EMBS - Energiespeicher

•Phase I: Formierphase, bis etwa 50 Zyklen
•Phase II: Stabile Entladephase, Zyklus 50-450
•Phase II: Alterung der Zelle, Zyklus 450-800

•Sicheres Zusammenschaltung mehrerer Zellen zu Akkupacks
•Fertigungsunterschiede zwischen den Zellen können Abweichungen innerhalb eines Akkupacks verursachen -> Überwachung notwendig
•Betrieb der Speicher/Zellen innerhalb ihrer Spezifikationen -> nur so ist eine ausreichende Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gewährleistet

BatteryElectricTestCarrierIAD

Weitere Aufgaben:

Messung der einzelnen Zellspannungen
Messung der Zellspannungspotentiale der in Reihe verschalteten Einzelzellen über integrierten Delta-Sigma-Umsetzer
Messung der einzelnen Zelltemperaturen
Messung der temperaturabhängigen Spannungsabfälle über hochohmige
Negative Temperature Coefficient Thermistors (NTC-) Widerstände
Bestimmung der einzelnen Zellladezustände (SOC)
Differenzierter Ladezustandsbestimmungsalgorithmus für Ruhe-(IBatt= 0) und Betriebszeiten (IBatt≠ 0) mit kennfeldbasierter Temperaturkompensation
•Ruhe:Nach einer zellspezifischen Abklingdauer (zellgeometrie-und zellspezifische Ausgleichsvorgänge) erfolgt die SOC-Bestimmung für die einzelnen Zellen durch Kennlinienabgleichmit der Ruhespannungskennlinie.
•Betrieb:Wird die Batterie geladen oder entladen erfolgt die Bestimmung des aktuellen Ladezustandes durch eine hochaufgelöste
Stromintegration. Die Messung des Batteriestroms geschiehtüber einen Präzisionswiderstand.

Nötige Parameter:
•Vier Kennfelder für Ruhespannungsschätzung
•Ruhespannungs-Referenzladungs-Kennlinien (Laden, Entladen)
•Temperaturkoeffizient der Ruhespannung
•Referenzladungsmengen „Voll“ und „Leer“ bei unterschiedlichen Temperaturen
Benötigte Messzeit (Beispiel):
•Temperaturen: 0°C, 10°C, 25°C, 40°C
•Ströme: 1/4 C, 1/2 C, 1 C, 2 CA
•Resultierende Messzeit: ca. 4-5 Wochen

• Elektrochemisch (Li-Ion, Blei-Säure,...)
• Induktiv (supraleitende Spulen)
• Elektrostatisch (Supercaps)

• spezifische Energie [Wh/kg]
• spezifische 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 [W/kg]
• spezifische Leistungsdichte [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       Rekuperationsvorgängenbei Hybrid-Fahrzeugen

• nur als Kurzzeitspeicher geeignet (durch hohe Selbstentladung)
• hohe Anzahl an Lade-und Entladezyklen (nahezu verschleissfrei)
• eher für stationären Aufbau geeignet (Platzbedarf)

Vorteile

+Hohe Lebensdauer
+Leistungsdichte
+Tiefentladung
+Guter Wirkungsgrad

Nachteile

-Geringe Energiedichte
-Hohe Selbstentladung (Reibung…)
-Mobilitätsprobleme (Drehimpuls)
-Hohes Gewicht
-Hohe Sicherheitsanforderungen

• großer Temperaturbereich
• hohe Lebensdauer
• geringes Gewicht
• Entnahme von hohen Strömen (10-100 mal höher als bei Batterien)

•Verwendung für:
- Spannungsstützung
- Unterstützung / Schonung von herkömmlichen Batterien vor großen Strömen

•Einsatzgebiete:
- Energiespeicher für Motoren für das Ändern des Anstellwinkels der Rotorblätter bei Windkrafträdern
- Energiespeicher zum Start von Brennstoffzelle, Dieselgenerator, Notstromaggregat
- Start sehr großer Motoren für Bahn, Schiffe oder LKW
- Rekuperation von Bremsenergie

Vorteile
+Sehr hohe Leistungsdichte
+Sehr hohe Zyklenfestigkeit

Nachteile
-Hohe Selbstentladung
-Geringe Energiedichte
-Hoher Überwachungsaufwand
-Hohe Kosten

Potential
•Kondensatorbatterien
•Entwicklung neuer Dielektrika

•Unter den heute technisch Relevanten das älteste wiederaufladbareSpeichersystem
•Aktivmaterial: Blei und Bleioxid auf parallelen Gitterplatten
•Schwefelsäure als Elektrolyt
•Zellspannung von 2V
•Blei: Hohes Gewicht
•Alterung durch Sulfatierung
•Kurzzeitig hohe Strom-entnahmemöglich
•Einsatz als Starterbatterie und für unterbrechungsfreie Strom-versorgungen(USV)
•Tiefentladung macht Akku unbrauchbar

Vorteile
+Niedrige Kosten
+Sehr gutes Recycling
+Kurzzeitig hohe Stromabgabe
+Hohe Zellspannung
+Hohe Sicherheit

Nachteile
-Geringe Zyklenfestigkeit
-Empfindlich gegen Tiefentladung
-Niedrige Energiedichte
-Geringe Lebensdauer bei starker Zyklisierung
-Begrenzte Lagerzeit
-Hohes Gewicht

•EU-weite Einschränkung von Cadmium erzwingt den neue Technologien NiMhWasserstoffspeicherlegierung aus Nickel und seltenen Erden
•Hohe spez. Energie (bis 110 Wh/kg)
•Interner chemischer Überlade-/entladeschutzGeeignet für Zusammenstellung von Akkupacks ohne aufwändige Elektronik
•Im Konsumerbereichdurch Li-Ion verdrängt
•Einsatz für Hybridanwendungen

Vorteile
+Tiefentladungsfähig
+Hohe Leistungsdichte

Nachteile
-Hohe Selbstentladung (bei hohen Temp.)
-Schlechte Zykleneffizienz
-Nur bedingt schnellladefähig
-Starker Leistungsabfall bei niedrigen Temperaturen

Potential
•Verringerung der Selbstentladung durch Einsatz besserer Separatoren

•am häufigsten verbreitete Akkutechnologie
•geringe Selbstentladung
•Hohe Zyklenanzahl: 10.000

•Einsatzgebiete:
- Akku für Handy, Digitalkamera, Notebook, Bohrschrauber
- Energiespeicher in der Elektromobilität
Energiespeicher für Photovoltaikanlagen

Vorteile
+Hohe Energiedichte
+Hohe Leistungsdichte
+Niedriger Innenwiderstand
+Gute Zyklenfestigkeit
+Geringe Selbstentladung

Nachteile
-Hoher Überwachungsaufwand
-Hohe Kosten
-Temperaturanfällig

Potential
•Anheben der Nennspannung bis 5 V (2020) Lebensdauernachweis!
•Entwicklung neuer Elektroden