3 Elektrochemische Wandler - Baustelle / Under …whz-cms-10.zw.fh-zwickau.de/mth/praesentationen/Elektrochemische... · Elektronenabgabe = Oxidation Elektronenaufnahme = Reduktion

1

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik

3 Elektrochemische Wandler

3.1 Grundlagen

3.1.1 Batterien – Einsatzfälle in Kraftfahrzeugen

3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich

3.1.3 Elektrochemische Grundlagen

3.2 Bleiakkumulator/Starterbatterie

3.2.1 Elektrochemische Vorgänge

3.2.2 Elektrophysikalische Vorgänge

Entladevorgänge

Ladevorgänge

Wirkungsgrad

3.2.3 Batterieaufbau

3.2.4 Bemerkungen zum Einsatz in Kraftfahrzeugen

3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren


2

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 3 Elektrochemische Wandler

Erste wieder aufladbare Ladungssäule von Ritter um 1803

3


Bleiakkumulator von Planté von 1859 (rechts im Bild)

4


Erste Verwendung von Bleirillenplatten zur Fixierung und Stabilisierung der aktiven Masse um 1881

5


Erster Akkumulator der AFA um 1888

6


Wartungsfreie Bleiakkumulatoren ab 1957

7


Brennstoffzellen-Stack Leistung: 400 W 1967

Quelle: AG Brown Boveri & Cie.

8


Versuchs- fahrzeug mit Brennstoffzellen- Batterie Leistung: 2 kW 1967

Quelle: AG Brown Boveri & Cie.

9



3.1 Grundlagen







Entladevorgänge

Ladevorgänge

Wirkungsgrad




3 .1.1 Batterien - Einsatzfälle in Kraftfahrzeugen

10


Starter-/Bordnetz-

Batteriesysteme

12 V/24 V

Traktionsbatteriesysteme

(> 100 V)

Fahrantrieb ausschließlich

durch Verbrennungsmotor

Fahrantrieb ausschließlich durch

Elektromotor

(Zero Emission Vehicle)

Fahrantrieb durch Elektromotor und Verbrennungsmotor

(Hybridantriebe)

Energieabgabe:

im Motorstillstand und bei erhöhtem Strombedarf

Energieabgabe an Antriebsmotor nahezu über gesamte Fahrzeit

Energieabgabe an Antriebsmotor bei niedriger Fahrleistung und im Boosterbetrieb

Energieaufnahme

(Nachladen), wenn Leistungsbedarf der Verbraucher, kleiner als

Generatorleistung

Energieaufnahme nur beim Bremsen (Rekuperation)

Externes Nachladen an

Steckdose

Energieaufnahme (Nachladen) bei Antrieb durch Verbrennungsmotor und beim Bremsen

event. ext. Nachladen

gespeicherte Energiemenge:

0,3 ... 1,5 kWh

entnehmbare Leistung:

200 ... 1000 (... 2000) W

... 20 kWh

... 100 kW

... 10 kWh

... 50 kW

Batterien – Einsatzfälle in Kraftfahrzeugen (Pkw)

3 .1.1 Batterien - Einsatzfälle in Kraftfahrzeugen

11



3.1 Grundlagen







Entladevorgänge

Ladevorgänge

Wirkungsgrad





12


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Blei bzw.Blei-Gel

NiMH Na/S bzw.Na/NiCl

(Hochtemp.)

Zn/Luft Lithium-Ionen

(LiFePO4)

theoretischeEnergiedichte

praktischeEnergiedichte inWh/kg


13


0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Blei bzw.Blei-Gel

NiMH Na/S bzw.Na/NiCl2

(Hochtemp.)

Zn/Luft Lithium-Ionen

(LiFePO4)

Kraftst.-Tank

Lithium-Luft

(Li2O)

theoretische Energiedichte

praktische Energiedichte inWh/kg


Versuchsstadium

14

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich

100.000

10.000

1.000

100

10

1

[W/kg]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Leistungs- dichte

Energiedichte [Wh/kg]

Doppelschicht- kondensatoren

Lithium-Ionen-Technologie Hochleistung Hochenergie

Blei (Spiralstruktur)

Blei (konv.)

