Tag 4 Energieversorgung.

Präsentation zum Thema: "Tag 4 Energieversorgung."—  Präsentation transkript:

1 Tag 4 Energieversorgung

2 Gliederung Akkutechnologien
Traktionsbatterie am Beispiel Porsche Cayenne Batteriemanagementsystem und Aufgaben

3 Abkürzungsverzeichnis
BMS BATTERIEMANAGEMENTSYSTEM CC CONTROL CURRENT CV CONTROL VOLTAGE HV HOCHVOLT Li-Ion LITHIUM ION LIA LITHIUM ION AKKU NiCd NICKEL CADMIUM NiMh NICKEL METALL HYDRID PFC POWER FACTOR CORRECTION USV UNTERBRECHUNGSFREIE SPANNUNGSVERSORGUNG VKM VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINE ZEBRA ZERO EMISSION BATTERY RESEARCH ACTICITY

4 1. Akkutechnologien

5 Ragonediagramm - Energiespeicher allgemein
Spezifische Energie und Leistung elektrischer Speicher 106 105 104 1000 100 10 Spezifische Energie [Wh/kg] Spezifische Leistung [W/kg] 1 h 1 min 1 s 0.0 1 s Energiebereitstellung Konden-satoren Super Kondensatoren Batterien Brenn-stoff-zellen Ragonediagramm der Energiespeicher [1]

6 Elektrochemische Spannungsquellen
Blei sehr preiswert; leicht herstellbar; aber umweltschädlich 150 Jahre alt  bewährt  wird bleiben Hagenakkufabrik gebaut wartungsunabhängiger Bleiakku, wenig später 1. wartungsfreier Akku NiCd lange Lebensdauer (ein Autoleben lang); Ladespannung ungleich Nutzspannung >12V 12V großer Innenwiderstand  schlechtes Startverhalten im Kfz nicht einsetzbar ZnBr Zn muss gewechselt werden, umweltschädlich NaS zu hohe Kosten, Betrieb bei 300°C Na/ NiCl2 auch Zebra’ genannt, 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.

7 Ragone-Diagramm (Chemische Energiespeicher)
120 100 80 60 40 20 0.5 h Entladedauer: 5 h 2 h 1 h Li/Ion Na/NiCl² Ni/MH Pb Spezifische Leistung [W/kg] Spezifische Energie [Wh/kg] Gravimetrisches Ragone-Diagramm für Traktionsbatterien [3]

8 Einteilung verschiedener Batteriesysteme nach ihren Einsatzgebieten
Einsatzgebiete verschiedener Batteriesysteme [2]

9 Energiedichten und Volumenvergleich
Volumenvergleich der meist verwendeten Technologien [4]

10 Akkutechnologien ZEBRA-Batterie

11 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] Der Südafrikaner Johan Coetzer gab der von ihm am CSIR in Pretoria entwickelten Batterie den Namen seines Lieblingstieres, dem Zebra, wobei ZEBRA für Zeolite Battery Research Africa Project stand, aber auch als Zero Emission Battery Research Activity erklärt wird

12 ZEBRA-Batteriesystem
Aufbau eines Batteriesystems für ZEBRA Akkumulatoren [6]

13 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): Die Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie hat als negative Elektrode Natrium und als positive Elektrode Nickel-Chlorid (beide im Betrieb flüssig). Neben einem keramischen Elektrolyten kommt noch ein Hilfselektrolyt zum Einsatz (NaAlCl4). An der Entladereaktion nehmen aber nur die Elektroden teil. Die Na+-Ionen wandern durch die Elektrolyte zur positiven Elektrode und reagieren dort mit dem Nickelchlorid zu Kochsalz und Nickel . Funktionsweise von ZEBRA Akkumulatoren [7] Wegen Natriumeinsatz: nie mit Wasser ein brennendes Auto löschen

14 ZEBRA-Batterie Vorteile: vollständig entladbar Wartungsfrei
Inhärente Sicherheit aufgrund des Stoffsystems Überladung und Überentladung begrenzt möglich Kühlung der Batterie mit geringem Volumenstrom Nachteile: kein konstanter Innenwiderstand permanente Energiezufuhr für Temperierung der Batterie Hoher Temperaturbereich (ca. 300 °C)

