13. Elektroantriebe (EV II) Flashcards
Speichertechnologie:
Nenne die Anforderungen an elektrische Speicher! (5)
Energie (elektrische Reichweite, Verfügbarkeit, Komfortverbrauch, Ladezeiten, -infrastruktur)
Leistung (Fahrleistung, Perfermonace, Dynamik)
Sicherheit (Fehler, Unfall, Missbrauch, Wartung, Komfort, Zuverlässigkeit)
Lebensdauer (Zyklen, Standzeit)
Kosten (Wirtschaftlichkeit, Marktakzeptanz, Recycling)
Energiedichte und Leistungsdichte elektrischer Speicher (FOLIE 4 !!!!!)
Logarithmisches Diagramm:
Bei spezif. Energiedichte und spezif. Leistungsdichte ist jeweils zwischen den Linien immer der Faktor 10
Akkus (Blau)
Kondensatoren (grau)
Was die Energiedichte angeht sind wir mit den Akkus bei bis zu ca. 100 Wh/kg spezische Energiedichte.
Bei konventionellen Verbrennern (Benzin und Diesel) ist die spezifische Energiedichte deutlich höher bei ca. 9000 Wh/kg (orange).
Benzin und Diesel hat nicht nur eine sehr hohe spezifische Energiedichte, sondern auch eine sehr hohe spezifische Leistungsdichte. Die Energie kann also auch sehr schnell entnommen werden. Bei einer Batterie/Akku werden fast 100x mehr Masse benötigt und die Energie ist kann auch deutlich langsamer nur entnommen werden (geringere spezifische Leistungsdichte).
Die Ultracaps und Elektrolytkondensatoren können zwar weniger Energie speichern, haben aber die Möglichkeiten deutlich höhere Leistungen zu ermöglichen.
…
Energiespeicherung
—> Reichweite und Speichergröße
—> FOLIE 5 !!!
Ist das Resultat von Folie 4
Elektrischen Fahrzeuge weisen mehrere hundert kg (ca. 200-600 kg) Batteriemasse (Energiespeichermasse) auf und reale Reichweiten zwischen ca. 200-400km.
Bei Otto- und Dieselmotoren ist dagegen nie eine Krafstoffmasse (Energiespeichermasse) von über 100 kg vorzufinden und zudem sind deutlich höhere Reichweiten möglich.
Die Brennstoffzelle hat dadurch, dass Wasserstoff ein Gas ist sehr geringe Kraftstoffmassen. Hier wir dann allerdings die volumetrische Energiedichte zum Problem werden, weil große Druckflaschen mitgeführt werden müssen.
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Volumetrische und gravimetrische Energiedichten
Li-Ion Batterien waren ein Durchbruch (sowohl bei der Elektronik als auch bei Fahrzeugen).
Die Batterien können neben Lithium aus verschiedenen Materialien aufgebaut werden und so unterschiedliche Eigenschaften aufweisen
FOLIE 6 ansehen!!
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Die E-Maschine ist deutlich effizienter als ein Verbrennungsmotor und somit muss auch nicht so viel Energie mitgeführt werden. (Verluste sind geringer)
Dennoch gibt es einen riesen Unterschied was den Speicher angeht.
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Aufbau eines Batteriesystems
Unterste/kleinste Komponente/Einheit eines Batteriesystems?
Batteriezelle
Aufbau eines Batteriesystems
Mehrere Batterie-Zellen werden zu einem ?(1)? zusammengefallst.
Das ?(2)? beinhaltet bereits ein ?(3)?
(1) Modul (Batteriemodul)
(2) Modul (Batteriemodul)
(3) Zell-Kontrollsystem
Aufbau eines Batteriesystems
Mehrere Batteriemodule werden in einem ?(1)? zusammengefasst.
Es beinhaltet ein ?(2)?, welches Daten zu Temperatur, Spannung, Stromstärk,… auswertet und managet.
(1) Batteriesystem
2) Batterie-Management-System (BMS
Aufbau eines Batteriesystems
—> siehe Folie 7!
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Für was ist das Batterie-Management-System (BMS) zuständig? Nenne paar Beispiele!
