Können Natrium-Ionen-Batteriepacks das regenerative Bremsen in Golfwagen bewältigen? Natrium-Ionen-Akkupacks kann die regenerative Bremsung bei Golfwagen nur dann bewältigen, wenn der fertige Akku den Rückstromstrom beim Abbremsen oder bei der Fahrt bergab sicher aufnehmen kann.
Wenn das BMS, die Steuerung, der Spannungsbereich, der Ladezustand (SOC), die Temperaturgrenzwerte und die Wiederherstellungslogik nicht aufeinander abgestimmt sind, kann es vorkommen, dass der Wagen die regenerative Bremsleistung verliert, Schutzmaßnahmen auslöst, Überspannungsfehler anzeigt oder unvorhersehbar bremst.
Die entscheidende Frage ist, ob der Akku einen echten Regenerationsstrom aufnehmen kann, ohne dass die Schutzvorrichtungen des BMS ausgelöst werden.
Kamada Power 12v 100Ah Natrium-Ionen-Akku
Regeneratives Bremsen ist ein Ladevorgang, nicht nur ein Bremsvorgang
Bei einem Golfwagen verlangsamt das regenerative Bremsen das Fahrzeug, indem ein Teil seiner Bewegungsenergie wieder in elektrische Energie umgewandelt wird. Aus Sicht des Akkus ist die regenerative Bremsung ein kurzer Ladevorgang, der plötzlich, wiederholt und manchmal mit hohem Strom auftreten kann.
Ein Natrium-Ionen-Akku kann sich beim Beschleunigen zwar gut entladen, hat aber dennoch Schwierigkeiten mit der Energierückgewinnung, wenn seine Ladestrombegrenzung, die obere Spannungsschwelle, die BMS-Schutzparameter oder die Rückmeldung des Reglers nicht auf Rückstrom ausgelegt sind. Der Akku versorgt nicht nur das Fahrzeug mit Strom, sondern muss auch Energie aufnehmen, wenn der Fahrer abbremst, bergab fährt oder den Gaspedal loslässt.
Eine Golfwagenbatterie, die „leistungsstark genug zum Fahren“ ist, ist nicht automatisch „bereit für die Rückspeisung“.
Ein hoher SOC-Wert ist die erste Grenze
Die schwierigsten Bedingungen für die Regeneration treten oft auf, wenn die Batterie fast voll ist.
Eine Batterie mit niedrigem oder mittlerem Ladezustand (SOC) verfügt über mehr Spielraum, um zurückfließende Energie aufzunehmen. Ein fast vollgeladenes Batteriepaket hat weniger Spielraum. Wenn der Regenerationsstrom die Batteriespannung an die Obergrenze drückt, kann das BMS die Ladefreigabe reduzieren oder den Ladevorgang unterbrechen, um die Zellen zu schützen.
Bei Natrium-Ionen-Akkupacks muss diese Grenze auf Pack-Ebene festgelegt werden. Das BMS muss wissen, wie viel Ladestrom bei hohem Ladezustand zulässig ist, wie nah sich das Pack an seiner oberen Spannungsgrenze befindet und welche Reaktion sicherer ist als eine plötzliche Unterbrechung der Stromversorgung.
Die sicherste Lösung ist eine kontrollierte Regenerationsannahme, nicht die Option „Alle Regenerationen zulassen“.
Das BMS muss den Rückstrom regeln, ohne einen Fahrfehler auszulösen
Das BMS schützt den Akku vor Überspannung, Überstrom, extremen Temperaturen und Ungleichgewichten zwischen den Zellen. Während der Regenerationsphase sind diese Schutzfunktionen auf der Ladeseite aktiv.
Wenn das BMS einen zu hohen Rückspeisestrom oder eine zu hohe Zellspannung feststellt, kann es den Ladevorgang unterbrechen. Dies dient zwar dem Schutz der Batterie, kann aber auch die Steuerung des Fahrzeugs verwirren, wenn diese davon ausgegangen ist, dass die Batterie die zurückfließende Energie aufnimmt. Die Folge kann sich wie ein abruptes Bremsen, ein plötzlicher Verlust der Rückspeisung, ein Steuerungsfehler oder ein unerwartetes Fahrverhalten äußern.
Ein regenerationsfähiger Natrium-Ionen-Akku sollte sich nicht auf einen Notfallschutz als normale Regelungsmethode verlassen. Er sollte über einen BMS-Ladepfad, Spannungsschwellenwerte, Strombegrenzungen und eine Interaktion mit dem Regler verfügen, die erwartete Regenerationsvorgänge bewältigen können.
