13. Elektroantriebe (EV II) Flashcards

Question 1

Q

Speichertechnologie:

Nenne die Anforderungen an elektrische Speicher! (5)

Answer

A

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)

Question 2

Q

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.

Question 3

Q

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.

Question 4

Q

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!!

Question 5

Q

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.

Question 6

Q

Aufbau eines Batteriesystems

Unterste/kleinste Komponente/Einheit eines Batteriesystems?

Answer

A

Batteriezelle

Question 7

Q

Aufbau eines Batteriesystems

Mehrere Batterie-Zellen werden zu einem ?(1)? zusammengefallst.

Das ?(2)? beinhaltet bereits ein ?(3)?

Answer

A

(1) Modul (Batteriemodul)
(2) Modul (Batteriemodul)
(3) Zell-Kontrollsystem

Question 8

Q

Aufbau eines Batteriesystems

Mehrere Batteriemodule werden in einem ?(1)? zusammengefasst.

Es beinhaltet ein ?(2)?, welches Daten zu Temperatur, Spannung, Stromstärk,… auswertet und managet.

Answer

A

(1) Batteriesystem

2) Batterie-Management-System (BMS

Question 9

Q

Aufbau eines Batteriesystems

—> siehe Folie 7!

Question 10

Q

Für was ist das Batterie-Management-System (BMS) zuständig? Nenne paar Beispiele!

Answer

A

Temperatur-Management

Batterie-Batriebsalgorithmus

Zustandsüberwachung

SOC-Management

Einzel-Zell-Management

Fehlermanagement

Question 11

Q

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)

Question 12

Q

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%)

Answer

A

(1) Entladetiefe

(2) Ladezustand

Question 13

Q

Wie berechnet man den Ladezustand einer Batterie (engl. state-of-charge, SoC)?

Answer

A

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)

Question 14

Q

Wie berechnet man die Entladetiefe (engl. depth of discharge, DoD)?

Answer

A

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)

Question 15

Q

Schaltungsarten der einzelnen Batteriezellen

siehe Folie 10

Question 16

Q

Schaltungsarten der einzelnen Batteriezellen

Welche Arten gibt es? (2)

Answer

A

Parallelschaltung (p) einzelner Batteriezellen

Reihenschaltung /Serienschaltung (s)

—> in der Realität meistens eine Mischung aus beiden Schaltungen

Question 17

Q

Resultierende Ladekapazität (Ah) ist die Summe der Einzelkapazitäten.

Welche Schaltungsart der einzelnen Batteriezellen liegt vor?

Answer

A

Parallelschaltung (p) einzelner Batteriezellen

Question 18

Q

Resultierende Spannung ist die Summe der Einzelspannungen.

Welche Schaltungsart der einzelnen Batteriezellen liegt vor?

Answer

A

Reihenschaltung / Serienschaltung

Question 19

Q

Die resultierende Ladekapazität (Ah) entspricht der einer einzelnen Zelle.

Welche Schaltungsart der einzelnen Batteriezellen liegt vor?

Answer

A

Reihenschaltung / Serienschlatung (s)

Question 20

Q

Die resultierende Spannung entspricht bei gleichen Zellen der Spannung einer einzelnen Zelle.

Welche Schaltungsart der einzelnen Batteriezellen liegt vor?

Answer

A

Parallelschaltung (p) einzelner Batteriezellen

Question 21

Q

Zellmodul mit 3s4p-Verschaltung der einzelnen Zellen.

Bezeichnung bedeutet was?

Answer

A

3 Zellen in Serie geschaltet

4 Zellen parallel geschaltet

siehe Folie 11!!

Question 22

Q

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

Answer

A

(1) Wärmeentwicklung
(2) Zellchemie
(3) Kühlleistung
(4) Temperaturen
(5) Zell-Reaktionen

—> FOLIE 12 ansehen!

(6) Zyklenfestigkeit bzw. Lebensdauer

Question 23

Q

Batterielebensdauer

Um die Akku-Lebensdauer zu erhöhen, kann was gemacht werden?

