berufs- und studienorientierung · ausbildung · weiterbildung · studium 1 energieversorgung tag 4
TRANSCRIPT
BERUFS- UND STUDIENORIENTIERUNG · AUSBILDUNG · WEITERBILDUNG · STUDIUM
1
Energieversorgung
Tag 4
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich |
Gliederung
1. Akkutechnologien2. Traktionsbatterie vom Porsche3. Batteriemanagementsystem und Aufgaben
2
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich |
AbkürzungsverzeichnisBMS BATTERIEMANAGEMENTSYSTEMCC CONTROL CURRENTCV CONTROL VOLTAGEHV HOCHVOLTLi-Ion LITHIUM IONLIA LITHIUM ION AKKUNiCd NICKEL CADMIUMNiMh NICKEL METALL HYDRIDPFC POWER FACTOR CORRECTIONUSV UNTERBRECHUNGSFREIE
SPANNUNGSVERSORGUNGVKM VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINEZEBRA ZERO EMISSION BATTERY RESEARCH ACTICITY
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich |
1. AKKUTECHNOLOGIEN
4
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich |
Super Kondensatoren
Konden-satoren
Ragonediagramm - Energiespeicher allgemein
5
Ragonediagramm der Energiespeicher [1]
0.01 0.1 1 10 100 1000
106
105
104
1000
100
10
0
Spezifische Energie [Wh/kg]
Spez
ifisc
he L
eist
ung
[W/k
g]
1 h
1 min
1 s
0.0 1 sEnergiebereitstellung
Spezifische Energie und Leistung elektrischer Speicher
Batterien Brenn-stoff-zellen
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich |
Einteilung verschiedener Batteriesysteme nach ihren Einsatzgebieten
6
Einsatzgebiete verschiedener Batteriesysteme [2]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 7
Ragone-Diagramm (Traktionsbatterien)
Gravimetrisches Ragone-Diagramm für Traktionsbatterien [3]
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
120
100
80
60
40
20
0
0.5 h
Entla
deda
uer:
5 h
2 h
1 h
Li/Ion
Na/NiCl²
Ni/MHPb
Spezifische Leistung [W/kg]
Spez
ifisc
he E
nerg
ie [W
h/kg
]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 8
Energiedichten und Volumenvergleich
Volumenvergleich der meist verwendeten Technologien [4]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 9
Akkutechnologien ZEBRA-Batterie
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 10
Allgemeiner Aufbau
1: Stahlgehäuse
2: neg. Elektrode: Natrium (flüssig)
3: Festelektrolyte
4: Schmelzelektrolyte NaAlCl4
5: Nickel-Ableitkontakt
6: Positive Elektrode Nickelclorid/Nickel
Allgemeiner Aufbau einer ZEBRA Batteriezelle [5]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 11
ZEBRA-Batteriesystem
Aufbau eines Batteriesystems für ZEBRA Akkumulatoren [6]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 12
Funktionsweise
Das flüssige Natrium auf der negativen und Nickelclorid auf der positiven Seite reagieren bei Stromfluss miteinander durch das Durchtreten der Natriumionen durch den keramischen Elektrolythen zu Kochsalz (Ni + 2NaCl => NiCl2 + 2 Na):
Wegen dem Natrium: nie mit Wasser ein brennendes Auto löschen
Funktionsweise von ZEBRA Akkumulatoren [7]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 13
ZEBRA-Batterie
Vorteile:• vollständig entladbar• Wartungsfrei• Inhärente Sicherheit aufgrund des Stoffsystems• Überladung und Überentladung begrenzt möglich• Selbstüberbrückung ausgefallener Zellen begrenzt möglich (5-
8% der Zellen)• Kühlung der Batterie mit geringem VolumenstromNachteile:• kein konstanter Innenwiderstand• permanente Energiezufuhr für Temperierung der Batterie• Hoher Temperaturbereich
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 14
Ausgewählte Kenndaten der ZBRA-Batterie
Daten Batterie
Batterieart Natrium-Nickelchlorid-Bat.