15 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

16 Einsatzgebiete Fiat Panda Panda Elettrica [9] ZEBRA Akkumulator [8]
Andere Einsatzgebiete der ZEBRA Technologie sind Felder in denen Robustheit und Langlebigkeit gefordert wird. (Militärtechnik) Bonus:material: Renault Twingo Quickshift Elettrica [10]

17 Lithium-Ionen-Akkumulator
Akkutechnologien Lithium-Ionen-Akkumulator

18 Allgemeiner Aufbau Zellenaufbau HEI 40 High Energy Zelle [11]

19  geringe Selbstentladung  hohe Zyklenstabilität
Nennkapazität 40Ah Nennspannung 3,6V maximaler Ladestrom 4C maximaler Entladestrom 5C SEPARION – Separator  hohe Energiedichte  hohe Zellenspannung  geringe Selbstentladung  hohe Zyklenstabilität  hohe Strombelastbarkeit  Preis / Verfügbarkeit ? HEI 40 High Energy Zelle [12]

20 Funktionsprinzip Funktionsprinzip einer Lithium Ionen Zelle [14]
Die sehr kleinen Lithiumatome wandern hier als Ladungsträger durch das Elektrolyt zu den Kohlenstoffatomen. Dabei wird die Batterie entladen. Das Metall ist zumeist Eisen oder Mangan, das mit Sauerstoff oxidiert ist und Lithium eingelagert hat. Beim Laden des Akkumulators wandern die Lithiumionen wieder durch das Elektrolyt zum Metaloxidgitter zurück. Funktionsprinzip einer Lithium Ionen Zelle [14]

21 Aufbau einer Lithium-Ionen Zelle
Der Separator ist Ionendurchlässig, aber nicht Stromdurchlässig. Würde das so sein, könnte die Spannung der Zelle nicht aufrecht gehalten werden. Dass möglichst eine große Oberfläche der Anode oder Kathode genutzt werden kann, sind Stromsammler eingefügt, die auf der Fläche gleichverteilt Elektronen zur Verfügung stellen. Schichtaufbau einer Lithium Ionenzelle [15]

22 Ersatzschaltbild einer Lithium Ionen Batterie
Rct1 Rct2 Zw CPE1 CPE2 Rs: Innenwiderstand Rct1,Rct2: Elektrochemischer Innenwiderstand Zw: Warburg-Impedanz CPE1,CPE2: Doppelschichtkondensator der Pole Vereinfachte!!!!!!! Ersatzschaltung von Lithium-Ionen Batterie Ersatzschaltung einer Lithium Ionenzelle [16]

23 Lithium Ionen Batterie – Eigenschaften –
Primärbatterie Hohe Zellspannung, je nach verwendetem Kathodenmaterial bis zu 4 Volt Hohe spezifische Energie und Energiedichte von 300~400 Wh/kg bzw. 800 Wh/L Geringere Selbstentladung, bis 10 Jahre Lagerfähigkeit Weiter Temperaturbereich von -40 Celsius Grad bis +70 Celsius Grad Anwendungen der Lithium Batterie [17]

24 Lithium Ionen Batterie – Eigenschaften –
Sony: 1991 die erste Lithium-Ionen-Batterie in der CCD TR 18-mm-Videokamera (Kathode: LiCoO2; Anode: Li-Graphit) Schematischer Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle [18]

25 Lithium Ionen Batterie – Eigenschaften –
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 Zyklen Vergleich von Leistungs- und Energiedichte einiger Energiespeicher [19]

26 Messaufbau zur Untersuchung von versch. Batterietechnologien
Li-Ionen Batterie 4,2V, 40Ah V A Elektrische Last H&H GmbH, Typ: DC Load 0-60V, 0-200A USB Schnittstelle Aufladenschalter Entladenschalter Ladegerät Delta Elektronika Power Supply SM70-AR-24 Digital Oscilloscope I t Trigger PC mit Profilab & Labview Das ist der Messplatz und damit die Anordnung zum Laden und zum Entladen der Batterie. Über eine USB Schnittstelle werden die Geräte angesteuert. Mittels einer PC Softwareprogramm, das auf Labview oder Profilab läuft wird die gewünschte Prozedur oder der Zyklus abgefahren. Die gemessenen Spannungs- und Stromwerte an der Li-Ionen Batterie werden als Werte erfasst, um diese danach geeignet darzustellen. Mit dem Oszilloskop können die Spannungswerte direkt angezeigt werden. Aufbau des Messplatzes [20]