Temperatur-Management
Batterie-Batriebsalgorithmus
Zustandsüberwachung
SOC-Management
Einzel-Zell-Management
Fehlermanagement
Ladezustand und Entladetiefe
Max. und min. Zustände werden meist nicht verwendet, weil Batteriezellen auf Dauer davon kaputt gehen bzw.die Lebensdauer sinkt.
Daher wird ein nutzbarer Bereich definiert. Die Strategie lässt dann nur zu in diesem Bereich zu fahren.
Es wird also ein neuer min. und max. Zustand festgelegt.
(Siehe auch Folie 9)
…
Die ?(1)? (engl. depth of discharge, DOD, voll = 0%, leer = 100%) ist ein komplementäres Maß für den ?(2)? einer Batterie (engl. state-of-charge, SoC, leer = 0%, voll = 100%)
(1) Entladetiefe
(2) Ladezustand
Wie berechnet man den Ladezustand einer Batterie (engl. state-of-charge, SoC)?
SoC = Q(U) / Qsub0
Q: bei der Spannung U verfügbare elektrische Ladung
Qsub0: Kapazität der geladenen Batterie
(Ladung = Stromstärke * Zeit, sodass 1C (Coulomb) = 1 A * 1s)
Wie berechnet man die Entladetiefe (engl. depth of discharge, DoD)?
DoD = 1 - SoC = 1- (Q(U) / Qsub0)
Q: bei der Spannung U verfügbare elektrische Ladung
Qsub0: Kapazität der geladenen Batterie
(Ladung = Stromstärke * Zeit, sodass 1C (Coulomb) = 1 A * 1s)
Schaltungsarten der einzelnen Batteriezellen
siehe Folie 10
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Schaltungsarten der einzelnen Batteriezellen
Welche Arten gibt es? (2)
Parallelschaltung (p) einzelner Batteriezellen
Reihenschaltung /Serienschaltung (s)
—> in der Realität meistens eine Mischung aus beiden Schaltungen
Resultierende Ladekapazität (Ah) ist die Summe der Einzelkapazitäten.
Welche Schaltungsart der einzelnen Batteriezellen liegt vor?
Parallelschaltung (p) einzelner Batteriezellen
Resultierende Spannung ist die Summe der Einzelspannungen.
Welche Schaltungsart der einzelnen Batteriezellen liegt vor?
Reihenschaltung / Serienschaltung
Die resultierende Ladekapazität (Ah) entspricht der einer einzelnen Zelle.
Welche Schaltungsart der einzelnen Batteriezellen liegt vor?
Reihenschaltung / Serienschlatung (s)
Die resultierende Spannung entspricht bei gleichen Zellen der Spannung einer einzelnen Zelle.
Welche Schaltungsart der einzelnen Batteriezellen liegt vor?
Parallelschaltung (p) einzelner Batteriezellen
Zellmodul mit 3s4p-Verschaltung der einzelnen Zellen.
Bezeichnung bedeutet was?
3 Zellen in Serie geschaltet
4 Zellen parallel geschaltet
siehe Folie 11!!
Batteriekapazität
Mit hohen Strömen ist auch eine hohe ?(1)? verbunden.
Daher sind für einen zuverlässigen Betrieb die Auswahl einer geeigneten ?(2)? und eine ausreichende ?(3)? erforderlich.
Ist letztere nicht gegeben, haben u.a. die entstehenden ?(4)? und damit einhergehende ?(5)?
einen negativen Einfluss auf die ?(6)? der Batterie
(1) Wärmeentwicklung
(2) Zellchemie
(3) Kühlleistung
(4) Temperaturen
(5) Zell-Reaktionen
—> FOLIE 12 ansehen!
(6) Zyklenfestigkeit bzw. Lebensdauer
Batterielebensdauer
Um die Akku-Lebensdauer zu erhöhen, kann was gemacht werden?
Man kann nutzbare Kapazität beschränken und die Batterie demnach mit Teilzyklen betrieben werden
Batterielebensdauer von Li-Ion Batterien
—> siehe Abb. Folie 13!
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Batterielebensdauer von Li-Ion Batterien
Die Batterielebensdauer von Li-Ion Batterien in E-Autos ist ungefähr bei welcher Anzahl an Ladezyklen angesiedelt?
Ca. 3000 Ladezyklen
Enladekurven von Li-Ion Batterien
Entladekurven einer Lithiumionen-Batterie (KOKAM 17Ah=3,7V) bei verscheienen C-Raten bei Raumtemperatur
Am Anfang ist die Zelle voll (0Ah entnommene Kapazitöt) und es liegt eine hohe Spannung vor. Dann wird die Batterie entladen und die Spannung sinkt.
Ab einem bestimmten Punkt bricht die Spannung komplett ein. Das ist der Zeitpunkt, wenn die Zelle leer ist.
Es sind in der Abbildung verschiedene Entladeraten (C-Faktoren) abgebildet. Bei geringen Entladeraten (C-Faktoren) liegen höhere Spannungen vor.
Bei hohen Entladeraten bricht die Spannung deutlich stärker ein und die Batterie kann weniger Spannung bereitstellen. Höhere Ströme fließen.
—> Abb. Folie 14 ansehen!!!
!!
Der C-Faktor (Entladerate) ist ein Maß für was?
Maß für die maximal zulässigen Lade- und Entladeströme, die bezogen auf die Nennkapazität des Akkumulators fließen dürfen.
Wie berechnet man den C-Faktor (Entladerate)?
C = Isubm / Qsub0
I: Strom beim Laden bzw. Enladen (A)
Qsub0: nutzbare elektrische Ladung, Nennkapazität (Ah)
Der Kehrwert des C-Faktors (1/C) gibt was an?
Die Zeit, die eine Batterie mit der vom Hersteller bestimmten Kapazität Qsub0 mit dem maximal zulässigen Strom entladen werden kann.
Wie berechnet man die Zeit, die eine Batterie mit der vom Hersteller bestimmten Kapazität Qsub0 mit dem maximal zulässigen Strom entladen werden kann?
Mit dem Kehrwert des C-Faktors (Entladerate)
= 1/C = Qsub0 / Isubm
__
I: Strom beim Laden bzw. Enladen (A)
Qsub0: nutzbare elektrische Ladung, Nennkapazität (Ah)
Beispiele aus Kurzweil, O. K. Dietlmeier, Elektrochemische Speicher, Springer Fachmedien Wiesbaden, 2018:
- Eine 50-Ah-Batterie liefert 50A über 1h (1C)
—> wie viel liefert sie über 1/10h (10C)? - Eine 3-Ah-Batterie wird mit 5C entladen. Nach 4 = 1/5h = 12min ist die Batterie leer.
—> Welcher Entladestrom fließt? - Eine 3-Ah-Batterie wird mit C/10 = 0,1 C entladen. Wie viel liefert die Battrie über t = 10h?
- Qsub00 ist ja = 50Ah
—> folglich: I für (1/10h) = C * Qsub0 = 10*50A = 500 A
—> kann also 500A über 1/10h liefern - I = C * Qsub0 = 5 * 3A = 15 A (für 12min.)
- I = C*Qsub0 = 0,1 * 3A = 0,3 A
Entladekurven von Li-Ion Batterien
Hier wir die Betriebstemperatur variiert. Der Wohlfühlbereich einer Batterie liegt so bei 20-30 °C.
Bei niedrigen Temperaturen also unterhalb von 0°C sieht man, dass die Spannung deutlich geringer sind. Nehmen also ab mit niedrigen Temperaturen. Gleichzeitig sinkt auch die Nutzbare Ladung bzw. Kapazität.
Das kann also bei kalten Temperaturen, z.B. im Winter, dazu führen, dass man keine Leistung abrufen kann, wenn man in das Auto steigt und losfahren will.
Grund dafür ist, dass die Spannung und die nutzbare Ladung zu niedrig ist.
—> siehe Folie 15!!
…
Alterung einer Batterie
Lithiumionen-Batterien degradieren bei ?(1)?Temperaturen und verlieren beim ?(2)? an Kapazität.
Der Kapazitätsverlust beginnt zum Zeitpunkt der ?(3)? und tritt auch in ?(4)? beim Lagern auf.