Anzahl d. Zellen 204
Kapazität 76 Ah
Nennenergie 19,5 kWh
Leerlaufspannung 280 V
Betriebstemperatur 270 – 335 °C
Gewicht 183 kg
Kühlung Luft
Reichweite Ca. 115 km
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 15
Einsatzgebiete
ZEBRA Akkumulator [8]
Fiat Panda Panda Elettrica [9]
Renault Twingo Quickshift Elettrica [10]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 16
Akkutechnologien Lithium-Ionen-Akkumulator
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 17
Allgemeiner Aufbau
Zellenaufbau HEI 40 High Energy Zelle [11]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 18
Nennkapazität 40AhNennspannung 3,6Vmaximaler Ladestrom 4Cmaximaler Entladestrom 5CSEPARION – Separator
hohe Energiedichte hohe Zellenspannung geringe Selbstentladung hohe Zyklenstabilität hohe Strombelastbarkeit Preis / Verfügbarkeit ?
HEI 40 High Energy Zelle [12]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 19
Lithium-Ionen-Batteriesystem
Zwischenspeicher USV Starterbatterie
Battery Pack von Li-Tec [13]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 20
Funktionsprinzip
Funktionsprinzip einer Lithium Ionen Zelle [14]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich |
Aufbau einer Lithium-Ionen Zelle
21
Schichtaufbau einer Lithium Ionenzelle [15]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich |
Ersatzschaltbild einer Lithium Ionen Batterie
Rs: Innenwiderstand Rct1,Rct2: Elektrochemischer InnenwiderstandZw: Warburg Impedanz CPE1,CPE2: Doppelschichtkondensator der Pole
22
Rs
Rct1 Rct2 Zw
CPE1 CPE2
Ersatzschaltung einer Lithium Ionenzelle [16]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich |
PrimärbatterieHohe Zellspannung, je nach verwendetem Kathodenmaterial bis zu 4
VoltHohe spezifische Energie und Energiedichte von 300~400 Wh/kg bzw.
800 Wh/LGeringere Selbstentladung, bis 10 Jahre LagerfähigkeitWeiter Temperaturbereich von -40 Celsius Grad bis +70 Celsius Grad
23
Anwendungen der Lithium Batterie [17]
Lithium Ionen Batterie – Eigenschaften –
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich |
(Kathode: LiCoO2; Anode: Li-Graphit)
Sony: 1991 die erste Lithium-Ionen-Batterie in der CCD TR 18-mm-Videokamera
Lithium Ionen Batterie – Eigenschaften –
24
Schematischer Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle [18]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich |
Hohe Zellspannung von 3,6 Volt bis 4,2 Volt Hohe Leistungsdichte von 300 bis 1500 W/kg Hohe Energiedichte von 95 bis 190 Wh/kg, doppelt so hoch wie Nickel-Cadmium-Akku Geringere Selbstentladung, 1% - 5% per Tag bei NiMH und NiCd, 5% - 10% per Monat
bei Li-Ionen-Batterie Keinen Memory-Effekt Bis 10.000 Zyklen
Lithium Ionen Batterie – Eigenschaften –
25
Vergleich von Leistungs- und Energiedichte einiger Energiespeicher [19]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 26
Messplatz
Li-Ionen Batterie4,2V, 40Ah
V
A
Elektrische LastH&H GmbH, Typ: DC Load
0-60V, 0-200A
USB Schnittstelle
Aufladenschalter Entladenschalter
LadegerätDelta Elektronika
Power Supply SM70-AR-24 Digital Oscilloscope
I
t
I
t
Trigger
PC mitProfilab &
Labview
Aufbau des Messplatzes [20]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich |
Aufladung der Batterie
Ladespannung
3. 7
3. 8
3. 9
4
4. 1
4. 2
0: 00: 00 0: 28: 48 0: 57: 36 1: 26: 24
Zei t [s]Sp
annu
ng [
V]
Ladestrom
0
5
10
15
20
25
0: 00: 00 0: 28: 48 0: 57: 36 1: 26: 24Zei t [s]
Stro
m [A
]
27
Strom und Spannung der Batterie bei Ladevorgang [21]
I-U Ladung
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich |
Entladung der Batterie
Entl adungsspannung
3
3. 25
3. 5
3. 75
4
4. 25
0: 00: 00 0: 14: 24 0: 28: 48 0: 43: 12 0: 57: 36Zei t [s]
Span
nung
[V]
28
Spannung der Batterie bei Entladevorgang [22]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich |
Entladung der Batterie
Zeit [s]
Zeit [s]
Spa
nnun
g [V
]
Spa
nnun
g [V
]Zeit [s]
29
Zellespannung unter verschiedener Belastungen (C = 15Ah) [23]
Zellespannung mit verschiedener Ladezustände (ILast = 100A) [24]
I-U Entladung
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich |
Modellansatz der Batterie
Lineares Batteriemodell
U0
Rin
UKl
Thevenin Batteriemodell
Ideales Batteriemodell
Rohm
U0
CpUKl
Rp
30
Verschiedene Ansätze des Batteriemodells [25]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich |
CONS T
T_25
10
T_Batterie
10U_Batterie
10
SOC
+ V
E1
Rp
Rohm
Cp
VM1
A AM1
EQU
Plus
Minus
10Strom
10Spannung
10
soc_nachgefuehrt
soc_Ri1
nInputs
mValues
x 1 x 2 y 1
U_soc
P-Glied
Tk_soc
P-Glied
Tk_U0
CONS T
U_min
P-Glied
Rueckrechnung
P-Glied
Proz_100
I-Glied
INTG1
Multi
CONS T
Kn
CONS T
Add_eins
P-Glied
Tk_Gf akt TBatt_Ri
soc_2P-Glied
Faktor_2 soc_Ri
P-Glied
Faktor_1
Rec
Li_Ri
Bildung_Rp
nIn puts
mValues
x1 x 2 y 1
Rohm_gemessen
MUL1
SUM1
nIn puts
mValues
x1 x 2 y 1
Bildung_Ri
deltaD
nIn puts
mValues
x1 x 2 y 1
Cp_gemessen
deltaCBildung_soc
Bildung_U0
-
Ri
nInputs
mValues
x 1 x2 y 1
Korrekturglied_SOC_Anpassung
SUM2
nIn puts
mValues
x1 x 2 y 1
Korrekturglied_Cp_Anpassung Bildung_Cp
SUM4
-
Bildung_Cp
Bildung Cp
Bildung_Ri
Bildung_soc
Erstatzschaltung der Batterie
Bildung_Uo
Bildung_Rohm
Simulationsansatz
31
Entwickeltes Batteriemodell [26]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich |
Bibliothek
BibliothekBauelmente
Warnungen, Fehler und Statusmeldungen
Zeichnungs- bereich Wekzeuge
Leiste
Simulationswerkzeug Simplorer
32
SIMPLORER Schematic [27]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich |
Lithium-Ionen
Batterie I
+ VVM1 NEG
Yt
Stromverlauf NEG
Last
Lithium-Ionen
Batterie I
+ VVM1 NEG
Yt
Stromverlauf NEG
Last
Simulationsumgebung Simplorer
33
Batteriemodell mit Stromlast [29]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich |
Zeit [s]
Spannung [V
]
Zeit [s]
Spannung [V
]
Zeit [s]
Spannung [V
]
Zeit [s]
Spannung [V
]
Zeit [s]
Spannung [V
]
Zeit [s]
Spannung
[V]
Simulationsergebnisse
34
Gemessene und simulierte Spannungsverläufe mit verschiedener Ladezustände (ILast = 100A) [29]
Gemessene und simulierte Spannungsverläufe unter verschiedener Lastströme (C = 40Ah) [30]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 35
Spannungsbereich für LIA
Zugelassener Arbeitsbereich mit Gefahrenbereich [31]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 36
Verschiedene Bauvarianten
6831 Zellen
102 Zellen20 Ah – Zelle [32] HEI40 40Ah Zelle [33]
Thundersky 40Ah Zelle [34]
2.4 Ah – Tesla Zelle [35]
Tesla Roadster [36]
In-ECO der TU-Dresden [37]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 37
Batterieübersicht
Vergleich verschiedener Batteriesysteme [38]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 38
Akku-Systeme - Kraftstofftank
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Blei NiCd/NiH ZnBr NaS Li Kraftst.-Tank
theoretische Energiedichte
praktische Energiedichte in Wh/kg
Vergleich Akkusysteme und Kraftstofftank [39]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 39
Elektrochemische Spannungsquellen
Blei sehr preiswert; leicht herstellbar; aber umweltschädlich150 Jahre alt bewährt wird bleiben1890 1. Hagenakkufabrik gebaut1957 1. wartungsunabhängiger Bleiakku, wenig später 1.