27 Aufladung eines Lithium Ionen Akkumulators
I-U Ladung Bei der I-U Kennlinie beim Laden kann man schön den konstanten Strom sehen, während die Spannung der Batterie langsam sich erhöht. Ist eine bestimmte Spannung erreicht reduziert sich der Ladestrom. Die Ladespannung ist nun konstant. Die Differenz zwischen der eingestellten Ladespannung und der Batteriespannung treibt den Strom weiter in die Batterie, bis diese sich angeglichen haben und die ladeschussspannung erreicht ist. Strom und Spannung der Batterie bei Ladevorgang [21]

28 Entladung eines Lithium Ionen Akkumulators I
Das ist eine Entladecharakteristik einer Lithium Ionen Batterie. Der Entladestrom blieb konstant. Spannung der Batterie bei Entladevorgang [22]

29 Entladung eines Lithium Ionen Akkumulators II
I-U Entladung Spannung [V] Spannung [V] Zeit [s] Zeit [s] Zeit [s] Dies verdeutlicht die Spannungseinbrüche bei Nominalspannung von 3,6 V bei verschiedenen Belastungen (20 A – 200 A). Rechts ist es die selbe Belastung (100 A) aber verschiedene Anfangsspannungen. Aus diesen Diagrammen können Innenwiderstände und Spannungsstabilität herausgelesen werden. Zellespannung unter verschiedener Belastungen (C = 15Ah) [23] Zellespannung mit verschiedener Ladezustände (ILast = 100A) [24]

30 Modellansatz der Batterie
Allgemine lineares Batteriemodell Ideales Batteriemodell Thevenin-Batteriemodell U0 Rin UKl Rohm U0 Cp UKl Rp Für den Ansatz zur Simulation einer Batterie gibt es verschieden einfache Batteriemodelle. Hier ist das Thevenin Modell mehr dem wirklichen Batterieverhalten angeglichen, um diese simulieren zu können. Die Eingangskapazität wird hier mit integriert. Verschiedene Ansätze des Batteriemodells [25]

31 Erstatzschaltung der Batterie
Simulationsansatz Bildung_Cp Bildung Cp Bildung_Rohm Erstatzschaltung der Batterie Bildung_Ri Bildung_soc Das Batteriemodell ist gebildet worden und dazu werden verschiedene Berechnungen ausprobiert: SOC : Ladezustand; Gesammtspannung: Uo Bildung_Uo Entwickeltes Batteriemodell [26]

32 Simulationswerkzeug Simplorer
Zeichnungs- bereich Bibliothek Wekzeuge Leiste Bibliothek Bauelmente Simulation mit Simplorer (Programm für die Simulation von Leistungselektronik) Warnungen, Fehler und Statusmeldungen SIMPLORER Schematic [27]

33 Simulationsumgebung Simplorer
Last Last Objekteingenschaften … Batteriemodell mit Stromlast [29]

34 Simulationsergebnisse
Zeit [s] Spannung [V] Spannung [V] Spannung [V] Spannung [V] Spannung [V] Spannung [V] Zeit [s] Zeit [s] Zeit [s] Zeit [s] Zeit [s] Man kann eine kleine Abweichung der Realien Batterie bei Belastung und der Simulation erkennen: Die simulierte Batterie bricht weiter ein. Ein indiez auf hohes Alter der Batterie. Gemessene und simulierte Spannungsverläufe mit verschiedener Ladezustände (ILast = 100A) [29] Gemessene und simulierte Spannungsverläufe unter verschiedener Lastströme (C = 40Ah) [30]

35 Spannungsbereich für LIA
Zugelassener kleiner Spannugsbereich für Li-Ionen Akkumulatoren Zugelassener Arbeitsbereich mit Gefahrenbereich [31]

36 Verschiedene Bauvarianten
2.4 Ah – Tesla Zelle [35] 6831 Zellen 102 Zellen 20 Ah – Zelle [32] HEI40 40Ah Zelle [33] Tesla Roadster [36] Thunderky Zellen sind im City Sax verbaut A123 – Zellen sind im Opel Ampera verbaut 6831 Zellen Tesla Roadstar (Ultrafire) Thundersky 40Ah Zelle [34] In-ECO der TU-Dresden [37]