NiCd NiMH

NaNiCl2

(Zebra)

Akkumulatortechnologien (Stand 2011)

Quelle: ATZ elektronik 03/2011

15


Li-Ion Batterie 100 kWh

elektrische Energie

Druckwasserstoff 6 kg H2 bei 700 bar

200 kWh chemische Energie

Dieselkraftstoff 400 kWh

chemische Energie

Vergleich von Masse und Volumen für 500 km Reichweite

Quelle: CEP / Prof. von Unwerth – TU Chemnitz


16


Strom

Drehstromsteckdose 10 kW

Benzin

Zapfsäule 27.000 kW (ca. 50 l/min)

1 min „Tanken“ = 1 km fahren

1 min Tanken = 1.000 km fahren

Wasserstoff

Tankstelle 2.000 kW (ca. 1 kg/min)

1 min Tanken = 100 km fahren

Betankungsdauer

Quelle: Prof. von Unwerth – TU Chemnitz


17


Quellen: https://de.wikipedia.org/wiki/Windkraftanlage und https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Petrol_pumps?uselang=de#/media/File:Petrol_pump_mp3h0355.jpg

=

Anschlussleistung einer Zapfsäule entspricht 27 MW

Bei etwa 14.000 Tankstellen mit durchschnittlich 6 Zapfsäule ergibt sich eine Gesamtanschlussleistung aller Tankstellen in Deutschland von:

14.000 x 6 x 27 MW = 2.268 GW

Hingegen beträgt die gesamte installierte elektrische Leistung in Deutschland laut Netzagentur zur Zeit nur etwa 190 GW!

Wollte man nach einer kompletten Umstellung auf alternative Antriebe mit einem vergleichbarem Komfort Energie auf die Fahrzeuge übertragen, so würde dies

selbst unter Berücksichtigung eines deutlich höheren Wirkungsgrades eine Anschlussleistung von mind. 600 GW erfordern.

18


Quelle: https://mediathek.fnr.de/grafiken/daten-und-fakten/bioenergie/biokraftstoffe/biokraftstoffe-in-deutschland.html

Energiemenge des jährlichen Kraftstoffverbrauchs in Deutschland etwa:

55 Mrd. kg x 12 kWh/kg = 660 TWh

Unter Berücksichtigung des höheren Wirkungsgrades von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben würden bspw. nur noch etwa 165 TWh benötigt (grobe Schätzung).

Hingegen beträgt die Bruttostrom- erzeugung in Deutschland zurzeit etwa 614 TWh jährlich.

Schlussfolgerungen:

Bei Umstellung aller Kraftfahrzeuge auf alternative Antriebe – insbesondere mit batterie- gestützten Elektronantrieben – wäre eine Schnellladung nach den heutigen Maßstäben für einen Betankungsvorgang ausgeschlossen.

Hingegen ist eine leistungsärmere, d.h. langsamere Bereitstellung von elektr. Energie selbst bei kompletter Umstellung aller Fahrzeuge auf Elektroantrieb bei vergleichsweise geringen Investitionen in die Infrastruktur möglich.

lange Ladezeiten (z.B. über Nacht) oder Fahren unter „Draht“

19



3.1 Grundlagen







Entladevorgänge

Ladevorgänge

Wirkungsgrad





20

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 3.1.3 Elektrochemische Grundlagen

Leitung des elektrischen Stromes durch:

freie oder locker gebundene Elektronen in Metallen, Metalllegierungen, Metallverbindungen, Metalloxiden, Metallsulfiden und Metallkarbiden.

Elektronenleitung (Leitung der ersten Art).

Wanderung positiv und negativ geladene Teilchen - also Stofftransport - unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes in Salzen, Salzlösungen, Schmelzen, Säuren und Laugen.

