Ladeverfahren und BMS Flashcards
Welche Unterteilung des Ladevorgangs treffen wir?
Hauptladung-
Ladestrom fließt zum Großteil in die Hauptreaktionen
Nachladung-
Haupt und Nebenreaktionen konkurrieren
Ladegesch. muss begrenzt werden
Erhaltungsladung-
Kompensation der Selbstentladung
Konstantstromverfahren CC-Ladung mit Zeitlimit
welcher Einsatz
welche Eigenschaften
NiCad Batterien
NiMh Batterien
BleiSäure Batterien
Hauptladung mit konst. Strom und Überladen bei Errieichen des Volladezustandes , dann fließt die Gesamte Ladestrom zu Nebenreaktionen
Warum sinkt bei den NiMH Batterien bei KonstStrom ab einer gewissen Punkt die Spannung wieder (nach dem sie gestiegen ist)
Denn mit der mit steigender Spannung und voll werdender Zelle die Verluste größer werden und damit steigt auch die temp und somit sinkt die Innenwiederstand, U = R * I , I konst, U sinkt auch.
welche Kriterien zum Abschalten bei der CC Ladung?
Wendepunkt der Spannung, Beginn der Gasungsreaktion
Umax->nahezu der ganze Ladestrom fließt in Gasungreaktion, Delta U Kriterium,
Temp kriterium
Erkläre die Konstantspannungsverfahren?
Die U-Ladung (CV)Verfahren setzt man in Regler ein Spannungskrieterium und lässt den Strom fließen, den ersten Phase ist aber der Strom trotzdem Konst Strom Phase, Spannungskrieterium greift wenn die Spannung angestiegen ist, dann greift die U Krieterium und die Strom wird geringer je voller die Batterie wird.
Erkläre bitte die IU Verfahren (CCCV).
Es gibt zwei Phasen, in der ersten Phase haben wir Ladung mit konst. Strom und Begrenzung des Stromes durch das Ladegerät
wenn die Ladeschlusspannung erreicht wird beginnt die zweite Phase sodass ‘Ladung mit konstanter Spannung beginnt. Dabei sinkt die Strom mit zunehmender Ladezustand ab. beendet wird die Ladung wenn die minimal Ladestrom erreict wird
Standart Lade Verfahren für LiIon Batterien
welche kombinierte Ladeverfahren gibt es, die auf die IU Ladeverfahren basieren?
siehe Slide 14
IU-Ladung
IUU° Ladung, alsi Ladung mit doppelten Laddeendspannung
IUIa Ladung, also Ladung mit begrenzter Lademenge oder begrenzter Ladezeit!
Welche Rechung gibt mir die Ladezustand ?
Integral des Stromes
Wozu ist die IUU° Ladung, also Ladung mit doppelten Laddeendspannung
mit diesem Ladeverfahren habe ich eine Konst. spannungsphase später alo bei einem höheren spannungswert, also eine längere konst strom und somit Schnelle Erhöhung der Ladezustandes, aber da bei höheren Spannungen die korrosion und Gasung bedeutet (in Blei) schaltet man die Spannung ein Niveau unter und schont die Batteri gegen Alterung
Beschleungung des Ladevorgngs
Wozu ist die IUIa Ladung?
kommt besonders bei den versclossenen BleiSäure Batterien eingesetzt.
Hier folgt ein KonstStrom Ladung eine KonstSpannungLadung und wieder eine Konststromladung, allerdings mit sehr geringen Strom. Alterung verlangsamen, indem man die Sulfatkristallaufbau abbaut.
IUIa Ladung mit anschließenden Trickle Charge
Für Bleibatterien umgesetzt, eine Nachladephase bzw. Ladererhaltungsphase als eine Pulsförmige TrickleCharging um die Batterie nachzuladen.
Was ist Ultraschnellladeverfahren
Ab 22kW Leistung wird von einer Schnellladung gesprocehn.
Anschlussleistung von 350kW, die Idee ist die Energie in einer 3 bis 5 min reinzubekommen um die 100km zu fahren.
Nachteile der Ultraschnellladung ?