37 Batterieübersicht Vergleich verschiedener Batteriesysteme [38]

38 Akku-Systeme - Kraftstofftank
Die Energiedichte von Kraftstoff ist signifikant größer als der der Batterietechnologien. Auch die praktische Energiedichte ist x kleiner als die praktische. Nur durch die hohen Wirkungsgrade der Elektromaschine wird dies realitiviert. Energiedichte von Lithim Akku: 135 Wh/kg. Das ist 1/100 von der Energiedichte des Kraftstoffs. Vergleich Akkusysteme und Kraftstofftank [39]

39 Ladekurve (Auszug Datenblatt - HEI40)
Man kann erkennen, dass es ein Akkumulator von 40 Ah ist, denn in einer Stunde geladen mit 40 A ist dieser dann voll. Dies ist 1C (Kapazität/Ladestrom). Die HEI40 kann bis zu 5C (200 A) für 5 sek. be- und entladen werden. Somit ist dies eine Zelle für Industrie oder Automotive Anforderungen geeignet. Ladecharakteristik einer HEI40 Li-Tec Zelle [40]

40 Entladekurve (Auszug Datenblatt – HEI40)
Hier ist die HEI40 Zelle mit unterschiedlichen Stromstärken belastet worden. Durch die hohe Belastung sinkt die Klemmspannung und die Kapazität nimmt augenscheinlich ab. Dies sind alles Testwerte bei Raumtemperatur. Ab 0 °C sollte man diesen Batterietyp laut Datenblatt nicht mehr laden. Bei niedrigen Temperaturen wird das Elektrolyt träger und die Kapazität sinkt (d. h. im Bezug zu Raumtemperatur). Die HEI40 kann bis zu 5C (200 A) be- und entladen werden. Somit ist dies eine Zelle für Industrie oder Automotive Anforderungen geeignet. Entladecharakteristik einer HEI40 Li-Tec Zelle [41]

41 Zyklenfestigkeit (Auszug Datenblatt – HEI40)
Die Zyklenfestigkeit einer Zelle gibt an, wann diese nur noch 80% der Nennkapazität erreicht hat. Qualitativ hochwertige Zellen haben eine Zyklenfestigkeit von Die hier dargestellte HEI40 hat eine Zyklenfestigkeit von ca Zyklen. Somit ist dies eine Zelle für Industrie oder Automotive Anforderungen geeignet. Zyklenfestigkeit einer HEI40 Li-Tec Zelle [42]

42 2. Traktionsbatterie Beim Porsche Cayenne
Wo liegt das Problem ? 2. Traktionsbatterie Beim Porsche Cayenne

43 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 daher in allen Hochvolt-Batterien mehrere Zellen in Reihe geschaltet. In der Hochvolt-Batterie des 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 Gesamtspannung von 288 Volt ergibt.

44 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. Wird eine elektrische Leistung P über einen Zeitraum (t=Time) abgegeben oder aufgenommen, so ist elektrische Arbeit (W=Work) verrichtet worden. Die elektrische Arbeit W ist folglich das Produkt aus Leistung und Zeit ( W = P x t ). Sie wird auch als Energiegehalt bezeichnet, da sie das Maß für die entnehmbare Energie ist. Bei 12-Volt-Batterien wird üblicherweise nicht die elektrische Arbeit W in Watt stunden (Wh) oder Kilowattstunden (kWh), sondern die elektrische Kapazität C in Amperestunden (Ah) angegeben. Die Bedeutung ist vergleichbar. Wird die elektrische Kapazität mit der Batteriespannung multipliziert, kommt man zur elektrischen Arbeit ( W = C x t ).

45 HV-Batterie am Beispiel Porsche Cayenne
2 1 6 5 3 4 HV-Batterie Zuluftkanäle (aus dem Innenraum) Service Stecker (auf der E-Box) Hochvolt-Anschlüsse Gehäuse für 2 Elektrolüfter Rahmen Protect-Box Hochvolt-Batterie Im Cayenne S Hybrid kommt eine Nickel-Metallhydrid-Batterie zum Einsatz, die speziell hinsichtlich der Betriebssicherheit, der Langlebigkeit und auch der Kosten überzeugt und eine bewährte Technologie darstellt. Die NiMh-Batterie ist in der Reserveradmulde über der Hinterachse untergebracht. Die Batterie-Baugruppe besteht aus folgenden Komponenten: • HV-Batterie (im Schutzgehäuse) • E-Box mit Service Stecker (ermöglicht das Stromlosschalten der restlichen Hybridkomponenten) • Batteriemanager (seitlich an der E-Box) • Belüftungssystem (Batteriekühlung) • Anschlüsse für Hochvoltkabel • Sensorik in der Hochvolt-Batterie (Temperatur, Modul-Spannungen) HV-Batterie unter dem Kofferraum des Porsche Cayenne [43]

