betriebsumgebung erfüllen.

Hier sind 5 wichtige Aspekte bei der Konstruktion eines maritimen Batteriesystems.

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Der erste Schritt besteht darin, zu ermitteln, wie viel Energie und Leistung das Fahrzeug tatsächlich benötigt.

Die Batteriekapazität wird üblicherweise in die gemessen, während die erforderliche Leistung von dem Antriebsmotor und anderen elektrischen Verbrauchern an Bord abhängt.

Die erforderliche Batteriekapazität hängt von Faktoren ab wie:

• Größe und Gewicht des Fahrzeugs
• Motorleistung
• Fahrgeschwindigkeit
• Gewünschte Betriebsreichweite
• Betriebsbedingungen
• Zusätzliche elektrische Verbraucher
• Erforderliche Reservekapazität
• Lademöglichkeiten

Beispielsweise kann ein kleines Elektroboot ein vergleichsweise kompaktes Batteriesystem benötigen, während ein größeres kommerzielles Schiff oder Arbeitsschiff ein Hochleistungs-Batteriesystem mit hoher Spannung erfordern kann.

Daher sollte die Batteriegröße auf den gesamten Energiebedarf des Fahrzeugs basieren und nicht einfach durch Auswahl der größtmöglichen verfügbaren Batterie erfolgen.

Wichtigste Punkte:

Ein korrekt dimensioniertes Marine-Batteriesystem muss Energiekapazität, Leistungsabgabe, Reichweite, Gewicht und verfügbaren Einbauraum ausgewogen berücksichtigen.

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Die Spannung ist ein weiterer kritischer Faktor bei der Konstruktion von Marine-Batteriesystemen.

Bei elektrischen Antriebssystemen mit höherer Leistung kann eine Erhöhung der Systemspannung helfen, den Strom für dieselbe Leistungsabgabe zu reduzieren.

Zum Beispiel:

Leistung = Spannung × Strom

Auf gleichem Leistungsniveau erfordert ein System mit höherer Spannung einen geringeren Strom.

Dies kann folgende Aspekte reduzieren:

• Größe des Kabels
• Elektrische Verluste
• Wärmeerzeugung
• Strombedarf des Antriebsstrangs

Je nach Fahrzeuggröße und Antriebsanforderungen können Marine-Batteriesysteme unterschiedliche Spannungsplattformen nutzen – von Niederspannungssystemen bis hin zu Hochspannungsarchitekturen.

Ein ordnungsgemäß konzipiertes Hochspannungs-Marine-Batteriesystem kann Folgendes integrieren:

• Batteriemodule
• Hochspannungs-BMS
• Kontakten
• Vorladeschaltung
• HV-Verteilung
• Fusible Schutz
• CAN-Kommunikation
• Sicherheitsüberwachung

Die Spannungsarchitektur sollte daher gemeinsam mit dem Motor, dem Wechselrichter, dem Ladegerät und anderen Komponenten des elektrischen Antriebssystems ausgewählt werden.

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Die Batterieleistung kann stark von der Temperatur beeinflusst werden.

Marinefahrzeuge können in sehr unterschiedlichen Umgebungen betrieben werden – von kalten nordischen Klimazonen bis hin zu heißen und feuchten tropischen Regionen. Hochleistungsantriebe erzeugen zudem bei Dauerbetrieb und Schnellladung erhebliche Wärme.

Für Hochleistungs-Marine-Batteriesysteme flüssigkühlung kann eine gezieltere thermische Regelung ermöglichen als die ausschließliche Verwendung passiver Kühlung oder Luftkühlung.

Ein flüssigkeitsgekühltes Batteriesystem kann dazu beitragen, eine stabilere Betriebstemperatur über alle Batteriezellen und -module hinweg aufrechtzuerhalten.

Ein gut konzipiertes Thermomanagementsystem kann Folgendes umfassen:

• Kühlplatten
• Kühlmittelzirkulation
• Pumpen
• Wärmetauscher
• Temperatursensoren
• Software zur Temperaturregelung

Die Aufrechterhaltung einer geeigneten Batterietemperatur kann die Systemleistung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer verbessern.

Für Hochleistungs-Antriebsanwendungen im maritimen Bereich sollte das Thermomanagement bereits in der frühen Phase der Batteriearchitekturkonzeption berücksichtigt werden – nicht erst nachträglich hinzugefügt werden.

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Sicherheit gehört zu den wichtigsten Aspekten bei der Konstruktion eines maritimen Lithium-Batteriesystems.