Ionenleitung / elektrolytische Leitung (Leitung der zweiten Art).

spezifische Leitfähigkeit von Kupfer: κCu = 58 S m / mm²

spezifische Leitfähigkeit von verdünnter Schwefelsäure : κH2SO4 = 70 µS m / mm²

21


Elektrolyt


Wird Metall in Elektrolyt getaucht Elektrode mit Phasenübergang Metall/Metallionenlösung

Metall Metall

M+

M+

M+

M+

M+

M+

-

-

-

-

-

-

M+

M+

M+

M+

M+

M+

- +

Treten Metallionen aus Metall in die Lösung über, verbleiben Elektronen in der metallischen Phase. Elektronenüberschuss,

Lösungsdruck (stärker ausgeprägt bei unedleren Metallen)

Gehen Metallionen aus der Lösung auf feste Phase über, fehlen Elektronen in der metallischen Phase. Elektronenmangel,

Osmotischer Druck /Abscheidungsdruck (stärker ausgepr. bei edleren Metallen)

Potenzialdifferenz zwischen Metall und Lösung.

negative Aufladung der Elektrode. positive Aufladung der Elektrode.

22


Metall Metall

M+

M+

M+

M+

M+

M+

-

-

-

-

-

-

M+

M+

M+

M+

M+

M+

- +

Potenzialdifferenz zwischen Metall und Lösung.

Lösungsdruck Anziehung

Potenzialdifferenz ist Ionenwanderung entgegen gerichtet.

Übertritt von Ionen kommt bei Erreichen eines Gleichgewichtszustandes zum Stillstand.

Galvanispannung einer Elektrode (φ) (nicht messbar).

φ φ

Absch.druck Abstoßung

Elektrolyt

23


Metall 1 Metall 2

M+

M+

M+

M+

M+

M+

-

-

-

-

-

-

M+

M+

M+

M+

M+

M+

- +

φ1 φ2

Zwei Elektroden galvanisches Element (Zelle).

Uq = φ1 – φ2 Quellenspannung (Zellenspannung) = Galvanispannung 1 – Galvanispannung 2.

Abhängig von: - Elektroden-Standardpotenzial (elektrochemische Spannungsreihe);

- Konzentration der Ladungsträger, Temperatur (Nernst‘sche Gleichung).

(Daher wird eine Elektrode in Lösung auch Halbzelle genannt.)

Elektrolyt

24


Elektrolyt


Metall 1 Metall 2

M+

M+

M+

M+

M+

M+

-

-

-

-

-

-

M+

M+

M+

M+

M+

M+

- +

φ1 φ2

Werden Elektroden elektrisch verbunden, entsteht ein Stromkreis. Elektronen wandern von negativer zu positiver Elektrode.

- - -

M+

M+

M+

Damit wird der Gleichgewichtszustand an den Elektroden aufgehoben und ein andauernder Prozess in Gang gesetzt. (Zumindest so lange, bis das aktive Material aufgebraucht ist.)

25


reduzierte

Form

oxidierte

Form + z . e- Standard-

potenzial E0

unedle Metalle Lösungsdruck

Li Li+ + e- -3,045

Na Na+ + e- -2,71

Zn Zn2+ + 2 . e- -0,76

Fe Fe2+ + 2 . e- -0,41

Cd Cd2+ + 2 . e- -0,40

Pb + SO42- PbSO4 + 2 . e- -0,36

Ni Ni2+ + 2 . e- -0,25

H2 + 2 H2O 2H3O+ + 2 . e- 0

Cu Cu2+ + 2 . e- +0,34

Ag Ag+ + e- +0,80

Au Au3+ + 3 . e- +1,50

PbSO4

+ 2 H2O

PbO2 + SO42-

+ 4 H+ + 2 . e- +1,67

2 F- F2 + 2 . e- +2,87

Abscheid.druck edle Metalle

Elektrochemische Spannungsreihe (Auszug)