Die Kompatibilität des Controllers entscheidet darüber, ob sich die Regeneration normal anfühlt
Die Motorsteuerung entscheidet, wie stark die regenerative Bremsung eingesetzt wird, wann sie erfolgt und wie intensiv die Energie zurückgespeist wird. Die Batterie entscheidet, wie viel dieser Energie sie aufnehmen kann.
Ein Regler, der ursprünglich für das Verhalten von Blei-Säure-Akkus ausgelegt war, passt möglicherweise nicht zum Spannungsbereich eines Natrium-Ionen-Akkupacks. Auch ein für die Umrüstung auf Lithium konfigurierter Regler muss unter Umständen noch überprüft werden, da die BMS-Grenzwerte, die obere Spannungsschwelle und das Ladeverhalten akkupackspezifisch sind.
Ein Steuergerät, das die Regenerationsbremse nicht abschalten kann, wenn die Batterie voll ist, kann dazu führen, dass der Akku in den Schutzmodus wechselt. Ein BMS, das die Verbindung einfach ohne Abstimmung mit dem Steuergerät trennt, kann einen Fahrfehler verursachen.
Für OEMs und Händler sollte die Kompatibilität von Steuerungen anhand ihres Verhaltens definiert werden und nicht nur anhand der Spannungsplattform. Selbst Akkus mit derselben Spannung können unterschiedlich reagieren, wenn das Fahrzeug bergab bremst.
Die Regenintensität sollte einstellbar sein und nicht blind festgelegt werden
Eine hohe Regenerationsleistung ist nicht immer besser.
Bei einem Natrium-Ionen-Akku für Golfwagen sollte der Regenerationsstrom entsprechend der Nennladestromstärke, dem Ladezustand (SOC), dem oberen Spannungsbereich und den zulässigen Temperaturgrenzen des Akkus einstellbar oder begrenzt sein. Bei einem hohen Ladezustand (SOC) kann eine Reduzierung der Regeneration erforderlich sein. Bei Betrieb bei niedrigen Temperaturen kann eine Reduzierung oder Deaktivierung der Regeneration erforderlich sein, bis sich der Akku innerhalb seines zulässigen Ladebereichs befindet.
In intelligenteren Systemen kann die BMS-Kommunikation es dem Regler ermöglichen, die Rückspeisung zu reduzieren, wenn die Ladeaufnahme begrenzt ist. In einfacheren Systemen ohne Kommunikation muss die Reglereinstellung konservativ genug sein, um wiederholte Eingriffe des BMS zu vermeiden.
Das Ziel ist ein vorhersehbares Bremsverhalten und eine kontrollierte Energierückgewinnung, nicht aber eine maximale Regeneration zu jeder Zeit.
Kaltes Wetter führt zu Änderungen bei der Regen-Genehmigung
Das regenerative Bremsen dient der Aufladung. Das bedeutet, dass die Regeln für das Laden bei kaltem Wetter eine Rolle spielen.
Ein Natrium-Ionen-Akku kann sich bei kalten Temperaturen entladen, was jedoch nicht automatisch bedeutet, dass er im kalten Zustand Ladestrom aufnehmen kann. Wird ein Golfwagen in einer kalten Gegend eingesetzt, im Freien abgestellt oder früh am Morgen gefahren, kann es vorkommen, dass der Regenerationsstrom einsetzt, bevor die Zellen den zulässigen Ladetemperaturbereich erreicht haben.
Der Wagen benötigt zwar weiterhin ein vorhersehbares Bremsverhalten, doch muss der Akku unter Umständen den Ladestrom begrenzen oder unterbrechen. Sind der Controller und das BMS nicht aufeinander abgestimmt, kann das System Warnmeldungen auslösen, die Regeneration verringern, die regenerative Bremsung verlieren oder unerwartet in den Schutzmodus wechseln.
In Märkten in kalten Regionen sollte die Regeneration als Teil der Lade-Strategie bei niedrigen Temperaturen betrachtet werden. Die Entladungsfähigkeit bei niedrigen Temperaturen ist kein Garant für eine sichere regenerative Aufladung bei niedrigen Temperaturen.
Der Spannungsbereich ist wichtiger als die auf dem Akku angegebene Nennspannung
Ein 36-V-, 48-V- oder 72-V-Akku für Golfwagen mag zwar der Nennspannung des Wagens entsprechen, das Regenerationsverhalten hängt jedoch vom oberen Spannungsbereich ab.
