EMBS - Energiespeicher

Lernkarten zur Klausur EMBS der TU Dresden

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M. S.

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Diese Lernkarten behandeln die Grundlagen und Eigenschaften von Energiespeichern auf Universitätsniveau. Sie konzentrieren sich auf verschiedene Zelltypen wie Lithium-Ionen, Blei-Säure und Nickel-Metallhydrid, deren Kapazität, Alterung und Leistungsdichte. Die Karteikarten erklären auch die Vor- und Nachteile dieser Technologien, einschließlich ihrer Kosten, Selbstentladung und Zyklenfestigkeit. Ideal für Studierende der Mechatronik, die sich mit Energiespeichertechnologien vertraut machen möchten.

Flashcards

Students

Language

German

Category

Mechatronics

Level

University

Created / Updated

04.01.2018 / 23.02.2020

Similar cards

Wie wird die Stromstärke normiert um unterschiedliche Zellen zu vergleichen.

Außerdem mithilfe der C-Rate:

C-Rate
angegebene Nennkapazität geteilt durch Stunde
Beispiele für Entladeströme:
Batterie mit Kapazität C=3.5Ah
- 1C-Rate: Entladestrom I=1C=3.5A
- 0.2C bzw. C/5-Rate: Entladestrom I=0.2C=0.7Ah
- 10C-Rate:Entladestrom I=10C=35Ah

Definieren Sie Ladefaktor, Coulombscher Wirkungsgrad und Energiewirkungsgrad.

Was bedeutet SEI?

Solid electrolyte interphase --> Litium Titanat Akku

Ordnen SIe den Komponenten einer Lithium Zelle die entsprechenden Alterungsmechanismen zu.

Bennen Sie Alterungseinfluss, Alterungsmechanismus und Alterungseffekt der kalendarischen Alterung.

Bennen Sie Alterungseinfluss, Alterungmechanismus und Alterungseffekt der Alterung durch Zyklisierung.

Beschreiben Sie die Alterung durch Zyklisierung. Bennen Sie die drei Phasen.

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

Die Dicke des Aktivmaterials ist proportional zu...

Leistungsdichte und Innenwiderstand

Innenwiderstand und Klemmenspannung

Innenwiderstand und Energiedichte

Leistungsdichte und Innenwiderstand

Innenwiderstand und Klemmenspannung

Innenwiderstand und Energiedichte

Vergleichen Sie Wickelzelle und Massezelle.

Welche Bauformen außer Wickel- und Massezellen kennen Sie?

Nennen Sie Vor- und Nachteile von Rund-, Stapel- und Prismazelle.

Welche Möglichkeiten gibt es, um Zellen zu Verschalten.

WIe ist das Batteriemanagement im Fahrzeugkonzept einzuordnen?

Warum sind BMS nötig?

•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

Welche vier Hauptaufgaben haben BMS? Nennen Sie jeweils drei Unteraufgaben.

Welche Anforderungen an ein BMS gibt es und welche Funktionen ergeben sich daraus?

Was bedeutet BETCI und welche Funktionen hat es?

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.

Welche Möglichkeiten zur Bestimmung des Ladezustands gibt es?

Wie lässt sich der SOC bestimmen?

Zeigen Sie den Algortithmus zur SOC-Bestimmung und nennen SIe die nötigen Parameter.

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

Welche sechs Hauptgruppen von Energiespeichern gibt es?

Keyboard commands:

= turn,

= for-/backward,

= scroll

elektrisch
chemisch
pneumatisch
hydraulisch
thermisch
mechanisch

Wie lassen sich die elektrischen Energiespeicher einteilen? Nennen Sie jeweils mindestens ein Beispiel.

Keyboard commands:

= turn,

= for-/backward,

= scroll

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

Was beschreiben die spezifische Energie bzw. die spezifische Energiedichte? Geben Sie die zugehörigen Einheiten an?

Keyboard commands:

= turn,

= for-/backward,

= scroll

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

Was beschreiben die spezifische Leistung bzw. die spezfische Leistungsdichte? Geben Sie die entsprechenden Einheiten an

Keyboard commands:

= turn,

= for-/backward,

= scroll

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

Welche Eigenschaften charakterisieren einen Schwungradspeicher?

Keyboard commands:

= turn,

= for-/backward,

= scroll

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

Nennen Sie Vor- und Nachteile von Schwungradspeichern.

Keyboard commands:

= turn,

= for-/backward,

= scroll

Vorteile

+Hohe Lebensdauer
+Leistungsdichte
+Tiefentladung
+Guter Wirkungsgrad

Nachteile

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

Nennen Sie Eigenschaften von Superkondensatoren.

Keyboard commands:

= turn,

= for-/backward,

= scroll

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

Nennen Sie Verwendungs- bzw. Einsatzgebiete von Superkondensatoren.

Keyboard commands:

= turn,

= for-/backward,

= scroll

•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

Nennen Sie Vor- und Nachteile von Superkondensatoren. Welche Potenziale bieten sich?

Keyboard commands:

= turn,

= for-/backward,

= scroll

Vorteile
+Sehr hohe Leistungsdichte
+Sehr hohe Zyklenfestigkeit

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

Potential
•Kondensatorbatterien
•Entwicklung neuer Dielektrika

Nennen Sie Eigenschaften des Blei-Säure Akkumulators.

Keyboard commands:

= turn,

= for-/backward,

= scroll

•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

Nennen Sie Vor- und Nachteile von Blei-Säure Akkumulatoren.

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

Nennen Sie Eigenschaften von Nickel-Metallhydrid Akkumulatoren.

•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

Nennen Sie Vor- und Nachteile von Nickel-Metallhydrid Akkumulatoren? Welches Potenzial bietet sich?

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

Nennen Sie Eigenschaften und Einsatzgebiete von Lithium-Ion Akkus.

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

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

Nennen Sie Vor- und Nachteile von Lithium-Ion Akkus? Welche Potenziale bieten sich?

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

Vergleichen Sie 4 Li-Ion Technologien.

Welche Vor- und Nachteile haben Bleibatterie -UltraBattery Systeme?

Vorteile
+Niedrige Kosten
+Sehr gutes Recycling
+Kurzzeitig hohe Stromabgabe
+Hohe spez. Leistung
+Hohe Zellspannung

Nachteile
-Geringe Zyklenfestigkeit
-Empfindlich gegen Tiefentladung
-Niedrige Energiedichte

Welche Vor- und Nachteile bietet die Lithium-Luft Technologie?

Vorteile
+Sehr hohe spez. Energiedichte von 500 Wh/kg (bis 2025), >1000 Wh/kg (nach 2025)

Nachteile
-Dendritische Abscheidung des Lithiums
-Halb-offene Zelle Anode ist indirekt über den sauerstoffpermeablen Separator der Umgebungsluft ausgesetzt Reaktion mit Wasser

Was wird in der Speichertechnik als Zelle bezeichnet?

Eine Zelle ist ein galvanisches Element bestehend aus einem Elektrodenpaar, Elektrolyt, Gehäuse und evtl. Separator

Was wird in der Speichertechnik als Batterie bezeichnet?

Unter einer Batterie versteht man den betriebsmäßigen Zusammenschluss galvanischer Elemente (Zellen). (Begriff ugs. teilweise auch für Zelle verwendet)