E = E0 + (RT / zF) · ln (cox / cred)

mit E Spannung (V) E0 Standardpotenzial (V) R Gaskonstante (8,31227 J/K mol) T Temperatur (K) z übertragene Anzahl von Elektronen pro Atom F Faradaykonstante (96485,34 C/mol) cox , cred Konzentrationen (mol/l) (anstelle cox , cred werden genauer die Aktivitäten aox , ared verwendet)

E = E0 + (0,058 / z) · log (cox / cred)

Nernst‘sche Gleichung

vereinfacht:

26


Elektronenabgabe = Oxidation Elektronenaufnahme = Reduktion

Redoxvorgang

Freiwillig ablaufender Vorgang Galvanismus (im Akkumulator: Entladung)

Chemische Stoffumwandlung unter Abgabe elektrischer Energie.

Erzwungener Vorgang Elektrolyse (im Akkumulator: Aufladung)

Chemische Stoffumwandlung unter Aufnahme elektrischer Energie.

Einteilung der galvanischen Elemente:

1. Primärelemente: Einmalig zu entladende Elemente, Reaktionsprodukte lassen sich im Element nicht regenerieren.

2. Sekundärelemente: Elemente lassen sich mehrmals wieder aufladen (regenerieren).

3. Brennstoffzellen: Kontinuierliche Stromerzeugung, solange Brennstoff und Oxidationsmittel zugeführt werden.

27


Brennstoffzelle

28



3.1 Grundlagen







Entladevorgänge

Ladevorgänge

Wirkungsgrad




3 .2.1 Elektrochemische Vorgänge

29

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 3 .2.1 Elektrochemische Vorgänge

-

-

H O

2

H SO

2

4

Säuredichte: 1,12 g/cm 3

Säuredichte: 1,28 g/cm

3

geladen:

entladen:

Minusplatte

Plusplatte

Elektrolyt

(verdünnte Schwefelsäure)

Säure-

anteil

Wasser-

anteil

PbSO 4

(2+) PbSO 4

(2+)

H O

2

H SO

2

4

Pb SO + 2 H O + Pb SO Pb + 2 H SO + PbO 2

4

4

2

2

4

laden

entladen

G

aufladen

entladen Elektro- chemische Vorgänge im Blei- akkumulator

Pb

+

( 0)

-

PbO

2

(4+)

30


Minusplatte Plusplatte

PbO2

Pb

Pb

PbO2

2e- + Pb2+

Pb2+

2O2-

H2SO4

H2SO4

Pb4+ + 2e-

- -

Primärvorgang – Elektronenprozess (Entladung)

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

- +

H2SO4

H2SO4


31



PbO2

Pb

Pb

PbO2

2e- + Pb2+

Pb2+

2O2-

H2SO4

H2SO4

Pb4+ + 2e-

PbSO4 PbSO4

- -

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

- +

H2SO4

H2SO4

Sekundärvorgang – Stabilisierung/Kristallisation in angesäuerter Bleisulfatlösung (Entladung)


32



PbO2

Pb

Pb

PbO2

2e- + Pb2+

Pb2+

2O2-

H2SO4

H2SO4

Pb4+ + 2e-

PbSO4 PbSO4

- -

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

- +

H2SO4

H2SO4



33



PbO2

Pb

Pb

PbO2

2e- + Pb2+

Pb2+

2O2-

H2SO4

H2SO4

Pb4+ + 2e-

2 H2O

PbSO4 PbSO4


- -

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

- +

H2SO4

H2SO4


34


Beim Entladen entsteht Bleisulfat als Überzug an den Platten.

Es wird Säure verbraucht, Wasser entsteht. Säuredichte nimmt ab.

Quellen- bzw. Zellenspannung nimmt ab (Nernst‘sche Gleichung).

Spannungsgleichung (als zugeschnittene Größengleichung):

positive Teilspannung (gegenüber einer Cadmium-Hilfselektrode):

Uq1 = 1,2 V + 0,8 V . ρ [g/cm³]

negative Teilspannung (gegenüber einer Cadmium-Hilfselektrode):

Uq2 = 0,36 V - 0,2 V . ρ [g/cm³]

Spannungsdifferenz = Quellen- bzw. Zellenspannung:

Uq = 0,84 V + 1,0 V . ρ [g/cm³]

Bei einer geladenen Batterie (ρ = 1,28 g/cm³) beträgt die Zellenspannung 2,12 V (12,72 V) *.