wartungsfreier AkkuNiCd lange Lebensdauer (ein Autoleben lang);
Ladespannung ungleich Nutzspannung>12V 12Vgroßer Innenwiderstand schlechtes Startverhaltenim Kfz nicht einsetzbar
ZnBr Zn muss gewechselt werden, umweltschädlich
NaS zu hohe Kosten, Betrieb bei 300°CNa/ NiCl2 ‚Zebra’ HTWingo robust und im Militär eingesetzt, kein Memory Effekt;
Zellen haben eine begrenzte Lebensdauer aufgrund des Aufbaus.Li-ion Wird in Verbindung mit anderen Metallen sehr viel eingesetzt.
Einsatz erweitert sich auf Traktionsakkumulatoren und Zwischenspeicher.
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 40
Ladekurve (Auszug Datenblatt - HEI40)
Ladecharakteristik einer HEI40 Li-Tec Zelle [40]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 41
Entladekurve (Auszug Datenblatt – HEI40)
Entladecharakteristik einer HEI40 Li-Tec Zelle [41]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 42
Zyklenfestigkeit (Auszug Datenblatt – HEI40)
Zyklenfestigkeit einer HEI40 Li-Tec Zelle [42]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | 43
2. TRAKTIONSBATTERIEVOM PORSCHE
Wo liegt das Problem ?
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 44
Hochvoltbatterie
Grundlegendes
Die Speicherung größerer Mengen elektrischer Energie ist zurzeit nicht befriedigend
gelöst. Während die direkte Speicherung (physikalisch) nur in Kondensatoren möglich ist,
wird in allen Batterien die Elektrizität als chemische Energie gespeichert. Dieser „Umweg”
ist zurzeit deutlich sinnvoller als die Kondensatorvariante. Auch in den „Supercaps”
(Super-Kondensatoren) ist nur die Speicherung sehr begrenzter Mengen von Elektrizität
möglich. Die Zellenspannung einer einzelnen Batterie-Zelle ist chemisch begründet
und liegt im Bereich < 2 Volt. Zum Erreichen höherer Spannungen werden daherin allen Hochvolt-Batterien mehrere Zellen in Reihe geschaltet. In der Hochvolt-
Batteriedes Cayenne S Hybrid werden Module à 6 Zellen in Reihe geschaltet (7,2V).40 dieser Module sind wiederum in Reihe geschaltet, so dass sich eine
Gesamtspannungvon 288 Volt ergibt.
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 45
Veranschaulichung einiger Batteriegrößen
Die im Porsche Cayenne S Hybrid verbaute 12-Volt-AGM-Batterie besitzt eine elektrische Kapazität von 80 Amperestunden (Ah) bei 12 Volt. Es ergibt sich daraus eine elektrische Arbeit oder ein Energiegehalt von:
960 Wattstunden (Wh), also ca. 1 kWh bei 12 V Nennspannung.
Die verbaute Nickel-Metallhydrid-Hochvolt-Batterie im Fahrzeugheck besitzt einen gesamten Energiegehalt von:
ca. 1,7 kWh bei einer Nennspannung von 288 Volt.Die angegebene Leistung beträgt:ca. 38 kW und hat eine Kapazität von ca. 5,5 Ah.