Beim regenerativen Bremsen kann die Spannung schnell ansteigen. Liegt die obere Spannungsgrenze des Natrium-Ionen-Akkus unter dem vom Steuergerät erwarteten Wert, kann das BMS möglicherweise früher eine Überspannung erkennen. Sind die Einstellungen für das regenerative Bremsen im Steuergerät zu aggressiv, kann der Spannungsanstieg Schutzmaßnahmen auslösen. Ist der Akku fast voll, kann bereits mäßiges regeneratives Bremsen das System an seine Grenzen bringen.
Die Nennspannung ist nur der erste Schritt. Die eigentliche Frage bei der Rekuperation lautet, ob das Spannungsverhalten des Reglers während der Rekuperation mit dem Ladespannungsbereich des Akkupacks und der oberen Schutzgrenze des BMS vereinbar ist.
Ein Regen-fähiges Modul benötigt einen Ladepfad, der für Impulse ausgelegt ist
Der regenerative Strom verläuft nicht immer gleichmäßig. Er kann bei Bergabfahrten, im Stop-and-Go-Verkehr oder bei wiederholten Verzögerungen in Impulsen auftreten. Der Ladepfad des BMS, die MOSFETs oder Schütze, die Sammelschienen, Klemmen, Steckverbinder und die Verkabelung müssen diese Impulse innerhalb der vorgesehenen Grenzen aushalten.
Dies unterscheidet sich vom Eingang eines Langsamladegeräts. Ein Ladegerät kann über Stunden hinweg einen geregelten Strom liefern. Die Regenerationsbremse kann kurze, dynamische Stromstöße liefern, während das Fahrzeug in Bewegung ist.
Bei Natrium-Ionen-Batteriepaketen für Golfwagen sollte die Regenerationsfähigkeit als definiertes Ladestromverhalten betrachtet werden und nicht als Nebeneffekt. Liegt der maximale Ladestrom des Batteriepakets unter dem Regenerationsstrom des Reglers, sind eine Anpassung des Reglers, eine Abstimmung mit dem BMS oder ein anderes Batteriekonzept erforderlich.
Die mechanische Bremsung muss weiterhin als Sicherheitsreserve dienen
Das regenerative Bremsen sollte nicht als einzige Bremsstufe betrachtet werden.
Selbst wenn die regenerative Bremsung gut funktioniert, müssen das mechanische Bremssystem des Fahrzeugs und die Sicherheitsstrategie des Steuergeräts weiterhin wirksam sein, falls die regenerative Bremsung reduziert, eingeschränkt oder nicht verfügbar ist. Ein hoher Ladezustand, niedrige Temperaturen, Schutzmaßnahmen des Batteriemanagementsystems (BMS), Fehler des Steuergeräts oder Begrenzungen des Akkupacks können die Energiemenge verringern, die die Batterie aufnehmen kann.
Ein sicheres System sollte auch dann noch ein vorhersehbares Bremsverhalten gewährleisten, wenn die regenerative Bremsleistung eingeschränkt ist. Die Unterstützung durch die regenerative Bremsleistung verbessert zwar die Effizienz und das Fahrgefühl, sollte jedoch nicht an die Stelle der Bremssicherheit des Fahrzeugs treten.
Die wichtigsten Integrationsgrenzen
Am einfachsten lässt sich die Eignung für die Regenerierung beurteilen, indem man ermittelt, welche Systemgrenze möglicherweise überschritten wird.
| Grenzwert für regeneratives Bremsen | Was sich in der Packung ändert | Misserfolg bei Nichtbeachtung |
|---|
| Betrieb bei hohem Ladezustand | Geringerer Spannungsspielraum für die Energierückführung | BMS-Überspannungsschutz oder Reglerfehler |
| Regenerationsladestrom | Der Ladepfad muss kurzzeitige Rückstromereignisse aushalten | BMS-Abschaltung, abruptes Bremsen oder Ausfall der Rekuperation |
| Einstellung der Reglerspannung | Regen muss dem oberen Spannungsbereich des Packs entsprechen | Spannungsspitzen, vorzeitiger Schutz oder verminderte Bremsleistung |
| Kaltbetrieb | Regen wird zu Niedertemperatur-Ladung | Ladeblockierung, Warnmeldungen oder unsichere Ladeversuche |
| Kommunikations- oder Steuerungslogik | Der Regler muss die Regenerationsbremse möglicherweise reduzieren, wenn die Grenzwerte erreicht sind | Batterie und Steuerung stehen im Konflikt miteinander |
| Mechanische Notbremse | Die Bremsleistung muss auch bei reduzierter Energierückgewinnung gewährleistet bleiben | Schlechtes Bremsgefühl oder unsichere Abhängigkeit von der regenerativen Bremsung |