- Sehr hohe Ladelsitung benötigt, sodass Netzausbau nötug sein kann
- Hohe Kosten für Ladegeräte
- Nur an zentralen Punkten möglich
- Hohe Belastung der Batterie durch Erwärmung
- Erhöhte Kosten derbatteriemanagmentSystem
eine Verteilnetztrafo mit 350kW versorgt 120 Haushalte
AC Laden vs. DC Laden
AC - ich führe das Fahrzeug AC rein WR in Fahrzeug drinnen
DC- WR außerhalb des Fahrzeuges
Was benötigt eine Schnellladeleistung von der Spannungsseite? Was ist dabei das Problem?
Damit ich die Stromraten einiegermaßen in Griff bekomme, muss ich die Spannung erhöhen und das geht wenn ich mehr in Reihe geschaltete Zellen habe.
In Serienschaltung bestimmt die schwächte Zelle die Gesamtperformance, und wenn ich doppelte Anzahl an Zellen habe, habe ich auch die doppelte WK eines Ausfalles. Also die Zuverlässigkeit nimmt ab.
800V Spannung z.B. für 350kW d.h. ca.400V
Schnellvergleich NiCd
NiCd Batterie
Kommerzielles Produkt, verschiedene
Hersteller am Markt
Kosten 2 3 mal höher als Bleibatterien
Wirkungsgrad 70 80%
Resümee:
+Erfahrung, sichere Technologie,
günstig
-Lebensdauer, Gewicht
-Umweltverträglichkeit Cadmium beim Recyling
Schnellvergleich NiMH
NiMH
Einsatz vor allem in Hybridfahrzeugen
Wenige Hersteller am Markt
Wirkungsgrad 70 80%
Resümee:
+Gute Lebensdauer, robust, höhere Energiedichte als NiCd
-Geringes Kostensenkungspotential, schlechtes Tief und Hochtemperaturverhalten
Schnellvergleich Hochtemperatur Batterien
Hochtemperatur Batterien
NaS: in Japan kommerziell genutzt als Netz
Energiespeicher
NaNiCl 2 : überwiegend im flotten Bereich, den durch hohen Gebrauch kann man die Batterie warmhalten.
Jeweils nur ein Anbieter
Wirkungsgrad 70 85%
Resümee:
+Gute Zyklenlebensdauer, günstig
-Jeweils nur ein Anbieter,
thermisches Management
aufwändig, hohe thermische
Verluste
Welche Zellbauformen gibt es ?
Zylindrische Zelle
Pouch Bag Zelle
Prismatische Zelle
Vor und Nachteile der Zylindrische Zelle erläutern
+
Große Erfahrung aus
Consumer Produkten: sehr
hohe Energiedichte, niedriger
Preis
+
Hohe intrinsische Sicherheit
durch zellinterne
Sicherheitsmechanismen
–
Zellgehäuse relative teuer
–
Kühlung wegen des
Oberflächen –/Volumen
verhältnisses schwierig
Vor und Nachteile der Pouch Bag Zelle erläutern
+
Hohe Packungsdichte
+
Einfache Kühlung bedingt
durch große Oberfläche
+
Variabel hinsichtlich
Zellverkabelung über die Pole
–
geringe Steifigkeit
–
Zellverspannung benötigt
Vor und Nachteile der Prismatische
Zelle erläutern
+
Robust, hohe Steifigkeit
+
Einfache Montage und
Verkabelung
+/-
Kombiniert Eigenschaften der
zylindrischen, sowie der
Pouch Bag Zellen
–
Probleme mit internem Druck
der Zellen
–
Kühlung wegen des
Oberflächen –/Volumen
verhältnisses schwierig
–
Zellverspannung benötigt
INFO
Auswahl der Spannungslage ist immer Abgleichen der Anforderungen durch geringe Spannungen (hohe Ströme)auf der Kabel, Schalter Leistungselektronik und die auf der Batterieseite verändern sich die Dinge immer zum Nachteil mit steigenden Spannung.
INFO
Hohe DC Batteriespannungen verursachen einige Herausforderungen
Hohe DC Spannungen sind kritischer als AC Spannungen für die Schutz usw.
Elektrisches Fachpersonal ist nicht für DC Systeme ausgebildet
Batterie weist ein Potential auf
Gefahr für Ersthelfer bei Unfällen
Hohe Zahl von in Serie geschalteten Zellen verringern die
Zuverlässigkeit
Welche Schaltungstopologien gibt es denn ?
Serienverschaltung
Modulare Stränge also Serie und Parallel
Parallel und Serie
Serienverschaltung erklären
Alle Zellen werden in Serie geschaltet. Für jede einzelne Zelle Balancing und Spannungsmessung nötig bei Liion
In den Strang auf der Packebene braucht man eine Strommessung.
Hohe Spannung
Keine Redundanz
Die Kapazität bleibt unverändert
Energiegehalt und Leistungsfähigkeit steigen proportional zur Zellenzahl.
Modulare Stränge mit Serienschaltung und Parallelschaltung dieser Einzelstränge erklären.
Spannungsmessung und Balancing für jede Zelle nötig. UND ein BMS pro Strang.
Strommessung und Sicherung für jeden Strang, also mehrere Stromsensoren
Geringe Spannung,
Hohe Redundanz,
Hohe Flexibilität bei Auswahl der Zellen
Hoher BMS Aufwand
Parallel + Serienverschaltung erklären
Also die Parallelschaltung auf der Zellebene
Spannungsmessung und Ladungsausgleich für jedes parallele Modul nötig und nicht für jede Zelle
Stromsicherung für jede einzelne Zelle
Eine Sicherung pro Zelle
Geringe Spannung
Hohe Redundanz
Geringer BMS Aufwand
Querströme zwischen parallelen Zellen
Technologien von Zellverbindern & elektrischen VerbindungenSchraubverbindung
für Zylindrische Zellen
Herausforderungen
Übergangswiderstand
Korrosion
Zuverlässigkeit bei
Vibrationsbelastungen
Technologien von Zellverbindern & elektrischen VerbindungenSchweisverbindung
entweder durch Ultraschall , Laser,
Widerstand
Direkte Verbindung der
Stromsammler
Pouch Bag Zellen
Schweißen von Verbindern
Zylindrische Zellen
Lebensdauer der Kontakte
kritisch, evtl. geschweißte
Kontakte zwischen zwei
verschiedenen Materialien
erforderlich
Technologien von Zellverbindern & elektrischen VerbindungenDrahtBonding
Quasi eine Einwegsicherung mit 10A
Technologie aus der Mikroelektronik
Ultraschall/Laser Bonding
Integrierte Sicherheitsfunktion
Vorteilhaft für die Parallelschaltung von kleinen Zellen
Welche Kühlsysteme haben wir kennengelerent?
Luftkühlung
Wasserkühlung
Kühlmittel
Preis LK<WK<KM
Wovon ist die Wärmeverteilung und Kühlmöglichkeit abhängig
Wärmeverteilung und Kühlmöglichkeit ist von Zellenformat abhängig
Was sind die Vorteile und Nachteile einer aktiven Luftkühlung?
Pro
Gemeinsame Nutzung der Innenraumklimatisierung-Synergie
Keine Gefahr von Kurzschlüssen durch Kühlmittel
Einfache Implementierung der Heizung
Geringes Gewicht
Contra
Gemeinsame Nutzung der Innenraumklimatisierung
Passagier vs. Batterie
Großes Volumen
Luftanschluss zw. Fahrgastraum & Batterie
Kondensation muss berücksichtigt werden
Was sind die Vorteile und Nachteile einer Kühlmittel ?
Pro
Einfache Erhitzung
Luftdichte Verpackung möglich
Geringeres Volumen
Höhere Leistungsdichte möglich im
Vergleich zur Luftkühlung
Contra
Leckage des Kühlsystems muss
berücksichtigt werden
Beobachten Sie die Positionierung der
Stromabnehmer sorgfältig
Höheres Gewicht
Komplexität / Kosten
Isolierung zw. Zellpotential und Kühlmittel
Was sind die Vorteile und Nachteile einer Kältemittel ?
