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Lithium Ion Batterietechnik

Date post: 20-Sep-2015
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TUM Vorlesung
46
Vorlesung Batteriesystemtechnik 1. Einführung 09.04.2014 Prof. Dr.-Ing. Andreas Jossen Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik (EES) Karlstrasse 45, 80333 München, Technische Universität München [email protected] , Tel.: 089-289-26967
Transcript
  • 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

  • 09.04.2014

    Termine und Organisatorisches

    Vorlesungsinhalte

    Einfhrung

    Systemtechnische Aufgaben

    Notwendige Systemtechnik

    Systemtechnik unterschiedlicher Anwendungen

    bersicht

  • 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

  • 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

  • 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

  • 09.04.2014

    Hauptakku

    Range

    Extender

    Neue Herausforderungen in der Systemtechnik

  • 09.04.2014

    Beispiel HE-System: TUM .

  • 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

  • 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

  • 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

  • Batteriesystem von Nissan

    EV Batteriesystem

    von SB Limotive

    EV Batteriesystem von Nissan

    09.04.2014

  • 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

  • Komponenten eines Li-Ionen-Batteriesystems

    Zellen

    Kontaktierung Klimatisierung

    Gehuse

    Batteriemanagement

    SicherheitselementeSchtz, Shunt, Isolationswchter

    Schnittstellen

    09.04.2014

  • 09.04.2014

    Batteriesystem des S400 Hybrid

  • 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

  • 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

  • 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

  • 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

  • 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

  • 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

  • 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

  • 09.04.2014

    Die Zuverlssigkeit ist durch die Qualitt der Zellen, der Zellverbinder und aller weiteren

    Komponenten bestimmt.

    Parameter von Li-Ionen Batteriesystemen

  • 09.04.2014

    Die Kosten eines Batteriesystems werden zu ca. 30% durch die Systemtechnik

    verursacht.

    Parameter von Li-Ionen Batteriesystemen

  • 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

  • 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

  • 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

  • Bestandteile eines BMS

    Zellen

    Kontaktierung Klimatisierung

    Gehuse

    Batteriemanagement

    SicherheitselementeSchtz, Shunt, Isolationswchter

    Schnittstellen

    09.04.2014

  • 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

  • 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.

  • 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

  • 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

  • 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

  • 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

  • 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

  • 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

  • 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

  • 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)

  • 09.04.2014

    Beispiel: Li-Ionen System fr Smartphone

  • 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

  • 09.04.2014

    Beispiel: Opel Ampera

    Batteriesystem des Opel Ampera (Quelle: Dr. A. Knekamp)

  • 09.04.2014

    Beispiel: Opel Ampera

    Schnittbild des Opel Ampera (Quelle: Dr. A. Knekamp)

  • 09.04.2014

    Beispiel: RUF Porsche

    Sind die Anforderungen der

    Sicherheit hier erfllt?

  • 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

  • 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

  • Systemtechnik fr unterschiedliche Speicher

    09.04.2014

    Systemtechnik ist sehr aufwndig

    unbedingt notwendig

    Sehr einfache Systemtechnik

    mglich

    Blei

    NiMH

    NiCd

    Li-Ionen

    Blei

    verschlossen

  • Mglichkeiten prakt. Erfahrung zu sammeln

    09.04.2014


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