Bei einer entladenen Batterie (ρ = 1,12 g/cm³) beträgt die Zellenspannung 1,96 V (11,76 V) *.

(* im eingeschwungenen Zustand)


35



3.1 Grundlagen







Entladevorgänge

Ladevorgänge

Wirkungsgrad




3 .2.2 Elektrophysikalische Vorgänge

36


Elektrochemischen Vorgängen sind physikalische Grenzen gesetzt, welche die Kenngrößen einer Bleibatterie mit bestimmen.

Beim Entladen bildet sich an den Platten Bleisulfat als Überzug.

Bleisulfat ist ein Nichtleiter und trennt mit zunehmender Entladung die aktive Masse vom Elektrolyten.

Innenwiderstand wächst, Behinderung der elektrochemischen Reaktionen.

Gegenmaßnahme: Verhältnis von Oberfläche zu Volumen so groß wie möglich machen.


37

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik Minusplatte


„äußere“ Säure „innere“ Säure

dünne Platten

Elektrochemische Vorgänge finden in den Poren der Bleiplatten statt.

Diffusionsvorgänge (Einschwingzeit)

poröse Oberfläche

38



3.1 Grundlagen







Entladevorgänge

Ladevorgänge

Wirkungsgrad





39

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 3 .2.2 Elektrophysikalische Vorgänge

Bilden von Bleisulfat entsprechend entnommener Strommenge.

Poren wachsen zu aufgrund des größeren Volumens von Bleisulfat.

Diffusionswiderstand steigt, Konzentration der inneren Säure

nimmt stärker ab, d.h. ρinnen < ρaußen.

Ohmsche Widerstände der Platten und des Elektrolyten nehmen zu.

Anwachsen des Innenwiderstandes

40


2 ,1

2 ,0

1 ,9

1 ,8

1 ,7

[V /Z e l le ]

5 1 0 1 5 [m in ] 2 5 8 1 1 1 4 2 0 [h ]

E n t la d e s c h lu s s s p a n n u n g

S p a n n u n g s s a c k

4 2 0 ~ ~ I 0 ,3 3 K

. h

-1

3 2 0 I ~ ~ 0 ,2 K

. h

-1

~ ~ 1 2 0 I 0 ,0 5 K

. h

-1

2 2 0 I ~ ~ 0 ,1 K

. h

-1

E n t la d e z e it

U

Bleiakkumulator - Entladekennlinien

Sind erreichbare aktive Masse und innere Säure nahezu verbraucht, nimmt der Innenwiderstand schnell zu und die Klemmenspannung entsprechend ab.

Entladeschlussspannung kein physikalischer Endwert, sollte aber im Interesse der Lebensdauer der Batterie nicht unterschritten werden.

41


Maß für die zu entnehmende Strommenge ist die Batteriekapazität [Ah]. Diese wird neben Größe und Konstruktion vom Diffusionsverhalten der Säure bestimmt.

Das Diffusionsverhalten wiederum ist abhängig von:

1. einem Stromstärkefaktor:

Hohe Entladeströme Ausgleich zwischen innerer und äußerer Säure kann nicht schnell genug erfolgen hohes Konzentrationsgefälle. Verringerung der verfügbaren Kapazität.

2. einem Temperaturfaktor:

Sinkende Temperaturen führen zu vergrößerter Viskosität des Elektrolyten. Diffusionsvorgänge verlangsamen sich. Verringerung der verfügbaren Kapazität.

Verfügbare Kapazität einer Batterie abhängig von Entladestromstärke und Temperatur (und darüber hinaus von Alter und Ladezustand).