Pro
Sehr homogene Temperaturverteilung innerhalb des Akkupacks möglich
Luftdichte Verpackung möglich
Geringes Volumen
Höhere Leistungsdichte möglich im Vergleich zur
Luftkühlung
Contra
Nacherwärmung schwierig
Leckage des Kühlsystems sehr kritisch
Höheres Gewicht
Komplexität / Kosten
Kritische Auswahl des Kühlmittels
Welche Aufgaben hat eine BMS ?
Hauptschütz
Trennt Batteriepack im Fehlerfall vom Antrieb
Öffnen des Schützes kann fahrdynamische Folgen haben
Kühl/Heizsystem
Wie viel Heiz oder Kühllesitung wird benötigt?
Zellausgleichsystem
Gezielte Entladung einzelner Zellen Vermeidung von Überladung einzelner Zellen
Parallelschaltung von Batteriezellen
Erhöht die Kapazität proportional zur Zellenzahl
Hält die Spannung unverändert
Energiegehalt und Leistungsfähigkeit steigen
proportional zur Zellenzahl
Masseerhaltung und Ladungserhaltungsätze
Die Gesamtmasse der Ausgangsstoffe ist gleich der Gesamtmasse der Reaktionsprodukte
(Massenerhaltung).
Die Ladungsbilanz muss vor und nach der Reaktion gleich sein (Ladungserhaltung).
Unter der …. einer Lösung versteht man deren Konzentration in mol /l . Eine einmolare Lösung, abgekürzt 1 M, enthält ein Mol der gelösten Verbindung in einem Liter Gesamtlösung.
Unter der …. einer Lösung versteht man deren Konzentration in mol /kg . Eine Lösung mit einer Molalität von eins enthält ein Mol der gelösten Verbindung in einem kg Gesamtlösung (Herstellung
ist einfacher, da genaue Mischungen durch Abwiegen hergestellt werden können).
Molarität
Molalität
INFO MOL
Die Menge von N A = 6,023 ·10 23 elementaren Teilchen (z.B. Atomen, Molekülen, Ionen) dient als „handhabbare“ Einheit der Stoffmenge.
Sie wird als ein Mol bezeichnet.
Die Einheit ist „ mol “ und ist eine der 7 Basis SI Einheiten (neben m, s, A, Candela, kg, T).
Die Masse, die ein Mol elementarer Teilchen besitzt, nennt man molare Masse ( Molmasse , Einheit g/ mol ).
Die Molmasse eines Stoffes entspricht dem Wert der atomaren Masseeinheit u in Gramm ( 55,847g
Fe entsprechen einem Mol und sind damit 6,023 ·10 23 Eisenatome, 18 g H 2 O entsprechen einem
Mol und sind damit 6,023 ·10 23 Wassermoleküle).
U Gleichgewicht ist eine Funktion
der Elektrolytkonzentration
der Materialzusammensetzung der Aktivmassen
der Temperatur
des Ladezustands
Die Gibb’sche freie Energie ist die …. einer chemischen Reaktion
elektrisch nutzbare Energie
delta G = delta H - T deltaS
Reaktionsenthalpie delta H
beschreibt die Menge der freigesetzten oder aufgenommen Energie während der Reaktion.Sie kann bestimmt werden aus dem Energiegehalt H der Reaktanten .
Freie Reaktionsenthalpie delta G (auch Gibb’sche freie
beschreibt die Menge der chemischen Energie, die in elektrische Energie umgewandelt werden kann (und umgekehrt)
Gleichgewichtsspannung von Bleibatterien.
Gleichgewichtsspannung jeder Elektrode hängt von
der … ab
Säure Konzentration
Die kaliometrische Spannung wird berechnet aus der …. und der …..
Gleichgewichtsspannung
reversiblen Wärme
Doppelschichtkondensatoren bestehen aus zwei ….
