lithium ion batterietechnik
DESCRIPTION
TUM VorlesungTRANSCRIPT
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Vorlesung
Batteriesystemtechnik
1. Einfhrung
09.04.2014
Prof. Dr.-Ing. Andreas Jossen
Lehrstuhl fr Elektrische Energiespeichertechnik (EES)
Karlstrasse 45, 80333 Mnchen, Technische Universitt Mnchen
[email protected], Tel.: 089-289-26967
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09.04.2014
Termine und Organisatorisches
Vorlesungsinhalte
Einfhrung
Systemtechnische Aufgaben
Notwendige Systemtechnik
Systemtechnik unterschiedlicher Anwendungen
bersicht
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09.04.2014
Vorlesung: Mittwochs 08:00 09:30 (Hrsaal 2770)
Vorlesung 14 tgig: Mittwochs 09:45 11:15 (Hrsaal 2770)
bung 14 tgig: Mittwochs 09:45 11:15 (Hrsaal 2770, Max Horsche)
Skript + Paper: Wird online zur Verfgung gestellt Moodle
Kontaktdaten:
Lehrstuhl fr Elektrische Energiespeichertechnik
Karlstrasse 45, 80333 Mnchen, www.ees.ei.tum.de
Tel: 089-289-26967 (Sekretariat)
E-Mail: [email protected]
bungsleiter: [email protected]
Termine und Organisatorisches
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09.04.2014
Vorlesungsinhalte
Datum Nr. Teil Vorlesung
09.04.14 1 Einfhrung Einfhrung
16.04.14 2 Einzelzelle Zelleigenschaften und Definitionen
23.04.14 3 Zellmodelle
30.05.14 4 Zellmodelle/Messmethoden
07.05.14 5 Messmethoden
14.05.14 6 Ladeverfahren
21.05.14 7 Ladeverfahren
28.05.14 8 Vielzellige Systeme Auslegung
04.06.14 9 Ladungsausgleich
11.06.14 10 Ladungsausgleich
18.06.14 11 Ladungsausgleich
25.06.14 12 Zuverlssigkeit
02.07.14 13 Zustandsbestimmung
09.07.14 14 Batteriemanagementsystem
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09.04.2014
Betrachtung elektrochemischer Speicher
Abgrenzung in der Entwicklungskette
optimale Auslegung / optimaler Betrieb eines Systems: grundlegendes
Wissen ber die Komponenten (Zellen / Materialien) erforderlich
Systemtechnik in der Entwicklungskette
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09.04.2014
Hauptakku
Range
Extender
Neue Herausforderungen in der Systemtechnik
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09.04.2014
Beispiel HE-System: TUM .
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09.04.2014
Kosten eines BEV und dessen Komponenten
5000
8663
26103
4767
8580
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000
BEV klein
BEV gro
Kosten eines BEV (2010)
Getriebe/Kupplung Nebenaggregate El. Maschine Motor Controller Leistungselektronik
Sonst. Elektronik Traktionsbatterie Ladegert Restliches Fahrzeug
(30 kWh Bat)
(10 kWh Bat)
Abgeleitete Herstellkosten in
18.257
45.417
Grafik basierend auf: Strukturstudie BWe mobil
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Preisprognose: Li-Ion-Akkus
0
200
400
600
800
2010 2015 2020 2025 2030
Ba
tte
rie
ko
ste
n a
uf
Syste
me
be
ne
[
/kW
h]
P3 Engineering BoschJohnson Controls LaptopsMitsubishi iMiEV (16kWh) ESMTNPE Bernstein Research
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09.04.2014
Kosten eines BEV und dessen Komponenten
Grafik basierend auf: Strukturstudie BWe mobil
1500
5056
15168
5673
9487
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000
BEV klein
BEV gro
Kosten eines BEV (2020)
Getriebe/Kupplung Nebenaggregate El. Maschine Motor Controller Leistungselektronik
Sonst. Elektronik Traktionsbatterie Ladegert Restliches Fahrzeug
(30 kWh Bat)
(10 kWh Bat)
Abgeleitete Herstellkosten in
13.174
29.859
Das Batteriesystem ist und bleibt die teuerste
Komponente im Elektrofahrzeug
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Batteriesystem von Nissan
EV Batteriesystem
von SB Limotive
EV Batteriesystem von Nissan
09.04.2014
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Batteriesystem des TUM .
09.04.2014
Zellebene
m = 48 g
E = 9,8 Wh
Modulebene
112 Zellen
U30 Vm = 6,52 kg
E = 1,98 kWh
Packebene
1232 Zellen
U325 Vm = 91,2 kg
E = 12,07 kWh
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Komponenten eines Li-Ionen-Batteriesystems
Zellen
Kontaktierung Klimatisierung
Gehuse
Batteriemanagement
SicherheitselementeSchtz, Shunt, Isolationswchter
Schnittstellen
09.04.2014
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09.04.2014
Batteriesystem des S400 Hybrid
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09.04.2014
Masse eines Batteriesystems
Fahrzeug Abkrzung E [kWh] P [kW] m [kg]
HEV Hybrid Electric Vehicle < 2 > 10 < 50
BEV Battery Electric Vehicle > 15 > 30 > 150
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09.04.2014
erleichtern den Vergleich verschiedener Speicher
typische Bezugsgren: Masse, Volumen, Nenngre
Bezug auf Masse spezifische Gre, gravimetrische Dichte
Bezug auf Volumen Dichte, volumetrische Dichte
Bezogene Gren
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Bezogene Gren
Masse
=D
=D[Wh
kg]
=D
=D[W
kg]
=C
=C[W
kg]
Volumen
=D
=D[Wh
l]
=D
=D[W
l]
=C
=C[W
l]
09.04.2014
D: aus dem vollgeladenen Speicher unter definierten Bedingungen entnehmbare EnergieD: unter definierten Bedingungen maximal entnehmbare LeistungC: unter definierten Bedingungen maximal ladbare Leistung: Masse der i-ten Einzelkomponente des Batteriesystems: Gesamtmasse des Batteriesystems: Volumen der i-ten Einzelkomponente des Batteriesystems: Gesamtvolumen des Batteriesystems
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09.04.2014
Zellebene
m = 48 g
E = 9,8 Wh
204 Wh/kg
Modulebene
m = 6,52 kg
E = 1,98 kWh
168,34 Wh/kg
Packebene
m = 91,2 kg
E = 12,07 kWh
132,38 Wh/kg
Bezogene Gren
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09.04.2014
Fahrleistungen hnlich Fzg. mit Verbrennungsmotor
Motorleistung ca. 80 kW fr ein Fahrzeug mit 1,5-2 t
ca. 20-40 kW fr Stadtfahrzeug
Lebensdauer: ca. 500-4000 Zyklen
Empirische Formel fr Reichweite von BEV:
km = 2 [kW
kg]
Reichweite von BEV
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 km
Pb
(30 Wh/kg)
NiCd
(50 Wh/kg)
NiMH
(75 Wh/kg)
Li-Ion
(150 Wh/kg)
Reichweite
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09.04.2014
Kernparameter aus Sicht der nationalen Plattform Elektromobilitt fr die erste (2014),
zweite (2017) und dritte (2020) Generation von Batterien fr BEV.
Parameter von Li-Ionen Batteriesystemen
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09.04.2014
Etwa 20-50% der Massen, bzw. des Volumens kommt nicht durch die Zellen, sondern
durch die Systemtechnik zustande.
Parameter von Li-Ionen Batteriesystemen
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09.04.2014
Die Zuverlssigkeit ist durch die Qualitt der Zellen, der Zellverbinder und aller weiteren
Komponenten bestimmt.
Parameter von Li-Ionen Batteriesystemen
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09.04.2014
Die Kosten eines Batteriesystems werden zu ca. 30% durch die Systemtechnik
verursacht.
Parameter von Li-Ionen Batteriesystemen
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09.04.2014
Die Lebensdauer wird bestimmt durch die Gte der Zellen und die Betriebsfhrung
(angepasste Lademethoden knnen die Lebensdauer drastisch verlngern, kritische
Zustnde mssen vermieden werden).
Parameter von Li-Ionen Batteriesystemen
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09.04.2014
Die Leistung bei niedrigen Temperaturen wird durch die Zelleigenschaften bestimmt. Mit
einer geeigneten Systemtechnik (z.B. thermische Konditionierung beim Laden,
Wrmespeichern), kann die Kaltstartleistung wesentlich verbessert werden.
Parameter von Li-Ionen Batteriesystemen
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09.04.2014
Die Sicherheit wird bestimmt durch die Zellsicherheit, das Packdesign, eine aktive
berwachung und weiterer Komponenten. Daher ist die Sicherheit ein fr die
Systemtechnik sehr wichtiges Themenfeld.
Parameter von Li-Ionen Batteriesystemen
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Bestandteile eines BMS
Zellen
Kontaktierung Klimatisierung
Gehuse
Batteriemanagement
SicherheitselementeSchtz, Shunt, Isolationswchter
Schnittstellen
09.04.2014
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09.04.2014
Batteriesystem frher
Diagnose
Beinhaltet Regel-
und Steuerfunktionen
fr die Entladung
Beinhalten
Ladezustands-
bestimmungSteuergert
des Antriebs
Antriebs-
Stromrichter
MAntriebsmotor
Lade-
gert
Anzeigen
Thermisches
Management
Beinhaltet Regel-
und Steuerfunktionen
fr die Ladung
Messgren
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09.04.2014
Batteriesystem heute, zentrales System
BMS
Steuergert
des Antriebs
Kommunikationsschnittstelle
Batterie /
Khlsystem
Antriebs-
Stromrichter
M Antriebsmotor
Lade-
gert
Anzeigen
Diagnose
Das BMS bernimmt alle
batterierelevanten Steuer-
und Regelfunktionen.
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09.04.2014
Batteriesystem heute, dezentrales System
BMS
Steuergert
des Antriebs
Kommunikationsschnittstelle
Batterie / Khlsystem
Antriebs-
Stromrichter
M
Lade-
gert
Anzeigen
Diagnose
Das BMS bernimmt alle
batterierelevanten Steuer-
und Regelfunktionen.
Dezentrale Messwerterfassung
und -verarbeitung
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09.04.2014
Topologien
Zahlreiche unterschiedliche Topologien sind mglich, die jeweils spezifische Vor- und
Nachteile haben:
- Kosten
- Zuverlssigkeit
- Aufwand
- Lebensdauer
- Sicherheit
- Flexibilitt etc.
Aufgaben der Batteriesystemtechnik
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09.04.2014
Betriebsstrategie
Die Betriebsstrategie dient zur Sicherstellung einer hohen Lebensdauer und dazu, die
Anforderungen der Anwendung zu bedienen.
Vermeidung von kritischen Zustnden, wie berladung und Tiefentladung
Einhalten von vorgegebenen Ladezustandsfenstern (z.B. bei einem Hybridfahrzeug
zwischen 40 und 65% SOC
Gelegentliche Regenerationszyklen (Bleibatterien, NiMH Batterien)
Anpassung der Ladeparameter an die Vorgeschichte
Limitierung der Entladeparameter und Randbedingungen (T, SOC, SOH)
Teile der Betriebsstrategie werden durch ein bergeordnetes Energiemanagement
gesteuert.
Aufgaben der Batteriesystemtechnik
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09.04.2014
Lademethoden
Ladeverfahren sind hinsichtlich Geschwindigkeit und Lebensdauer sehr unterschiedlich.