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 46
HV-Batterie
1) HV-Batterie2) Zuluftkanäle (aus dem Innenraum) 3) Service Stecker (auf der E-Box)4) Hochvolt-Anschlüsse5) Gehäuse für 2 Elektrolüfter6) Rahmen Protect-Box
2
16
5
3
4
HV-Batterie unter dem Kofferraum des Porsche Cayenne [43]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 47
Batteriekenndaten
Merkmal Wert/Beschreibung
Merkmal Wert/Beschreibung
Batterieart Nickel-Metallhydrid
Gewicht ca. 80 kg
Leistung 38 kW (elektrisch)
Arbeitsbereichbei max. Leistung
10 - 38 °C (für reinen Motorstart > -30 °C)
Energiegehalt 1,7 kWh Abmessungen Länge 347 mmBreite 633 mmHöhe 291 mm
Spannung 288 V Wirkungsgrad ca. 90 %
Zellenanzahl 240 (à 1,2 Volt) Kühlung Kühlluft aus Fahrzeuginnenraum
Die Organisation der Batterie ist aus Sicherheitsgründen in 2 mal 140 Zellen realisiert.Jeweils 10 Zellen sind zu einem Modul zusammengefasst. Damit entstehen2 x 144 Volt, die über den Service Stecker in Reihe geschaltet werden und somitdie Gesamtspannung von 288 Volt ergeben. Batteriekenndaten Porsche Cayenne [44]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 48
Li-Ionen-Batterien• Bei einer Lithium-Ionen-Batterie wird die Quellenspannung der
einzelnen Zelle durch das Wandern positiv geladener Lithium-Atome (=Lithium-Ionen) erzeugt.
• Als Material für die positive Elektrode kommen Lithiumoxide (Lithium-Sauerstoff-Verbindung) zum Einsatz.
• Für die negative Elektrode häufig Graphit.• Beim Ladevorgang wandern positive Lithium-Ionen von der
positiven Elektrode in die Graphitschichten der negativen Elektrode. Dadurch entsteht der Ladungsüberschuss, der als Quellenspannung der einzelnen Zelle gemessen werden kann. Beim Entladevorgang entsprechend anders herum.
• Lithium ist hochreaktiv und reagiert im Unterschied zu Nickel viel leichter mit anderen Stoffen. Dies führt zum einen zu einer deutlich höheren Energiedichte einer Lithium-Ionen-Batterie (ca. 150 Wh/kg), zum anderen zu aufwändigen internen Schutzmaßnahmen, welche die Batterie z.B. vor einer Tiefentladung schützen müssen.
• In der Anfangsphase der Entwicklung kam es in der Unterhaltungselektronik aus diesen Gründen vereinzelt zu Problemen, weil unzureichende Schutzmaßnahmen ergriffen worden waren.
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 49
Lithium-Ionen-Batterien
• Aktuell sind Lithium-Ionen-Batterien in der Unterhaltungselektronik sehr weit verbreitet. Als Hochvolt-Energiespeicher der Hybridtechnologie besitzt die Nickel-Metallhydrid-Batterie aufgrund ihres deutlichen Entwicklungsvorsprungs, ihrer Sicherheitsvorteile und des günstigeren Preises noch einige Vorteile.
• Beide beschriebenen Batterieformen reagieren sehr empfindlich auf Überladung oder Tiefentladung. Die dabei ablaufenden chemischen Prozesse im Inneren der Zelle sind nicht wieder umkehrbar. Bei der Lithium-Ionen-Batterie treten außerdem bei Tiefentladung leitende Verbindungen auf, die ein Überhitzen der Batterie zur Folge haben kann. Die zur Verfügung stehende Gesamtkapazität der Nickel-Metallhydrid-Batterie sinkt dauerhaft mit jedem Lade-/Entladevorgang, der gewisse Grenzen überschreitet. Aus diesen Gründen ist es üblich, den „Hub” (genutzte Bandbreite des Gesamt Energiegehaltes) durch das Batteriemanagement zu beschränken. Die Alterung der HV-Batterie geht in sehr kleinen Schritten voran und ist vom Fahrer nicht wahrnehmbar. In den Porsche Hybridantrieben ist die HV-Batterie auf ahrzeuglebensdauer ausgelegt.
• Batterien erreichen ihre maximale Leistung in einem festgelegten Temperaturbereich. Dieser liegt bei der im Porsche Cayenne S Hybrid verwendeten HV-Batterie zwischen +10°C und +37°C. Zu tiefe Temperaturen werden durch die geschützte Einbaulage verhindert. Darüber hinaus kann die HV-Batterie aktiv mit einer Puls- Ladung/Entladung beaufschlagt werden, um ihre optimale Betriebstemperatur zu erreichen. Der Schutz vor zu hohen Temperaturen wird durch eine Luftkühlung erreicht.