46 Batteriekenndaten Merkmal Wert/Beschreibung Batterieart
Nickel-Metallhydrid Gewicht ca. 80 kg Leistung 38 kW (elektrisch) Arbeitsbereich bei max. Leistung °C (für reinen Motorstart > -30 °C) Energiegehalt 1,7 kWh Abmessungen Länge 347 mm Breite 633 mm Höhe 291 mm Spannung 288 V Wirkungsgrad ca. 90 % Zellenanzahl 240 (à 1,2 Volt) Kühlung Kühlluft aus Fahrzeuginnenraum Die Batterie verfügt über einen Gesamt-Energiegehalt von 1,7 kWh. Der Arbeitsbereich,in dem die Energie effektiv für Vortrieb nutzbar ist, liegt bei ca. 30 % - 70 %. Die effektive Batteriekapazität ist im Anzeigenkonzept des Kombi-Instruments sowie des PCM auf 0 % % aufgespannt und wird als relativer Ladezustand bezeichnet. Tatsächlich entspricht die Anzeige ca. 40 % (0,68 kWh) des gesamten Energiegehaltes von 1,7 kWh, die für den rein elektrischen Fahrbetrieb und als Ladevolumen für die Energierückgewinnung zur Verfügung stehen. Dieser Arbeitsbereich (Hub) berücksichtigt die Anforderungen an die Langlebigkeit der Batterie (Zyklenfestigkeit) und verhindert kritische Batteriezustände wie eine Tief- oder Überladung. Die Organisation der Batterie ist aus Sicherheitsgründen in 2 mal 140 Zellen realisiert. Jeweils 10 Zellen sind zu einem Modul zusammengefasst. Damit entstehen 2 x 144 Volt, die über den Service Stecker in Reihe geschaltet werden und somit die Gesamtspannung von 288 Volt ergeben. Batteriekenndaten Porsche Cayenne [44]

47 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.

48 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 Fahrzeuglebensdauer 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.

49 Temperaturmanagement
1 Quelle: Porsche AG 2 4 3 Öffnung zum Fahrzeuginnenraum unter der Rücksitzbank Zuluftkanäle Elektro-Lüfter HV-Leitungen zur Leistungselektronik Maßgeblich für die Eignung eines Speichermediums ist dabei die Energiedichte, angegeben in Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg). Je höher der angegebene Wert, umso leichter (=kleiner) ist das Speichermedium bei gleichem Energiegehalt. Mit der Kondensatortechnologie werden aktuell maximale Energiedichten von 10 Wh/kg erreicht. Gängige Batterien wie die Nickel-Metallhydrid-Batterie im Porsche Cayenne S Hybrid erreichen eine Energiedichte von ca. 80 Wh/kg. Auch wegen der relativ hohen Selbstentladung eines Kondensators sind zumindest zur längerfristigen Speicherung Kondensatoren „noch” keine Option. Zum Vergleich: Die Energiedichte von Otto-Kraftstoff liegt bei Wh/kg! Luftumspühlung der HV-Batterie des Porsche Cayenne [45]

50 Batteriemanagementsystem
3. BMS und Aufgaben

51 Temperaturmanagement
Laden Aufwärmstrategie (Warmpulsen) keine Einschränkungen Beschränkungen auf 6A Ladestrom Rekuperation reduzieren DME-Motorsteuergerät Laden Entladen Aufwärmstrategie (Warmpulsen) nur Start-Stop-Betrieb keine Einschränkungen Boosten reduzieren E-Fahren reduzieren nur noch Motorwiederstart im Start-Stop-Betrieb 1 3 4 5 2 3 6 Laden 1 Aufwärmstrategie (Warm-Pulsen) 3 keine Einschränkungen 4 Beschränkungen auf 6A Ladestrom 5 Rekuperation reduzieren Entladen 1 Aufwärmstrategie (Warm-Wulsen) 2 nur Start-Stop-Betrieb 6 Boosten reduzieren 7 E-Fahren reduzieren 8 nur noch Motorwiederstart im Start- Stop-Betrieb 7 8 Entladen Betriebstemperaturen der HV-Batterie des Porsche Cayenne und Motorsteuergerät [46]