(1) erhöhten
(2) Überladen
(3) Herstellung
(4) ungenutzten Batterien
In mangelhaft gekühlten Anwendungen, z. B. tragbaren Computern, schreitet die Alterung schneller fort als an Luft.
Wahr/Falsch?
Wahr
Die kalendarische Lebensdauer (engl. calendar life) und Lagerbeständigkeit (engl. shelf life) von Lithiumionen-Batterien hängt von ?(1)? ab, die ?(2)? davon auftreten, ob und wie die Zelle geladen wurde.
Eine gealterte Batterie liefert ?(3)? Energie als eine neue.
Bei der Alterung wächst der ?(4)?, d. h. die ?(5)? fällt bei Belastung stärker ab und weniger hohe ?(6)? können gezogen werden.
(1) Alterungsprozessen
(2) unabhängig
(3) weniger
(4) Innenwiderstand
(5) Klemmenspannung
(6) Ströme
Die Zyklenlebensdauer (engl. cycle life) von Lithiumionen-Batterien, d. h. die Zahl der Lade-Entlade-Vorgänge bis zum Ausfall, übertrifft ?(1)? Batterien.
Beim Laden und Entladen treten zusätzliche ?(2)? auf. Die Impedanz der Batterie ?(3)? und die nutzbare Kapazität ?(4)? mit jedem Zyklus.
Die Alterungskurve der nutzbaren Kapazität über die Zyklenzahl zeigt einen mehr oder minder deutlichen Punkt, ab dem die ?(5)? beschleunigt voranschreitet, wobei sich mehrere Alterungsmechanismen mit unterschiedlicher ?(6)? überlagern.
Es gibt auch Degradationskurven ohne diesen Übergang zwischen langsamem und schnellem Kapazitätsverlust.
FOLIE 16!
(1) konventionelle
(2) Alterungsphänomene
(3) wächst
(4) schwindet
(5) Degradation
(6) Geschwindigkeit
Lithium-Ionen-Batterie
Reichweite als Funktion der Außentemperatur
Man erkennt, dass bei der Wohlfühltemperatur (hier 22°C) die max. Reichweite erreicht wird. Sind außen wärmere oder kältere Temperaturen sinkt die Reichweite ab.
Woran liegt das?
Die Antriebsleistung verändert sich zwar nicht, aber die Klimaleistung steigt stark an, weil die Batterie in einem guten Temperaturbereich gehalten werden muss (gekühlt und geheizt).
—> dadurch steigt der Energieverbrauch
—> die Reichweite sinkt dadurch
SIEHE FOLIE 17!!
Betriebstemperatur einer Li-Ion-Batterie
—> Folie 18
Man erkennt, dass hier zwischen 20-40°C die ideale Temperatur der Batterie liegt. Über 40°C muss gekühlt werden und unter ca. 10°C muss geheizt werden.
Der Innenwiderstand RsubZi verändert sich.
Innenwiderstand bedeutet, dass wenn man mit einer gewissen Spannung arbeitet und der Innenwiderstand höher ist, dann erhält man weniger Strom. Weniger Strom bedeutet dann auch weniger Leistung und man kann folglich nicht die ganze Leistung des Antriebs abrufen.
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Prinzipielle Methoden der Batteriezellenkühlung
Nenne Methoden! (5)
Luftkühlung
Bodenkühlung
Seitenkühlung (passiv)
Seitenkühlung (aktiv)
Ableiterkühlung
Batteriekühlungskonzepte
a) mit Luft
b) mit Kältemittel direkt
c) mit Kältemittel (Sekundärkreislauf)
—> siehe Folie 20!
…
Batterie: Zelldesign
Nenne 3 Varianten des Zelldesigns!
Rund-Zelle / Zylindrische Zelle
Flach-Zelle (Pouch-Zelle)
Prismatische-Zelle
—> siehe Folie 21
Batterie: Zelldesign
Nenne Eigenschaften Rund-Zelle/Zylindrische Zelle: ?? (2-3)
hohe Lebensdauer
Komplexe Kühlung
(a lot of experience in cell design)
Batterie: Zelldesign
Eigenschaften Flach-Zelle (Pouch-Zelle): ?? (2-3)
Gute Kühlung(scharakteristik)
Hohe Energiedichte
(Main question: Tightness of the film)
Batterie: Zelldesign
Eigenschaften Prismatische Zelle: ?? (2)
Einfacher modularer Ansatz (easy stacking in batterie packs)
Kombiniert die Charakteristiken der Rund-Zelle und Flach-Zelle
Innerer Aubau der unterschiedlichen Zelldesigns.