KB = X(IE/K20) . X( ) . K20

verfügbare Kapazität = Entladestromfaktor . Temperaturfaktor . Nennkapazität


42


1 ,0

0 ,8

0 ,6

0 ,4

0 ,2

0 ,5 1 ,0 1 ,5 2 ,0 3 ,0 [h ] -1

-2 0 -1 0 0 1 0 3 0 [ ° C ]

I / K E 2 0

0 ,0 5

X (IE/K20)

bei = 27°C X ()

Einfluss der Entladestromstärke und der Temperatur auf die verfügbare Kapazität einer Bleibatterie

Vergleichbarkeit von Batterien nur unter Nennbedingungen:

= 27°C, tE = 20 h (Entladezeit), UB 1,75 V pro Zelle

Nennkapazität: K20 = I0,05 . 20 h, wobei = 27°C und UB 1,75 V pro Zelle

43


1 ,0

0 ,8

0 ,6

0 ,4

0 ,2

0 ,5 1 ,0 1 ,5 2 ,0 3 ,0 [h ] -1

-2 0 -1 0 0 1 0 3 0 [ ° C ]

I / K E 2 0

0 ,0 5

X (IE/K20)

bei = 27°C X ()

Einfluss der Entladestromstärke und der Temperatur auf die verfügbare Kapazität einer Bleibatterie

Beispiel Startvorgang im Winter:

IE > I2, d.h. X(IE/K20) = 0,4 und = -20 °C, d.h. X( ) = 0,3

KB = 0,4 . 0,3 . K20 also KB = 0,12 K20

(Und das auch nur bei neuer vollgeladener Batterie!)

44


Bei großen Stromstärken fällt die Klemmenspannung der Batterie aufgrund des Spannungsabfalls am Innenwiderstand und der geringen Säuredichte in den Poren unter 1,75 V pro Zelle.

Entladeschlussspannungen für unterschiedliche Belastungen:

UB 1,75 V/Zelle bei kleiner Belastung, d.h. X(IE/K20) < 0,5 h-1 bzw. IE < I0,5

UB 1,5 V/Zelle bei mittlerer Belastung, d.h. X(IE/K20) 1 h-1 bzw. IE I1,0

UB 1,0 V/Zelle bei großer Belastung, d.h. X(IE/K20) > 1,5 h-1 bzw. IE > I1,5

DIN EN 60254-1 fordert eine bestimmte Startfähigkeit bei = -18 °C:

Entladung der Batterie mit dem Kälteprüfstrom IKP (ist auf Batterien mit angegeben):

UB 1,5 V/Zelle für tE 30 s und UB 1,0 V/Zelle für tE 150 s

Batterien für Pkw Batterien für Nkw

Kapazität [Ah] 30 ... 150 200

Masse [kg] 10 ... 25 60

Kälteprüfstrom (IKP) [A] 150 ... 500 700

Innenw. (Ri) bei IKP [mΩ] 20 ... 4 3


45



3.1 Grundlagen







Entladevorgänge

Ladevorgänge

Wirkungsgrad





46


Säurebildung vorwiegend in den Poren der Platten ρinnen > ρaußen, d.h. Diffusionsvorgänge umgekehrt zur Entladung.

Höhere Dichte der inneren Säure führt zu höherer Zellenspannung.

Außerdem muss der Innenwiderstand der Platten und des Elektrolyten (im Vergleich zur Entladung in umgekehrter Richtung) überwunden werden.

Deutlich höhere Batterieklemmenspannung beim Landen als beim Entladen.


47


2 ,8

[V /Z e l le ]

2 ,4

2 ,2

2 ,0

2 4 6 8 1 0 1 4 [h ]

L a d e z e it

1 2 0 ~ ~ I 0 ,3 3 K

. h

-1

2 2 0 I ~ ~ 0 ,1 K

. h

-1

U

G a s u n g s b e g in n

L a d e s c h lu s s s p a n n u n g

Bleiakkumulator - Ladekennlinien

Verlagerung der elektrochemischen Vorgänge mit zunehmender Ladung in die Tiefe der Platten. Diffusionswege und Konzentrationsgefälle nehmen weiter zu. Zellenspannung steigt weiter an.