Genormte Kennlinien
Standardladung
Pulsladeverfahren
Schnellladung
Einfluss auf Lebensdauer
Kopplung dabei:
AC
DC
induktiv
Aufgaben der Batteriesystemtechnik
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09.04.2014
Ladungsausgleich
Li-Ionen Batterien bentigen ein System, welches die Angleichung der Zellladezustnde
ausgleicht, so dass keine Zelle berladen wird.
Aufgaben der Batteriesystemtechnik
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09.04.2014
Messtechnik
Die Messung der Einzelzellspannungen ist bei Li-Ionen Systemen notwendig und setzt
spezielle Anforderungen voraus:
Messstellen
Messgenauigkeit
Gleichzeitigkeit
Lokalitt
Aufgaben der Batteriesystemtechnik
BMS Master BMS Slave
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09.04.2014
Batteriediagnostik und
Zustandsbestimmung
Problem: Die Zustandsgren sind eng miteinander verknpft, z.B. kann ein Auto mit
einer neuen halbvollen Batterie ebenso wie mit einer lteren vollgeladenen Batterie
gestartet werden. Insbesondere der Funktionszustand ist vom Ladezustand und vom
Alterungszustand abhngig.
Aufgaben der Batteriesystemtechnik
State of Function SOF
(z.B. berbrckungszeit, Leistungsprognose)
Ladezustand
SOC (State of Charge)
Alterungszustand
SOH (State of Health)
Modelle und Methoden
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09.04.2014
Thermisches Management
Das thermische Management von Batteriesystemen stellt bei zahlreichen Anwendungen
(HEV, PHEV, BEV) eine sehr groe Herausforderung dar und ist eines der zentralen
Themen in der Batteriesystemtechnik. Die Abbildung zeigt die fr Khlung und Heizung
erforderlichen Leistungen fr ein typisches Elektrofahrzeug.
Aufgaben der Batteriesystemtechnik
(Quelle: M. Sondermann, Valeo)
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09.04.2014
Beispiel: Li-Ionen System fr Smartphone
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09.04.2014
FGuard von Furukawa Battery Co.Ltd.
Elektronik stammt von Midtronics
Messprinzip: Konduktanz
Umrechnung in Ladezustand
Beispiel: Blei-Starterbatterie
Quelle: 9th ELBC Berlin 2004
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09.04.2014
Beispiel: Opel Ampera
Batteriesystem des Opel Ampera (Quelle: Dr. A. Knekamp)
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09.04.2014
Beispiel: Opel Ampera
Schnittbild des Opel Ampera (Quelle: Dr. A. Knekamp)
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09.04.2014
Beispiel: RUF Porsche
Sind die Anforderungen der
Sicherheit hier erfllt?
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Beispiel: stationres Li-Ionen System
LIB 2015
LESSY Projekt
Li-Ionen Batteriespeicher mit
P= 1 MW
E= 700 kWh
Standort: KW Fenne, Evonik
Power,
Saar GmbH
Kosten heute: ca. 1000
/kWh
09.04.2014
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Anwendung: Mehrspeichersysteme
09.04.2014
Beim Einsatz unterschiedlicher
Speicher kann versucht werden
deren Vorteile zu kombinieren.
Die Optimierungsaufgabe besteht in
der Auslegung der Speichergren
und der Betriebsstrategie (EMS).
Solar-
laderegler
Solargenerator
VerbraucherBleibatterie Lithium Batterie
EMS
Li-Ionen
Batterie
Blei-
batterie
Spezifische Kosten - +
Zyklenfestigkeit + -
Betrieb bei Teilladung + -
Betrieb bei hohen
Ladezustnden
- +
Spezifische Energie + -
Hylis Vorhaben im Rahmen der
LIB2015 Initiative des BMBF
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Systemtechnik fr unterschiedliche Speicher
09.04.2014
Systemtechnik ist sehr aufwndig
unbedingt notwendig
Sehr einfache Systemtechnik
mglich
Blei
NiMH
NiCd
Li-Ionen
Blei
verschlossen
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Mglichkeiten prakt. Erfahrung zu sammeln
09.04.2014