Ein maritimes Batteriesystem muss die Betriebsbedingungen der Batterie kontinuierlich überwachen und das System vor ungewöhnlichen Situationen schützen.

Ein fachgerecht ausgelegtes BMS kann Parameter wie folgt überwachen:

• Zellenspannung
• Packspannung
• Aktuell
• Zellentemperatur
• Ladezustand (SOC)
• Zustand der Gesundheit (SOH)
• Isolationszustand
• Lade- und Entladebedingungen

Das System kann auch Schutz vor Bedingungen wie folgenden bieten:

• Überspannung
• Unterspannung
• Überstrom
• Übertemperatur
• Kurzschluss
• Anormale Zellenbedingungen

Bei Hochspannungssystemen können zusätzliche Schutz- und elektrische Sicherheitsfunktionen Kontaktschalter, Vorladeschaltungen, Sicherungen, Isolationsüberwachung und Notabschaltfunktionen umfassen.

Das Batteriesystem muss zudem gemäß den geltenden maritimen Vorschriften, Schiffsanforderungen und Zertifizierungsstandards für den Zielmarkt ausgelegt sein.

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Eine maritime Batterie ist nur ein Teil der elektrischen Architektur des Schiffes.

Das Batteriesystem muss mit folgenden Komponenten kommunizieren und ordnungsgemäß zusammenarbeiten:

• Elektromotoren
• Motorsteuerungen/Wechselrichter
• Onboard-Ladegeräte
• DC/DC-Wandler
• Energiewirtschaftssysteme
• Schiffskontrollsysteme
• Küstenladungssysteme

Die Ladeanforderungen sollten daher bereits bei der Konstruktion des Batteriesystems berücksichtigt werden.

Je nach Schiff und Anwendungsfall kann das System unterschiedliche Ladelösungen unterstützen, darunter Wechselstromladung (AC) oder Gleichstrom-Schnellladung (DC).

Beispielsweise kann ein Hochleistungs-Marine-Batteriesystem eine CCS2-Ladelösung integrieren, wenn Schnellladung erforderlich ist.

Über die CAN-Kommunikation kann das Batteriemanagementsystem zudem Informationen mit dem Fahrzeug- oder Schiffssteuerungssystem austauschen, darunter:

• SOC
• Spannung
• Aktuell
• Temperatur
• Fehlerinformationen
• Abrechnungsstatus
• Batteriegrenzwerte

Ein gut integriertes Batteriesystem kann dazu beitragen, dass Batterie, Antriebssystem und Ladesystem als eine vollständige Lösung zusammenarbeiten.

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Ein zuverlässiges Marinespeichersystem ist nicht einfach ein großer Lithium-Akku.

Es ist ein komplettes System, das speziell auf die Anforderungen des jeweiligen Schiffes abgestimmt ist.

Zu den zentralen Aspekten gehören:

Für OEMs und Hersteller von Schiffsausrüstung ist die maßgeschneiderte Batteriesystementwicklung häufig besser geeignet als die Verwendung eines Standard-Batteriepacks.

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CTS Battery bietet maßgeschneiderte Lithium-Batteriesysteme für elektrische und hybride Schiffsanwendungen.

Unsere Marine-Batterielösungen können an die Anforderungen des jeweiligen Schiffes angepasst werden, darunter:

• Batteriespannung und -kapazität
• Abmessungen des Batteriepacks
• BMS-Konfiguration
• CAN-Kommunikation
• Thermisches Management
• Flüssigkeitskühlsysteme
• Hochspannungsschutz
• Integration des Ladesystems
• Konstruktion des mechanischen Gehäuses

Für leistungsstärkere Antriebsanwendungen im maritimen Bereich kann CTS Battery eine integrierte Lösung bereitstellen, einschließlich:

Lithium-Batteriesystem + Flüssigkeitskühlsystem + Ladesystem

Dadurch kann das Batteriesystem von Anfang an auf die Antriebs- und Ladeanforderungen des Fahrzeugs abgestimmt werden.

Für Marine-OEMs, Bootshersteller und Systemintegratoren ist die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen maßgeschneiderten Hersteller für Marine-Batterien ein entscheidender Faktor, um sicherzustellen, dass das Batteriesystem optimal auf das Fahrzeug und das Antriebssystem abgestimmt ist.

Suchen Sie ein maßgeschneidertes Lithium-Batteriesystem für maritime Anwendungen für Ihr nächstes Projekt? Kontaktieren Sie CTS Battery, um Ihre Anforderungen zu besprechen.