Bei 2,4 V/Zelle tritt Wasserzersetzung ein, es entsteht Knallgas. Wasserstoff setzt sich an Elektroden fest Polarisationsspannung. Weiteres schnelles Anwachsen der Batterieklemmenspannung.

48


2 ,8

[V /Z e l le ]

2 ,4

2 ,2

2 ,0

2 4 6 8 1 0 1 4 [h ]

L a d e z e it

1 2 0 ~ ~ I 0 ,3 3 K

. h

-1

2 2 0 I ~ ~ 0 ,1 K

. h

-1

U

G a s u n g s b e g in n

L a d e s c h lu s s s p a n n u n g

Bleiakkumulator - Ladekennlinien

Nach Ladeschluss finden Ausgleichsvorgänge statt (Einschwingzeit). Batterie sinkt über Stunden auf Ruhespannung ab.

Elektronisch geregelter Drehstromgenerator bisher konstante Ladespannung

bei 2,35 V/Zelle.

Unter Bordnetzbedingungen praktisch keine Wasserzersetzung. Gasdichte (wartungsfreie) Batterien möglich.

49



3.1 Grundlagen







Entladevorgänge

Ladevorgänge

Wirkungsgrad





50


1 0 0

[% ]

8 0

7 0

6 0

2 5 5 0 7 5 1 0 0 [% ]

L a d e z u s ta n d

A h

W h

Bleiakkumulator – Amperestunden- und Wattstundenwirkungsgrad

η(Wh) < η(Ah) weil UBA > UBE

51



3.1 Grundlagen







Entladevorgänge

Ladevorgänge

Wirkungsgrad




3 .2.3 Batterieaufbau

52

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 3 .2.3 Batterieaufbau

+ -

Batterieaufbau (schematisch) Separatoren

Elektrophysikalische Vorgänge bedingen große Plattenoberfläche. Viele dicht beieinanderliegende positive und negative Platten, die durch Separatoren (Gummi- bzw. Kunststoffscheider) getrennt sind.

Mehrere pos. und negative Platten werden jeweils parallel geschaltet und bilden eine Zelle.

Mehrere Zellen werden in Reihe geschaltet und bilden eine Batterie (6 Zellen 12 V Batterie).

53


+ -

Batterieaufbau (schematisch) Separatoren

Zur Herstellung der aktiven porösen Bleimasse werden Blei, verschiedene Bleioxide und Bleimennige gemahlen und mit Spreizstoffen angereichert. Dieses Pulver wird mit verdünnter Schwefelsäure zu einer Paste gemischt.

Geringe Eigenfestigkeit der aktiven Masse Stützgitter aus Hartblei erforderlich.

Aktivieren der aktiven Masse durch erstmaliges Laden (Formieren).

Zyklenfeste Batterien: Separatoren aus Glaswollmatten stützen Plusmasse zusätzlich ab.

Rüttelfeste Batterien: Fixieren der Plattenblöcke gegenüber Blockkasten durch Gießharz.

HD (heavy duty) Batterien: Kombination rüttel- und zyklenfester Bauart.

54


5 1

1 2

2

3

4

4

5 1 Direkt-Zellenverbinder 2 Endpol 3 Plattenverbinder 4 Plussplatten (in Folienseparatoren eingetascht) 5 Kastengehäuse mit Deckel und Bodenleiste

Bleiakkumulator – konventioneller Aufbau

55


Selbst dichtende Sicherheitsventile mit Flammenschutz

Zellen- verbinder

Kunststoff- separator

Glaswoll- separator mit gebundenen Elektrolyten

dünne Bleiplatten in gewickelten Zellen

korrosionsfreie Pole

Quelle: KFT

56



3.1 Grundlagen







Entladevorgänge

Ladevorgänge

Wirkungsgrad




3.2.4. Bemerkungen zum Einsatz in Kraftfahrzeugen

57

Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren

Lithium-Ionen-Akkumulatoren für den Einsatz in Kraftfahrzeugen sind derzeit noch in einem frühen serienreifen Entwicklungsstadium.

