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C. G.
Diese Lernkarten behandeln die Grundlagen und fortgeschrittenen Aspekte von Batteriesystemen auf Universitätsebene. Sie konzentrieren sich auf die Funktionsweise von Zellen, Elektrolyten und Batteriemanagementsystemen (BMS), sowie auf die Alterung von Batterien, ihre Leistungsfähigkeit und Reichweite. Die Karteikarten beleuchten auch die verschiedenen Arten von Batterien, ihre Anwendungen in Hybrid- und Elektrofahrzeugen und die Bedeutung von Temperatur und Widerstand für die Batterieleistung. Ideal für Studierende und Ingenieure, die ihr Verständnis von Batterietechnologie vertiefen möchten.
Flashcards
45
Students
1
Language
German
Category
Technology
Level
University
Created / Updated
15.02.2017 / 19.02.2017

Flashcards

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

SChwungradspeicher Vorteile Nachteil

Superkondensator Vor Nach

WAs für elektrochemische E-Speicher gibt es

Bleisäure

NiCd  NiMh

Li-Ionen

Blei säure akku vornachteil

Nickelmetallhydrid

LI-Ionen

Blei vs Ultrabattery

Lithium Luft

Ragone Diagramm

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

 

 

Ladefaktor LF

Verhalten im Ruhezustand und unter Belastung Spannungsabfälle (Überspannungen) in der Zelle aufgrund

Leitfähigkeit der verwendeten Materialen
• Ladungstransport durch Elektrolyt
• Aktivierung der elektrochemischen Reaktionen

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

LAdeverhalten für LI-Ion

Ladeverhalten Li-IOn bei verschiedenn Temp

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

Alterung Anode

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

Bauform Zelle mit VOr/NAchteilen

WAs passiert bei Reihen und Paralellschaltung der Zellen

Reihenschaltung Erhöhung der Gesamtspannung
• Parallelschaltung Erhöhung der Kapazität

Study