FOLIE 22!
…
Auswahl der Zelltechnologie anhand von verschiedenen Merkmalen.
—> Folie 23
Man erkennt, dass die ?(1)? meist gar nicht so gut ist.
Darum haben sich die ?(2)? und die ?(3)? bei vielen Herstellern durchgesetzt.
(1) Rund-Zelle/(Zylindrische Zelle)
(2) Flach-Zelle (Pouch-Zelle)
(3) Prismatische-Zelle
Prinzipieller Aufbau einer Batteriezelle
Siehe Folie 24!!!
…
Prinzipieller Aufbau einer Batteriezelle
Stromableiter müssen ?(1)? stabil sein und eine hohe ?(2)? aufweisen
Aktivmassen sind meist ?(3)? und haben eine große ?(4)?
Separator für elektrische Isolierung der Aktivmassen gegeneinander, muss ?(5)? sein
Elektrolyt ist ein ?(6)? und für Elektronen ein ?(7)?.
(1) chemisch
(2) Leitfähigkeit
(3) porös
(4) innere Oberfläche
(5) ionendurchlässig
(6) Ionenleiter
(7) Isolator
Prinzipieller Aufbau einer Batteriezelle
Nenne Varianten von Elektrolyten! (3)
Wässrige Elektrolyten
Nicht-wässrige Elektrolyten
Festkörperelektrolyten (selten)
Aufbau einer Batterie aus Einzelpaletten
- Beispiel Blei-Starterbatterie
—> siehe Folie 25!
…
Blei-Akkumulator
—> Folie 26
…
Lithium-Ionen-Akkumulator (Aufbau)
Beschriften Folie 27!!
!
Elektrolyt beim Lade-/Entladevorgang
Der Elektrolyt fungiert bei diesen Vorgängen als ?(1)? zwischen den Reaktionen an den Elektroden und garantiert den ?(2)?.
Dabei muss er sich u.a. aktuell in einem Spannungsbereich von 0 bis 4,5V stabil verhalten sowie eine hohe ?(3)? über einen weiten ?(4)? gewährleisten.
(1) Vermittler
(2) Li-Ionen-Transport
(3) Leitfähigkeit
(4) Temperaturbereich (von -40 °C bis +80 °C)
Im Bereich von Lithium-Ionen-Batterien sind drei Formen von Elektrolyten anzutreffen: ??
Flüssig
Polymer
Fest
Im Bereich von Lithium-Ionen-Batterien sind 3 Formen von Elektrolyten anzutreffen.
Flüssig: Der Elektrolyt ist meist organischen Ursprungs und besteht aus einem Li- Ionenenthaltenden Leitsalz, das in ein nichtwässriges Lösungsmittel gegeben wird. Er darf nur möglichst wenig Feuchtigkeit aufweisen, da die Anoden mit Wasser hochreaktiv sind. Ein erhöhter Wassergehalt im Elektrolyt führt in Verbindung mit den verwendeten Salzen zur Bildung von Flusssäure und kann die Elektroden schädigen.
Polymer: Da das Austreten der Polymere nicht möglich ist, ist die Verwendung von starren Behältern überflüssig und somit eine leichtere Bauweise möglich. Darüber hinaus besteht dadurch eine erhöhte Sicherheit gegenüber flüssigem Elektrolyt. Nachteilig ist jedoch die geringere Leitfähigkeit.
Fest: Aufgrund der ungünstigen Relation von Vor- und Nachteilen und Kosten-Nutzen- Aspekten finden feste Elektrolyttypen in der Praxis fast keine Anwendung. Nachteilig sind vor allem die geringe Leitfähigkeit und das Einbringen in die Batterie.
(LESEN!!!)