Es gibt nicht den Li-Ionen-Akku, sondern nur einen Grundaufbau bzw. ein Prinzip mit vielen Varianten.

Die Li-Ionen sind am Redoxvorgang nicht beteilig. Sie dienen nur zum inneren Ladungsausgleich bei einem äußeren Stromfluss.

Li-Metalloxid- elektrode z.B. Li2MnO2

Li2CoO2

LiFePO4

LiNixMnyCozO2

Separator Graphit- elektrode

organisches Lösungsmittel

Je mehr Li-Ionen in den Elektroden eingelagert werden können, um so größer ist die Energiedichte (Kapazität des Akkumulators).

Je leichter die Li-Ionen die Elektroden verlassen und sich im organische Lösungsmittel bewegen können, um so größer ist die Leistungsdichte

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Quelle: VDI-Nachrichten Nr. 15 2012 und Zeitschrift Elektronik – A. Gillhuber sowie Li-Tec Battery GmbH

Gegenwärtige Kosten: 600 bis 800 €/kWh (mit Batteriemanagement ca. 1.000 €/kWh)

Ziel 2020: 200 €/kWh (?)

Eigenschaften von Lithium-Ionen-Akkumulatoren

Pouch-Zelle der Li-Tec Battery GmbH

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6.831 Einzel-Rundzellen (ca. 408 kg)

11 x 9 Zellen in Serie ca. 370 V

und 69 x Serienschaltung parallel ca. 56 kWh

Elektromotor: 215 kW (288 PS) / 370 Nm

vmax 200 km/h (abgeregelt) Beschleunigung 0 100 km/h in 3,7 s

Preis: 80 bis 120 T€

Tesla Roadster

Reichweite: 200 bis 500 km

Quelle: Wikipedia

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Quelle: Framo GmbH

Zelltechnologien:

Rundzellen LiCoO2 o. vergl. ca. 500 – 800 Zyklen (100% DoD) (Lithium-Cobalt-Oxid)

PKW-Anwendungen: 60 kWh = 400 km x 500 Zyklen = 200.000 km

Prismatische Zellen LFP ca. 1.500 – 2.500 Zyklen (80 – 90% DoD) (Lithium-Eisen-Phosphat)

PKW-Anwendungen: 60 kWh = 400 km x 1.500 Zyklen = 600.000 km LKW-Anwendungen: 60 kWh = 60 km (18 t) x 1.500 Zyklen = 90.000 km

Pouch- bzw. prism. Zellen NMC ca. 4.500 – 9.000 Zyklen (80 – 90% DoD) (Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid)

PKW-Anwendungen: 60 kWh = 400 km x 4.500 Zyklen = 1.800.000 km LKW-Anwendungen: 60 kWh = 60 km (18 t) x 4.500 Zyklen = 270.000 km

DoD = depth of discharge (Entladungstiefe)

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Entwicklungstrends

USA Start–up Envia Systems: Li2MnO3 - / Silizium-Kohlenstoff-Elektroden Energiedichte zurzeit 234 Wh/kg

Quelle: VDI Nachrichten und Envia Systems

angekündigt: Li2MnO3 - / reine Silizium-Elektroden Energiedichte bis 400 Wh/kg Preis unter 100 €/kWh (?)

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Entwicklungstrends

Quelle: Wirtschaftwoche, Bosch

Fa. Bosch incl. Fa. Seeo:

- Nano-Technologien Oberflächen vergrößern

- Verzicht auf Graphit- Elektroden höhere Reaktions- geschwindigkeit

- Einsatz eines Festkörper- Elektrolyten keine Brandgefahr

Erwartungen: - doppelter Energiegehalt - geringerer Bauraum

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Entwicklungstrends

Quelle: IBM Research

IBM Research: Lithium-Luft-Akkumulator

theoretische Energiedichte über 11 kWh/kg

erwartete praktische Energiedichte ca. 1 bis 3 kWh/kg

Ziel: kommerzielle Nutzung ab 2025 (?)

Preis: ?

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