EMBS - Energiespeicher
Lernkarten zur Klausur EMBS der TU Dresden
Lernkarten zur Klausur EMBS der TU Dresden
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...
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?
- elektrisch
- chemisch
- pneumatisch
- hydraulisch
- thermisch
- mechanisch
Wie lassen sich die elektrischen Energiespeicher einteilen? Nennen Sie jeweils mindestens ein Beispiel.
- 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?
- 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
- 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?
• 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.
Vorteile
+Hohe Lebensdauer
+Leistungsdichte
+Tiefentladung
+Guter Wirkungsgrad
Nachteile
-Geringe Energiedichte
-Hohe Selbstentladung (Reibung…)
-Mobilitätsprobleme (Drehimpuls)
-Hohes Gewicht
-Hohe Sicherheitsanforderungen
Nennen Sie Eigenschaften von Superkondensatoren.
• großer Temperaturbereich
• hohe Lebensdauer
• geringes Gewicht
• Entnahme von hohen Strömen (10-100 mal höher als bei Batterien)
Nennen Sie Verwendungs- bzw. Einsatzgebiete von Superkondensatoren.
•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?
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.
•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)
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Cartes-fiches
Welche sechs Hauptgruppen von Energiespeichern gibt es?
- elektrisch
- chemisch
- pneumatisch
- hydraulisch
- thermisch
- mechanisch
Wie lassen sich die elektrischen Energiespeicher einteilen? Nennen Sie jeweils mindestens ein Beispiel.
- 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?
- 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
- 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?
• 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.
Vorteile
+Hohe Lebensdauer
+Leistungsdichte
+Tiefentladung
+Guter Wirkungsgrad
Nachteile
-Geringe Energiedichte
-Hohe Selbstentladung (Reibung…)
-Mobilitätsprobleme (Drehimpuls)
-Hohes Gewicht
-Hohe Sicherheitsanforderungen
Nennen Sie Eigenschaften von Superkondensatoren.
• großer Temperaturbereich
• hohe Lebensdauer
• geringes Gewicht
• Entnahme von hohen Strömen (10-100 mal höher als bei Batterien)
Nennen Sie Verwendungs- bzw. Einsatzgebiete von Superkondensatoren.
•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?
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.
•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)
Was wird in der Speichertechnik als Akkumulator bezeichnet?
Der Akkumulator ist die Bezeichnung für mehrere zusammengeschaltete wiederaufladbare Zellen (Sekundärelemente).
Unterscheiden SIe Batterie-, Akku-, und Brennstoffzelle hinsichtlich der elektrisch chemischen Umwandlung, der chemisch elektrischen Umwandlung und der chemischen Speicherung? Welche Phasen sind für welches Speichermedium relevant?
Wie lassen sich Zellen mit internem Speicher einteilen? Nennen Sie jeweils eine Eigenschaft.
Welche Vor- und Nachteile ergeben sich für Akkumulatoren mit internem Speicher? Welche Herausforderungen gibt es?
Vorteil
•einfache Handhabung
Nachteile
•Energiegehalt an Größe des Wandlers gekoppelt
•Vergrößerung des Speichers Vergrößerung des Wandlers
•Entsprechend hohe Kosten und höhere Selbstentladung
Herausforderung
Zwischenspeicherung über längere Zeiträume erfordert
•große Speicher und
•gleichzeitig kleine Wandler
bisher keine in Serie produzierten Akkumulatoren mit externem Speicher
Nennen und charakterisieren Sie die 3 Grundelemente einer elektro-chemischen Zelle und skizzieren Sie den Aufbau einer solchen Zelle.
Aus welchen Teilen setzt sich der Innenwiderstand einer Zelle zusammen?
Definieren Sie Ruhespannung und Entladestrom.
Definieren Sie die Klemmenspannung? Wovon hängt sie ab und was kann man aus ihr schließen?
Definieren Sie Nennspannung und Energiegehalt.
Mit welchem Modell lässt sich der Batteriezustand erklären und wie?
Nennen und beschreiben Sie die drei Arten der Kapazität. Untermalen Sie Ihre Aussagen mit einer geeigneten Darstellung.
Nennkapazität C(N)
- Ist die bei Entladung mit Nennstrom I (N) und bei Nenntemperatur T(N) mindestens entnehmbare Ladungsmenge bei einer neuen vollgeladenen Batterie
- C(N) = I(N) * t
Gemessene Kapazität
Die Kapazität, die zu einem beliebigen Zeitpunkt nach der Installation unter Nennbedingungen gemessen wird
Tatsächliche Kapazität C(m)
Die tatsächlich im System nutzbare Kapazität hängt u.a. ab von:
•Entladestromstärke (Peukert-Gleichung)
•Dichte und Temperatur des Elektrolyten
•Zeitlichem Verlauf der Entladung
•Alterungsgrad der Batterie
•Grad der Säureschichtung der Batterie (nur Pb)
Definieren Sie State of Charge, Depth of Discharge, State of Health und State of Function.
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...