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 50
Temperaturmanagement
1) Öffnung zum Fahrzeuginnenraum unter der Rücksitzbank
2) Zuluftkanäle3) Elektro-Lüfter4) HV-Leitungen zur Leistungselektronik
12
3
4
Quelle: Porsche AG
Luftumspühlung der HV-Batterie des Porsche Cayenne [45]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich |
3. BMS UND AUFGABEN
Batteriemanagementsystem
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 52
Temperaturmanagement
1
2
3
3
4 5
6 7 8
DME-Motorsteuergerät
Laden
Entladen
Laden1) Aufwärmstrategie (Warm-
pulsen)2) keine Einschränkungen3) Beschränkungen auf 6A
Ladestrom4) Rekuperation reduzieren
Entladen1) Aufwärmstrategie (Warm-
pulsen)2) nur Start-Stop-Betrieb3) keine Einschränkungen4) Boosten reduzieren5) E-Fahren reduzieren6) nur noch Motorwiederstart
im Start-Stop-BetriebBetriebstemperaturen der HV-Batterie des Porsche Cayenne und Motorsteuergerät [46]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich | Folie: 53
Batteriesystem Allgemein
Potential der Batterie voll auszuschöpfenBatterieschädigende Betriebszustände verhindernLebensdauer maximierenBatteriekosten senken
• Einflussmöglichkeiten:Nicht auf interne Parameter wie Gitterstruktur, Fertigungsqualität …Durch die vier Größen Spannung, Strom, Temperatur und Zeit kann man Schlüsse hinsichtlich der Betriebsqualität einer Batterie ziehen und somit verbessern.
Batteriesystem allgemein [47]
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich |
Diskussion
Danke für Ihre Aufmerksamkeit
Folie: 54
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich |
Abbildungsverzeichnis / Quellennachweis
[1] Ragonediagramm der Energiespeicher, Quelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:LIC-Leistungs-und-Energiedichte-Diagramm.png, Stand: 07.04.2012
[2] Gravimetrisches Ragone-Diagramm für Traktionsbatterien, Quelle: http://www.elektromobilitaet-praxis.de/akkutechnik/ Stand: 13.05.2013
[3] Einsatzgebiete verschiedener Batteriesysteme, Quelle: http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Energiedichte-energy-density.html, Stand: 01.07.2011
[4] Volumenvergleich der meist verwendeten Technologien, Quelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Effizienzvergleich_-_Diesel_Batterie.pdf, Stand: 03.11.2012
[5] Allgemeiner Aufbau einer ZEBRA Batteriezelle, Quelle 2: de.wikipedia.org/wiki/Natrium-Schwefel-Akkumulator, Stand: 15.12.2013
[6] Aufbau eines Batteriesystems für ZEBRA Akkumulatoren, Quelle 3: MES-DEA , Stand: 04.02.2009[7] ZEBRA Akkumulator, Quelle 4: http://www.e-mobile.ch/pdf/2008/Fact-Sheet_PandaElettrica-2008_D.pdf[9] Fiat Panda Panda Elettrica, Quelle: HTW Dresden, Stand: 11.01.2009[10] Renault Twingo Quickshift Elettrica, Quelle: HTW Dresden, Stand: 02.02.2009[11] Zellenaufbau HEI 40 High Energy Zelle, Quelle: Li-Tec Battery GmbH, Stand: 07.10.2012[12] HEI 40 High Energy Zelle, Quelle: Li-Tec Battery GmbH, Stand: 04.12.2010[13] Battery Pack von Li-Tec, Quelle: Li-Tec Battery GmbH, Stand: 22.01.2009[14] Funktionsprinzip einer Lithium Ionen Zelle, Quelle 7: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Li-Ion-
