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Lernkarten
Spezifische Energie (Wh/kg) bzw. Energiedichte (Wh/l)
auf das Gewicht bzw. das Volumen bezogene Energiespeicherfähigkeit des Batteriesystems • besonders wichtig, wenn lange kontinuierliche Entlade- und Ladevorgänge gefordert sind • im Fahrzeugbereich ausschlaggebend für die elektrische Reichweite
Spezifische Leistung in W/kg bzw. Leistungsdichte in W/l
auf das Gewicht bzw. Volumen bezogene Menge an elektrischer Energie,
die pro Zeiteinheit entnommen werden kann
• Entscheidend für die maximale Leistungsbereitschaft oder –aufnahme
• Je höher, desto größer ist die maximale Stromabgabe/-aufnahme
• im Fahrzeugbereich vor allem wichtig bei Start/Stopp-Systemen sowie den
typischen Beschleunigungs- und Rekuperationsvorgängen bei Hybrid-
Fahrzeugen
Beispiele für Energiespeicher
SChwungrad
Supercondensator
Druckspeicher
Elektrochemisch( Batterie
WAs für elektrochemische E-Speicher gibt es
Bleisäure
NiCd NiMh
Li-Ionen
ANforderung Energiespeicher
mild full hybrid+ efahrzeug
Mild-Hybrid-PKW keine elektrische Reichweite 0,5 bis 1 kWh / < 20 kW
Full-Hybrid-PKW kurze elektr. Reichweite 1 bis 3 kWh / 25 bis 50 kW
Elektrofahrzeug > 150 km > 20 kWh / > 40 kW
Hybridbus begrenzte elektrische Reichweite > 10 kWh / > 80 kW
Zellen Unterscheiden anhand ort der Speicherung
Interne SPeicher
Primärzelle (einmal entladen)
SEkundärzelle wiederaufladbar
Externe
Brennstoffzelle
REdox-FLow BAtterie
Woraus setzt sich der Innenwiderstand Ri einer Zelle zusammen
R1 Übergangswiderstand zwischen den Elektroden und dem Elektrolyt (Polarisationswiderstand)
R2…Widerstand, den die Elektroden (Platten mit Separatoren) dem Elektronenstrom entgegensetzen, sowie
R3 Widerstand, den der Elektrolyt dem Ionenstrom bietet
R4 Widerstand der Zellenverbinder bei einer Reihenschaltung mit mehreren Zellen
Nennspannung pro Zelle bei Blei NiCd und Li-Ion
wie ist energiegehalt definiert
Blei NiCd und Li-Ion
2,0 1,2 3,7
Nutzbarer Energieinhalt einer Batterie ergibt sich aus dem Produkt aus
Nennspannung Un und Nennkapazität Cn
E=U*C
Wovon hängt tatsächliche Kapa der Zelle ab
Entladestromstärke (Peukert-Gleichung)
• Dichte und Temperatur des Elektrolyten
• Zeitlichem Verlauf der Entladung
• Alterungsgrad der Batterie
• Grad der Säureschichtung der Batterie (nur Pb)
Was sind SOC, DOD SOH und SOF
State of Charge SOC Ladezustand der Zelle bezogen auf die Nennkapazität
Depth of Discharge DOD relative Entladetiefe: DOD= 1 - SOC
State of Health SOH Gesundheitszustand der Zelle = Cm/CN
SOF Fähigkeit z.b. Kaltstart
Normierung der Stromstärke
Stündigkeit des Stromes
Norm= Zum Vergleich von Zellen und Batterie unterschiedlicher Kapazität werden
Lade- und Entladestrom bezogen auf die Kapazität angegeben
stündigkeit= Mit einem zehnstündigen Strom ) kann eine vollgeladene Batterie in
t = 10ℎ unter Nenntemperatur entladen werden
BAtteriezustand als Tonne
siehe Skript
3 Spannung bei Belastung
- ohmsche Überspannung resultiert aus dem ohmschen Widerstand der
Ableiter, der Aktivmaterialien und des Elektrolyten
- Durchtrittsüberspannung resultiert aus Ladungsdurchtritt, Übergang von
elektrischer Leitung zur ionischen Leitung und umgekehrt. Dieser wird
insbesondere durch die Deckschicht zwischen Elektrode und Elektrolyt beeinflusst. - Diffusionsüberspannung ist bedingt durch den Ladungstransport und nimmt
mit zunehmender Temperatur ab.