Im Elektrolyten sind …. gelöst, die als dissoziierte Ionen vorliegen
Beim …. balancieren die geladenen Ionen die Ladungsträger auf den Elektroden aus, beim …. durchmischen sich die Ionen wieder
Doppelschichtkondensator im ungeladenen Zustand. Ionen sind ungeordnet und gleich mäßig im Elektrolyten verteilt. …. Entropie
Kohlenstoffelektroden
Salze
Laden
Entladen
hohe
U Widerstand
- Direkt und linear proportional zu dem Lade oder Entladestrom
- Führt immer zu einem direkten Spannungsabfall bei Beginn eines
- Stromflusses
- Beim Entladen ist der Term jeweils negativ, beim Aufladen positiv
- (Definition der Stromrichtung: negativ, wenn die Batterie entladen
- Widerstand des Elektrolyten ist meist der größte Beitrag
- Widerstand des Elektrolyten sinkt mit steigender Temperatur,
- Widerstand metallischer Elemente steigt mit steigender Temperatur
U Reaktion
Spannungsabfall durch die elektrochemischen (Butler Volmer Gleichung) und chemischen Reaktionen bei Stromfluss.
Wird bedingt durch den eigentlichen Lade –/Entladeprozess an den beiden
Führt beim Laden der Batterie zu einer Erhöhung der Batteriespannung gegenüber der Gleichgewichtsspannung und beim Entladen entsprechend umgekehrt.
U Diffusion
verursacht durch Konzentrationsgradienten der Reaktanten
Abnahme von Reaktanten durch langsamen Austausch mit Elektrolytreservoir
Blockade von Poren durch Kristallwachstum oder Abnahme der Porosität führt zu einer beschleunigten Abnahme der Reaktanten
Reduktion des Porenvolumen durch Änderung des spezifischen Volumens der Aktivmassen während der Entladung
Abbau der Diffusionsüberspannung dauert einige Zeit, so dass sich die Spannung auch nach
Abschalten des Stroms noch ändert. Der Konzentrationsausgleich erlaubt nach einer Wartezeit auch eine weitere Entladung der Batterie.
Spannungssack treten in der …. auf.
Diese treten nur nach einer ….. auf. Der Grund ist das, dass Keine Impfkristalle für die Kristallisierung der Bleisulfatkristalle vorhanden ist und diese sehr hohe Ionenkonzentration im Elektrolyt führt.
Nach der Bildung von Impfkristallen nimmt die Konzentration
rapide ab und der Spannungssack verschwindet
v2 74
Spannungssack treten in der BleiSäureBatterien auf.
Diese treten nur nach einer kompletten Vollladung auf. Der Grund ist das, dass Keine Impfkristalle für die Kristallisierung der Bleisulfatkristalle vorhanden ist und diese sehr hohe Ionenkonzentration im Elektrolyt führt.
Nach der Bildung von Impfkristallen nimmt die Konzentration
rapide ab und der Spannungssack verschwindet
Wichtigste Nebenreaktionen von Batterien mit wässrigem Elektrolyten sind:
Die Gasungsreaktion läuft immer ab, wenn die Zellspannung die Wasserzersetzungsspannung von 1,23 V überschreitet
Mögliche Nebenreaktionen:
□ Positive Elektrode: Sauerstoffentwicklung, Korrosion des Metallgitters
□ Negative Elektrode: Sauerstoffrekombination, Wasserstoffentwicklung
zur Reaktiongleichung siehe Folie v2 86
Klassifizierung elektrochemischer Speichersysteme erfolgt nach der Kategorien
mit internem Speicher
1. niedertemp
* Blei
* LiIon
* NiCd
* NiMH
2. hochtemp
* NaNiCl
* NaS
3. metalluft
* LiLuft
* zn Luft
mit externem Speicher
ElektrolyseurBrennstoffzelle
RedoxFlow
Warum ist eine Schützbox im Batteriepack z.B. in einem Fahrzeug wichtig?
Die Sicherung in der Schützbox kann Überströme von außen zur Batterie
verhindern.
Die verschalteten Zellen haben selber keine abschaltbaren Elemente, aber die
Schützbox kann die Batterie mit einer Sicherung schützen.
Der Widerstand des Vorladesystems in der Schützbox kann einen Kurzschluss
zwischen der Batterie und dem Umrichter im Moment des Zusammenschaltens
von Batterie und Umrichter verhindern.
Der Eingangskondensator des Umrichters kann durch das Vorladesystem auf der
Spannung der Batterie aufgeladen werden.