Answer

A

Man kann nutzbare Kapazität beschränken und die Batterie demnach mit Teilzyklen betrieben werden

Question 24

Q

Batterielebensdauer von Li-Ion Batterien

—> siehe Abb. Folie 13!

Question 25

Q

Batterielebensdauer von Li-Ion Batterien

Die Batterielebensdauer von Li-Ion Batterien in E-Autos ist ungefähr bei welcher Anzahl an Ladezyklen angesiedelt?

Answer

A

Ca. 3000 Ladezyklen

Question 26

Q

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!!!

Question 27

Q

Der C-Faktor (Entladerate) ist ein Maß für was?

Answer

A

Maß für die maximal zulässigen Lade- und Entladeströme, die bezogen auf die Nennkapazität des Akkumulators fließen dürfen.

Question 28

Q

Wie berechnet man den C-Faktor (Entladerate)?

Answer

A

C = Isubm / Qsub0

I: Strom beim Laden bzw. Enladen (A)

Qsub0: nutzbare elektrische Ladung, Nennkapazität (Ah)

Question 29

Q

Der Kehrwert des C-Faktors (1/C) gibt was an?

Answer

A

Die Zeit, die eine Batterie mit der vom Hersteller bestimmten Kapazität Qsub0 mit dem maximal zulässigen Strom entladen werden kann.

Question 30

Q

Wie berechnet man die Zeit, die eine Batterie mit der vom Hersteller bestimmten Kapazität Qsub0 mit dem maximal zulässigen Strom entladen werden kann?

Answer

A

Mit dem Kehrwert des C-Faktors (Entladerate)

= 1/C = Qsub0 / Isubm
__
I: Strom beim Laden bzw. Enladen (A)

Qsub0: nutzbare elektrische Ladung, Nennkapazität (Ah)

Question 31

Q

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?

Answer

A

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

Question 32

Q

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!!

Question 33

Q

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.

Answer

A

(1) erhöhten
(2) Überladen
(3) Herstellung
(4) ungenutzten Batterien

Question 34

Q

In mangelhaft gekühlten Anwendungen, z. B. tragbaren Computern, schreitet die Alterung schneller fort als an Luft.

Wahr/Falsch?

Question 35

Q

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.

Answer

A

(1) Alterungsprozessen
(2) unabhängig
(3) weniger
(4) Innenwiderstand
(5) Klemmenspannung
(6) Ströme

Question 36

Q

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!

Answer

A

(1) konventionelle
(2) Alterungsphänomene
(3) wächst
(4) schwindet
(5) Degradation
(6) Geschwindigkeit

Question 37

Q

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?

Answer

A

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!!

Question 38

Q

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.

Question 39

Q

Prinzipielle Methoden der Batteriezellenkühlung

Nenne Methoden! (5)

Answer

A

Luftkühlung

Bodenkühlung

Seitenkühlung (passiv)

Seitenkühlung (aktiv)

Ableiterkühlung

Question 40

Q

Batteriekühlungskonzepte

a) mit Luft
b) mit Kältemittel direkt
c) mit Kältemittel (Sekundärkreislauf)

—> siehe Folie 20!

Question 41

Q

Batterie: Zelldesign

Nenne 3 Varianten des Zelldesigns!

Answer

A

Rund-Zelle / Zylindrische Zelle

Flach-Zelle (Pouch-Zelle)

Prismatische-Zelle

—> siehe Folie 21

Question 42

Q

Batterie: Zelldesign

Nenne Eigenschaften Rund-Zelle/Zylindrische Zelle: ?? (2-3)

Answer

A

hohe Lebensdauer

Komplexe Kühlung

(a lot of experience in cell design)

Question 43

Q

Batterie: Zelldesign

Eigenschaften Flach-Zelle (Pouch-Zelle): ?? (2-3)

Answer

A

Gute Kühlung(scharakteristik)

Hohe Energiedichte

(Main question: Tightness of the film)

Question 44

Q

Batterie: Zelldesign

Eigenschaften Prismatische Zelle: ?? (2)

Answer

A

Einfacher modularer Ansatz (easy stacking in batterie packs)

Kombiniert die Charakteristiken der Rund-Zelle und Flach-Zelle

Question 45

Q

Innerer Aubau der unterschiedlichen Zelldesigns.