Checkliste zur Regenvalidierung
| Regen-Validierungselement | Was ist zu überprüfen? |
|---|
| Bremsen bei hohem SOC | Keine Überspannung im BMS oder Reglerfehler |
| Bremsen bei Bergabfahrten | Der Spannungsanstieg bleibt innerhalb der für den Akku festgelegten Grenzen |
| Wiederholte Verzögerung | Der Ladepfad leitet den Impulsstrom |
| Kälte | Regen hält sich an die Vorschriften für das Laden bei niedrigen Temperaturen |
| Controller-Einstellung | Der Regenstrom kann begrenzt oder verringert werden |
| BMS-Kommunikation | Der Controller kann bei Verwendung auf Ladegrenzen reagieren |
| Wiederherstellung nach dem Schutz | Wagen und Packung sicher neu starten |
| Ausweichlösung für die mechanische Bremsung | Das Bremsen bleibt auch bei eingeschränkter Rekuperation sicher |
Herkömmliche Natrium-Ionen-Pakete funktionieren nur bei geringem Regenerationsbedarf
Ein handelsüblicher Natrium-Ionen-Akku für Golfwagen kann mit regenerativem Bremsen funktionieren, wenn der Regenerationsstrom gering ist, der Akku über genügend SOC-Spielraum verfügt, die Reglereinstellungen kompatibel sind, die Temperatur geregelt wird und das BMS hinsichtlich des zu erwartenden Rückstromverhaltens validiert wurde.
Eine kundenspezifische Konstruktion wird sicherer, wenn der Wagen eine starke Bremsenergie-Rückgewinnung bei Gefälle, aggressive Reglereinstellungen, häufigen Stop-and-Go-Betrieb, Betrieb bei hohem Ladezustand, Einsatz bei kalten Temperaturen, Flottenbetrieb oder einen Regler aufweist, der auf Rückmeldungen der Batterie angewiesen ist. Diese Bedingungen machen Natrium-Ionen-Batterien nicht ungeeignet. Sie verändern lediglich den erforderlichen Konstruktionsaufwand.
Der Unterschied besteht nicht darin, ob „Natrium-Ionen-Batterien die Regeneration bewältigen können oder nicht“. Der Unterschied liegt vielmehr darin, ob der fertige Akku für das regenerative Bremsverhalten des jeweiligen Fahrzeugs ausgelegt und validiert wurde.
Das Bremsmoment muss berücksichtigt werden, nicht nur die Antriebslast
Ein Natrium-Ionen-Akku für Golfwagen sollte nicht allein deshalb zugelassen werden, weil er gut beschleunigt oder Steigungen bewältigt. Bei Regenerationsprüfungen sollten jene Momente im Fokus stehen, in denen Energie in den Akku zurückgespeist wird: Bremsen bei Gefälle, wiederholtes Abbremsen, Bremsen bei hohem Ladezustand, gegebenenfalls Bremsen unter kalten Bedingungen sowie die Erholung nach einem Ladeschutzereignis des BMS.
Die Validierung sollte den eigentlichen Wagen, die Steuerungseinstellungen, den Akku, die BMS-Grenzwerte, die Kabelverlegung, den Ladezustandsbereich und die Betriebstemperatur umfassen.
Das macht die Rückspeiseunterstützung erst glaubwürdig. Das Akkupack muss sich korrekt verhalten, wenn Energie in beide Richtungen fließt.
Schlussfolgerung
Natrium-Ionen-Akkupacks kann das regenerative Bremsen in Golfwagen bewältigen, wenn das BMS, der Ladestrompfad, das Spannungsfenster, die Reglereinstellungen, der SOC-Spielraum, die Temperaturgrenzen, die mechanische Bremsreserve und das Rückgewinnungsverhalten gemeinsam ausgelegt werden.
Bevor Sie einen Akku für einen Golfwagen mit regenerativem Bremssystem freigeben, überprüfen Sie bitte das Bremsverhalten bei Gefällefahrten, die Regeneration bei hohem Ladezustand (SOC), das Ansprechverhalten des Controllers, den Ladeschutz des BMS, das Verhalten bei kalten Temperaturen, die Erholung nach der Regeneration sowie das sichere Bremsverhalten bei reduzierter Regeneration. Wenn Sie ein Natrium-Ionen-Batteriesystem für Golfwagen entwickeln, kontaktieren Sie uns unter Berücksichtigung der Bordnetzspannung, des Reglermodells, der Einstellwerte für die Energierückgewinnung, der Konfiguration des Akkupacks und der Betriebsbedingungen. Wir können Ihnen dabei helfen, zu beurteilen, ob das Akkupack und der Regler für die regenerative Bremsung geeignet sind.