…
Aufbau einer Batterie aus gewickelten Elektroden - Bsp. SuperCap (Kondensator)
—> siehe Folie 29!!!
Sehr große aktive Flächen in welche Ladungen hineingeschoben werden können, kurzzeitig abgeladen und direkt danach wieder entnommen werden können.
Generell können Kondensatoren sehr wenig Energie speichern. Dafür haben sie aber eine sehr hohe Leistung, wodurch sich sehr hohe Ströme ermöglichen lassen.
…
Jaguar I-Pace (SOP: 2018)
—> Folie 30
VW ID.3
—> Folie 31
AUDI e-tron
—> Folie 32
—> Folie 33
…
Key Performance Indikatoren für E-Fahrzeuge und Batterie und Kostenstruktur der Batterie
—> Folie 34
…
Bei E-Antrieben definiert die Batterie die ?(1)? und die ?(2)? des Fahrzeuges
(1) Leistungsfähigkeit des Antriebs
2) Kostenstruktur
(Zellen sind so teuer und dabei vorallem das Material!
Welche Kosten dominieren die Kostensturkutr der Batterie?
Materialkosten
E-Fahrzeuge: Aufladen der Batterie
Wie wird die Baterie geladen? Nenne Möglichkeiten! (4)
Konduktives Laden (d.h. Mit Ladekabel)
Induktives Laden
(d.h. Laden mit Spulen über elektromagnetische Felder)
(—> durch ein Stromkabel kann man aber schneller laden als über die Luft (weil Metall besser leitet))
Batterie tauschen
(Roboter tauscht Batteriepack aus innerhalb von wenigen Minuten, standardisierte Batterie notwendig)
Redox-Flow-Batterie
(Verbrauchtes Elektrolyt absaugen und aufgeladenes/unverbrauchtes Elektrolyt nachfüllen)
Batterie-System: Lade-Entlade-Zyklus
Der Energienutzungsgrad oder die Energieausbeute, engl. energy efficiency, ist der Quotient aus der ?(1)? und der ?(2)?.
Die elektrische Energie ist die Fläche unter der ?(3)?.
—> Formel siehe Folie 36!!
(1) nutzbaren elektrischen Energie
(2) beim Laden eingespeisten Energie
(3) Spannungs-Ladungs-Kurve
Übersicht über die Lademöglichkeiten und ihre typischen Ladeleistungen:
siehe Folie 37!!
!
Damit das kabelgebundene Laden funktioniert müssen ?(1)? und ?(2)? mechanisch zueinander passen.
Zudem müssen das Fahrzeug und die Ladesäule den gleichen ?(3)? beherrschen.
(1) Stecker
(2) Buchse
(3) Kommunikationsstandard
In der EU werden aktuell die Stecker ?(1)? und ?(2)? verwendet. Die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladesäule erfolgt auf Basis der ISO ?(3)? , bzw. zum Teil auf Vorläuferversionen dieses Standards.
(1) Typ 2
(2) Combo 2
(3) 15118
Standorte für das Laden und typische Ladeleistungen
Siehe Folie 38!
…
Induktives Laden bei PKW
Siehe Folie 39
…
Induktives Laden beim PKW am Bsp. BMW
—> siehe Folie 40
Das System hat eine Ladeleistung von nur 3,2 kW!
…
Der Wirkungsgrad des induktiven Ladesystems (Ladekabel) liegt bei ca. ?(1)?%, der des konduktiven Ladens bei ca. ?(2)?%.
(1) 85
(2) 92
Ladesäulen am Bsp. von VW und innogy
Siehe Folie 43!!!!
!!
Ladeverfahren
Text lesen auf Folien 42+43!!!!
!!
Ladeverlauf am Beispiel Audi e-tron
Die mögliche Ladeleistung wird von der ?(1)? begrenzt und durch den ?(2)?.
(1) Leistungsfähigkeit der Ladesäule
(2) Zustand der Batterie
(Ladezustand(SOC) der Batterie, Temperatur der Batterie, Alterungszustand der Batterie)
—> siehe Folie 44 (wichtige Infos noch)!!!
Ladeverlauf am Beispiel einiger Fahrzeuge
—> Folie 45
…