FOLIE 22!

Question 46

Q

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.

Answer

A

(1) Rund-Zelle/(Zylindrische Zelle)
(2) Flach-Zelle (Pouch-Zelle)
(3) Prismatische-Zelle

Question 47

Q

Prinzipieller Aufbau einer Batteriezelle

Siehe Folie 24!!!

Question 48

Q

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)?.

Answer

A

(1) chemisch
(2) Leitfähigkeit
(3) porös
(4) innere Oberfläche
(5) ionendurchlässig
(6) Ionenleiter
(7) Isolator

Question 49

Q

Prinzipieller Aufbau einer Batteriezelle

Nenne Varianten von Elektrolyten! (3)

Answer

A

Wässrige Elektrolyten

Nicht-wässrige Elektrolyten

Festkörperelektrolyten (selten)

Question 50

Q

Aufbau einer Batterie aus Einzelpaletten
- Beispiel Blei-Starterbatterie

—> siehe Folie 25!

Question 51

Q

Blei-Akkumulator

—> Folie 26

Question 52

Q

Lithium-Ionen-Akkumulator (Aufbau)

Beschriften Folie 27!!

Question 53

Q

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.

Answer

A

(1) Vermittler
(2) Li-Ionen-Transport
(3) Leitfähigkeit
(4) Temperaturbereich (von -40 °C bis +80 °C)

Question 54

Q

Im Bereich von Lithium-Ionen-Batterien sind drei Formen von Elektrolyten anzutreffen: ??

Answer

A

Flüssig

Polymer

Fest

Question 55

Q

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!!!)

Question 56

Q

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.

Question 57

Q

Jaguar I-Pace (SOP: 2018)
—> Folie 30

VW ID.3
—> Folie 31

AUDI e-tron
—> Folie 32
—> Folie 33

Question 58

Q

Key Performance Indikatoren für E-Fahrzeuge und Batterie und Kostenstruktur der Batterie
—> Folie 34

Question 59

Q

Bei E-Antrieben definiert die Batterie die ?(1)? und die ?(2)? des Fahrzeuges

Answer

A

(1) Leistungsfähigkeit des Antriebs

2) Kostenstruktur
(Zellen sind so teuer und dabei vorallem das Material!

Question 60

Q

Welche Kosten dominieren die Kostensturkutr der Batterie?

Answer

A

Materialkosten

Question 61

Q

E-Fahrzeuge: Aufladen der Batterie

Wie wird die Baterie geladen? Nenne Möglichkeiten! (4)

Answer

A

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)

Question 62

Q

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!!

Answer

A

(1) nutzbaren elektrischen Energie
(2) beim Laden eingespeisten Energie
(3) Spannungs-Ladungs-Kurve

Question 63

Q

Übersicht über die Lademöglichkeiten und ihre typischen Ladeleistungen:

siehe Folie 37!!

Question 64

Q

Damit das kabelgebundene Laden funktioniert müssen ?(1)? und ?(2)? mechanisch zueinander passen.

Zudem müssen das Fahrzeug und die Ladesäule den gleichen ?(3)? beherrschen.

Answer

A

(1) Stecker
(2) Buchse
(3) Kommunikationsstandard

Answer 42

A

(1) Typ 2
(2) Combo 2
(3) 15118

Answer 43

A

(1) 85

(2) 92

Answer 44

A

(1) Leistungsfähigkeit der Ladesäule

(2) Zustand der Batterie
(Ladezustand(SOC) der Batterie, Temperatur der Batterie, Alterungszustand der Batterie)

—> siehe Folie 44 (wichtige Infos noch)!!!

Brainscape's Knowledge GenomeTM

13. Elektroantriebe (EV II) Flashcards

Brainscape's Knowledge Genome^TM