Zelle_%28CoO2-Carbon,_Schema%29.svg, Stand: 21.12.2013[15] Schichtaufbau einer Lithium Ionenzelle, Quelle 8: Sony
55
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich |
Abbildungsverzeichnis / Quellennachweis
[16] Ersatzschaltung einer Lithium Ionenzelle, Quelle: HTW Dresden, Stand: 13.07.2009[17] Anwendungen der Lithium Batterie, Quelle: HTW Dresden, Stand: 13.07.2009[18] Schematischer Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle, Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Li-
Ion-Zelle_%28CoO2-Carbon,_Schema%29.svg, Stand: 21.12.2013[19] Vergleich von Leistungs- und Energiedichte einiger Energiespeicher, Quelle:
https://de.wikipedia.org/wiki/Ragone-Diagramm, Stand: 20.12.2013[20] Aufbau des Messplatzes, Quelle: HTW Dresden, Stand: 13.07.2009[21] Strom und Spannung der Batterie bei Ladevorgang, Quelle: HTW Dresden, Stand: 10.07.2009 [22] Spannung der Batterie bei Entladevorgang, Quelle: HTW Dresden, Stand: 10.07.2009[23] Zellespannung unter verschiedener Belastungen (C = 15Ah), Quelle: HTW Dresden, Stand: 05.06.2009[24] Zellespannung mit verschiedener Ladezustände (ILast = 100A), Quelle: HTW Dresden, Stand: 10.06.2009[25] Verschiedene Ansätze des Batteriemodells, Quelle: HTW Dresden, Stand: 09.06.2009[26] Entwickeltes Batteriemodell, Quelle: HTW Dresden, Stand: 23.05.2009[27] SIMPLORER Schematic, Quelle: HTW Dresden, Stand: 11.06.2009[28] Batteriemodell mit Stromlast, Quelle: HTW Dresden, Stand: 10.05.2009[29] Gemessene und simulierte Spannungsverläufe mit verschiedener Ladezustände (ILast = 100A), Quelle:
HTW Dresden, Stand: 20.07.2009[30] Gemessene und simulierte Spannungsverläufe unter verschiedener Lastströme (soc = 40Ah), Quelle:
HTW Dresden, Stand: 20.07.2009
56
| Labor Elektrische Mobilität | Allgemeine Angaben | Rene Budich |
Abbildungsverzeichnis / Quellennachweis
[31] Zugelassener Arbeitsbereich mit Gefahrenbereich, Quelle: www.cen.acs.org/articles[32] 20 Ah – Zelle, Quelle 11: Fa. A123[33] HEI40 40Ah Zelle, Quelle: Li-Tec Battery GmbH, Stand: 01.02.2009[34] Thundersky 40Ah Zelle, Quelle 12: Fa. Thundersky[35] 2.4 Ah – Tesla Zelle, Quelle 13: Fa. UltraFire[36] Tesla Roadster, Quelle 14: http://diepresse.com[37] In-ECO der TU-Dresden, Quelle 15: www.autobild.de (TU-Dresden)[38] Vergleich verschiedener Batteriesysteme, Quelle 16: Weydanz/Jossen – Moderne Akkumulatoren richtig
einsetzen, 02.01.2006.[39] Vergleich Akkusysteme und Kraftstofftank, Quelle:
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Effizienzvergleich_-_Diesel_Batterie.pdf. Stand: 19.12.2013[40] Ladecharakteristik einer HEI40 Li-Tec Zelle, Quelle: Li-Tec Battery GmbH, Stand: 08.10.2009[41] Entladecharakteristik einer HEI40 Li-Tec Zelle, Quelle: Li-Tec Battery GmbH, Stand: 08.10.2009[42] Zyklenfestigkeit einer HEI40 Li-Tec Zelle, Quelle: Li-Tec Battery GmbH, Stand: 08.10.2009 [43] HV-Batterie unter dem Kofferraum des Porsche Cayenne, Quelle: Porsche AG[44] Batteriekenndaten Porsche Cayenne, Quelle: Porsche AG[45] Luftumspühlung der HV-Batterie des Porsche Cayenne, Quelle: Porsche AG[46] Betriebstemperaturen der HV-Batterie des Porsche Cayenne und Motorsteuergerät, Quelle: Porsche AG[47] Batteriesystem allgemein, Quelle: HTW Dresden. Stand: 13.12.2013
57