Anforderung Speichersysteme
Temperaturverhalten Wärme Kälte
Leistung Zyklisierung Alterung
Zuverlässigkeit
Leistugnsfähigkeit Elektrolyt bei ab/zunehmder Temp
Leistungsfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur zu
Leistungsfähigkeit nimmt mit sinkender Temperatur ab
Interne Wärmequellen
Joulsche Wärme am Ohmschen widerstand und durch Polarisationsübersapannung
Wärme bei innerer Gasrekomnination
Lade verfahren Aufgaben und was sollte beachtet werden
Vollständige Aufladung der Batterie
• Angleichung unterschiedlicher Zellzustände
• Minimierung von Alterungseffekten
• Aufhebung reversibler Effekte („Memory Effect“)
Ladezeit für 3 Ladeverfahren
Normal 10-30H
SChnell 1-5h
Sschnellst <1h
was Zyklus Lebensdauer
Die Zyklenlebensdauer ist als die Zahl der Zyklen definiert,
bis zu der die Batterie in der Lage ist 80% ihrer Nennkapazität abzugeben.
Normalerweise bei 80% Entladetiefe.
ALterungsmechanismen Anode
- Abblättern Graphitlage
- Solvatisiertes Li+
- Änderung und WAchstum der SEI
- Zersetzen Anlagern der SEI
- Risse in Binder und der SEI
- Kontaktverlust
- Lithium Plating
Kapzitätsverlust Haupteinflussfaktor
Innenwiderstandserhöhung
Passivierung und SEI-Film Bildung besonders auf neg. Elektrode
• Verstärkt durch hohe Temperaturen in/an der Zelle und hohe Ströme (bei
nicht dafür ausgelegten Zellen)
• Temperatur >50° verstärktes Wachsen der Deckschicht durch Zersetzung
des Elektrolyten
Zersetzung Elektrolyt und Leitsalz
Austrocknen der Zelle
Hohe Zellspannungen beschleunigen Zersetzung
Komponente Alterungsmechanismen
Elektroden
• Änderung der Morphologie
• Reduzierung aktiver Elektrodenoberfläche
• Bindemittelabbau
Elektrolyt
• Leitsalzabbau
• Elektrolytverunreinigung
SEI-Schicht •
Kathoden Elektrolyt-Schichtwachstum (SEI)
Stromkollektor
• Anoden Metal-(Kupfer)-Korrosion & Kupferdendritbildung
Separator
• Separatorabrieb
• Verminderung der Porosität (Separator)
Alterung durch Zyklisierung
Auf Aktivmaterial bildet sich eine Leitfähige Schutzschicht die Auflösung des
Aktivmaterials behindert
Hohe Zyklenlebensdauer
Widerstandsanstieg durch Wachsen von Deckschichten wie z.B. SEI Film bewirkt
steigenden Innenwiderstand
Solid Electrolyte Interface SEI-Film führt zu irreversibler Selbstentladung
SEI-Film ist abhängig von Additiven im Elektrolyten
Energiemanagement
3 Phasen der Alterung LI-Ionen
Phase I: Formierphase, bis etwa 50 Zyklen
• Phase II: Stabile Entladephase, Zyklus 50-450
• Phase II: Alterung der Zelle, Zyklus 450-800
Unterschied Wickel zu Massezelle
sKript
WAs passiert bei Reihen und Paralellschaltung der Zellen
Reihenschaltung Erhöhung der Gesamtspannung
• Parallelschaltung Erhöhung der Kapazität