52 Batteriesystem Allgemein
Potential der Batterie voll auszuschöpfen Batterieschädigende Betriebszustände verhindern Lebensdauer maximieren  Batteriekosten 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]

53 Diskussion Danke für Ihre Aufmerksamkeit

54 Abbildungsverzeichnis / Quellennachweis
[1] Ragonediagramm der Energiespeicher, Quelle: Stand: [2] Gravimetrisches Ragone-Diagramm für Traktionsbatterien, Quelle: Stand: [3] Einsatzgebiete verschiedener Batteriesysteme, Quelle: Stand: [4] Volumenvergleich der meist verwendeten Technologien, Quelle: Stand: [5] Allgemeiner Aufbau einer ZEBRA Batteriezelle, Quelle 2: de.wikipedia.org/wiki/Natrium-Schwefel-Akkumulator, Stand: [6] Aufbau eines Batteriesystems für ZEBRA Akkumulatoren, Quelle 3: MES-DEA , Stand: [7] ZEBRA Akkumulator, Quelle 4: [9] Fiat Panda Panda Elettrica, Quelle: HTW Dresden, Stand: [10] Renault Twingo Quickshift Elettrica, Quelle: HTW Dresden, Stand: [11] Zellenaufbau HEI 40 High Energy Zelle, Quelle: Li-Tec Battery GmbH, Stand: [12] HEI 40 High Energy Zelle, Quelle: Li-Tec Battery GmbH, Stand: [14] Funktionsprinzip einer Lithium Ionen Zelle, Quelle 7: Stand: [15] Schichtaufbau einer Lithium Ionenzelle, Quelle 8: Sony

55 Abbildungsverzeichnis / Quellennachweis
[16] Ersatzschaltung einer Lithium Ionenzelle, Quelle: HTW Dresden, Stand: [17] Anwendungen der Lithium Batterie, Quelle: HTW Dresden, Stand: [18] Schematischer Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle, Quelle: Stand: [19] Vergleich von Leistungs- und Energiedichte einiger Energiespeicher, Quelle: Stand: [20] Aufbau des Messplatzes, Quelle: HTW Dresden, Stand: [21] Strom und Spannung der Batterie bei Ladevorgang, Quelle: HTW Dresden, Stand: [22] Spannung der Batterie bei Entladevorgang, Quelle: HTW Dresden, Stand: [23] Zellespannung unter verschiedener Belastungen (C = 15Ah), Quelle: HTW Dresden, Stand: [24] Zellespannung mit verschiedener Ladezustände (ILast = 100A), Quelle: HTW Dresden, Stand: [25] Verschiedene Ansätze des Batteriemodells, Quelle: HTW Dresden, Stand: [26] Entwickeltes Batteriemodell, Quelle: HTW Dresden, Stand: [27] SIMPLORER Schematic, Quelle: HTW Dresden, Stand: [28] Batteriemodell mit Stromlast, Quelle: HTW Dresden, Stand: [29] Gemessene und simulierte Spannungsverläufe mit verschiedener Ladezustände (ILast = 100A), Quelle: HTW Dresden, Stand: [30] Gemessene und simulierte Spannungsverläufe unter verschiedener Lastströme (soc = 40Ah), Quelle: HTW Dresden, Stand:

56 Abbildungsverzeichnis / Quellennachweis
[31] Zugelassener Arbeitsbereich mit Gefahrenbereich, Quelle: [32] 20 Ah – Zelle, Quelle 11: Fa. A123 [33] HEI40 40Ah Zelle, Quelle: Li-Tec Battery GmbH, Stand: [34] Thundersky 40Ah Zelle, Quelle 12: Fa. Thundersky [35] 2.4 Ah – Tesla Zelle, Quelle 13: Fa. UltraFire [36] Tesla Roadster, Quelle 14: [37] In-ECO der TU-Dresden, Quelle 15: (TU-Dresden) [38] Vergleich verschiedener Batteriesysteme, Quelle 16: Weydanz/Jossen – Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen, [39] Vergleich Akkusysteme und Kraftstofftank, Quelle: Stand: [40] Ladecharakteristik einer HEI40 Li-Tec Zelle, Quelle: Li-Tec Battery GmbH, Stand: [41] Entladecharakteristik einer HEI40 Li-Tec Zelle, Quelle: Li-Tec Battery GmbH, Stand: [42] Zyklenfestigkeit einer HEI40 Li-Tec Zelle, Quelle: Li-Tec Battery GmbH, Stand: [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: