Energiespeicher IV. Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger Dipl. Ing. (FH) Georg Koch. Vorlesung Für den Masterstudiengang Automobil- und Nutzfahrzeugtechnik
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- Gregor Holzmann
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1 Energiespeicher IV Vorlesung Für den Masterstudiengang Automobil- und Nutzfahrzeugtechnik WS 2014/2015 Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger Dipl. Ing. (FH) Georg Koch
2 Auslegung der Batteriespeicher in der Fahrzeugtechnik Georg Koch AuN Master WS 2014/2015 2
3 Historischer Hintergrund: Elektrofahrzeuge sind keine neue Erfindung Anfänge des Automobils: vor dem Siegeszug der Verbrennungsmotoren waren die Fahrzeuge zum großen Teil batterieelektrisch angetrieben ( ) 1900: Lohner-Porsche mit 4 Radnabenmotoren : : 1967: Ford Testfahrzeug mit Natrium-Schwefel-Batterie 1972: BMW 1602 Elektro als Begleitfahrzeug für Marathonläufer und Langstreckengeher bei die Olympiade 1972 in München 12 Blei-Starterbatterien, 12,6kWh, Reichweite 60km Quelle: Das Beste aus Reader s Digest Mai 1967, Auto-Motor-und-Sport.de, Wikipedia, BMW Georg Koch AuN Master WS 2014/2015 3
4 Serien- bzw. seriennahe e-fahrzeuge der jüngeren Vergangenheit 1979: VW-Golf CitySTROMer 16 Blei-Gel-Batterien, 11,5kWh Reichweite 70km 1992: BMW E1 concept anfangs mit NaS, später NaNiCl-Batterie, 19kWh, Reichweite 155km 199x: VW-Golf mit NiMH-Batterien von Varta als Versuchsfahrzeug 1996: General Motors EV1 1. Gen. Blei, 16,5kWh, Reichweite ca. 113km 2. Gen. NiMH, 26,4kWh, Reichweite 225km 1997: Audi A4 Duo erster in Europa in Serie gebaute Hybrid Quelle: BMW, Wikipedia Georg Koch AuN Master WS 2014/2015 4
5 Auslegung der Batteriespeicher in der Fahrzeugtechnik Welches Zielfahrzeug soll ausgerüstet werden? Pedelec Roller PKW LKW / Busse Sonderfahrzeuge Straßenreinigung Müllabfuhr Pistenraupen Gebirgs-Pendelbus... Georg Koch AuN Master WS 2014/2015 5
6 Auslegung der Batteriespeicher in der Fahrzeugtechnik Art der Elektrifizierung? Hybrid Mikro Mild Full Plug-In nur Bremsenergierückgewinnung, keine Wandlung elektrischer Energie für Antrieb Unterstützung des Verbrennungsmotors für Antrieb, kein elektrisches Fahren elektrisches Fahren mit eingeschränkter Geschwindigkeit möglich Laden der Batterie vom Stromnetz möglich Voll Elektrisch Georg Koch AuN Master WS 2014/2015 6
7 Batterieauslegung verschiedener Elektrifizierungsstufen Quelle: Die Batterie als Schlüsseltechnologie für die Elektromobilität, Hochschule Reutlingen Georg Koch AuN Master WS 2014/2015 7
8 Batterieauslegung verschiedener Elektrifizierungsstufen Leistungszelle Energiezelle Quelle: Die Batterie als Schlüsseltechnologie für die Elektromobilität, Hochschule Reutlingen Georg Koch AuN Master WS 2014/2015 8
9 Batterieauslegung verschiedener Elektrifizierungsstufen Quelle: Magna Steyr Georg Koch AuN Master WS 2014/2015 9
10 Technologieauswahl NPE = Nationale Plattform Elektromobilität EUCAR-Level 3 = leakage, no venting, no fire, no flame, no rupture, no explosion Quelle: Die Batterie als Schlüsseltechnologie für die Elektromobilität, Hochschule Reutlingen Georg Koch AuN Master WS 2014/
11 Technologievergleich Quelle: Die Batterie als Schlüsseltechnologie für die Elektromobilität, Hochschule Reutlingen Georg Koch AuN Master WS 2014/
12 Auswahl geeigneter Bauformen und -größen Zylindrisch + rel. große Auswahl an Technologien und Hersteller in den Standardgrößen 14500, 18650, rel. preiswerte Herstellung durch eingefahrene Anlagen aus der Consumer-Elektronik + Schnelle und damit preiswerte Wickel- und Crimp-Verfahren + Mit kleinen Zellen kann vorhandener Bauraum gut gefüllt werden - Runde Form hat aber nicht nur Vorteile mechanische Anordnung / Befestigung / Kontaktierung / Kühlung - Kleine Zellen erfordern hohe Zellenanzahl und damit aufwändige Verbindungstechnik Prismatisch + rel. große Zellen realisierbar + höhere Packungsdichte möglich + vom VDA standardisierte Baugrößen (Normierung in Vorbereitung -> DIN 91252) - rel. aufwändige und damit teure Zellfertigung (Flachwickel und Laserschweißen) Pouch + Geringeres Volumen / Gewicht wegen sehr dünnwandigem Gehäuse + Großflächige Zellen realisierbar, Abmessungen kostengünstiger anpassbar - Dicke der Zellen durch Tiefziehprozess des Laminats stark limitiert - Aufwändigere Verarbeitung durch mechanische Verletzungsgefahr der Zellen - Gewichts- und Volumenvorteil wird durch notwendige Befestigungs- und Kühlmaßnahmen zumindest teilweise wieder kompensiert Georg Koch AuN Master WS 2014/
13 Zylindrische Zellen aus Consumer- und Powertool-Produkten D/ mm L/ mm V/ mliter , , , ,2 Georg Koch AuN Master WS 2014/
14 Vom VDA standardisierte Zellen L/ mm H/ mm D/ mm V/ Liter HEV ,5 0,128 PHEV ,309 PHEV ,5 0,357 EV ,637 EV ,896 MCV1* ,692 MCV2* ,973 Angaben ohne Terminal * Zellformate für die Aufnahme in den VDA Standard beabsichtigt Georg Koch AuN Master WS 2014/
15 Aufbau eines Batteriespeichers Vorgaben: Nutzbarer Energieinhalt des Batteriespeichers Reichweitenvorgabe und Fahrsimulation Maximal entnehmbare Leistung Erwartung bezüglich Beschleunigung, Geschwindigkeit, Steigung, Maximale und minimale Spannung des Speichers Bauraum Vorgaben der Leistungselektronik (Motoransteuerung und Laden) Max. Gewicht Georg Koch AuN Master WS 2014/
16 Speichertopologie Mindestanzahl der benötigten Zellen: geforderte nutzbare Energie des Speichers N = nutzbare Energie der ausgesuchten Zelle Bei Pkw s beträgt heute üblicherweise die maximale Batteriespannung etwa 400V, max. 430V (bedingt durch die Verwendung von 600V- Leistungshalbleitern), bei Lkw bis ca. 800V (1200V-Halbleiter) Bei 4,1V Umax pro Zelle (abhängig von Technologie) ergibt sich damit bei Pkw s eine maximale Anzahl von in Serie geschalteter Zellen von 96. Aus Sicherheits- und Fertigungsgründen teilt man diese Zellen in kleinere Einheiten (Module) auf, die jeweils üblicherweise unter 60V Maximalspannung bleiben. Damit gelten diese Module von der Spannung noch als ungefährlich und fallen unter die Kleinspannungsrichtlinie. -> max. 14 Zellen seriell in einem Modul Achtung: Der Kurzschlussstrom kann mehrere ka betragen!!! Georg Koch AuN Master WS 2014/
17 Komponenten eines Batteriespeichers Zellen und Zellverbinder Module und Modulverbinder Überwachungselektronik (BMS) Temperatursensoren Kurzschlusssicherung Trenn-Relais 2-polig Trenn-Stecker Hochstromstecker Datenschnittstelle Elektrische Isolations-Überwachung Kühlung / Heizung Überdruckmembran mit Gasführung Gehäuse Georg Koch AuN Master WS 2014/
18 Speichertopologie Verwendung großer Zellen: Dabei kann auf Parallelschaltung verzichtet werden und der Aufbau der Batteriemodule/-speicher gestaltet sich relativ übersichtlich. Typische Vertreter für Verwendung großer prismatischer Zellen: Mitsubishi i-miev: 88 Zellen, 50Ah BMW i3: 96 Zellen 8 Module mit je 12 Zellen, 60Ah Quellen: BMW, Wikipedia Georg Koch AuN Master WS 2014/
19 Speichertopologie Kleine Zellen erfordern Parallelschaltung: Bei einer notwendigen Parallelschaltung kann diese entweder auf Zell-, Moduloder Speicherebene erfolgen. Üblicherweise erfolgt die Parallelschaltung auf Zellebene. Diese hat aber in enger Absprache mit dem Zellhersteller zu erfolgen, da damit einige Vorsichtsmaßnahmen zu beachten sind. Typische Vertreter von Parallelschaltung von kleinen Zellen: Tesla Roadster: 6831Zellen insgesamt (mögliche Aufteilung: 9 Module mit 11s69p) Tesla Model S: ca Zellen aufgeteilt auf 15 Module MINI-E: 5088 Zellen 48 Module mit 2s53p Georg Koch AuN Master WS 2014/
20 Speichertopologie Mittlere Zellen erfordern ebenfalls Parallelschaltung: Typischer Vertreter von Parallelschaltung von prismatischen Zellen: VW e-golf: 264 Zellen mit 25Ah aufgeteilt auf: 17 Module mit 4s3p + 10 Module mit 2s3p Quelle: caricos.com Georg Koch AuN Master WS 2014/
21 Batteriepack des VW e-golf Quelle: caricos.com Georg Koch AuN Master WS 2014/
22 Batteriepack des BMW i3 Quelle: Georg Koch AuN Master WS 2014/
23 Batteriepack des Tesla Model S Quelle: Georg Koch AuN Master WS 2014/
24 Allgemeine Anforderungen: Temperaturbereich für Fahrbetrieb und Laden Betrieb -25 C C Laden -10 C C (Rekuperieren eingeschränkt schon ab -25 C) Schnelladefähigkeit (80% in 30 Minuten) Resistent gegen feuchte Wärme und Temperaturwechsel Resistent gegen Vibrationen / Schock in allen drei Raumachsen Keine Gas-Emissionen im Normalbetrieb Georg Koch AuN Master WS 2014/
25 Erwartete Lebensdauer: Zyklische Lebensdauer: BEV: Vollzyklen HEV: mehrere Teilzyklen Kalendarische Lebensdauer: Mindestens 8 10 Jahre Beide Werte sind in Verbindung zu sehen, das bedeutet ein Batteriespeicher muss z.b. innerhalb einer Gebrauchsdauer von 10 Jahren 2500 Vollzyklen absolvieren können. Im Allgemeinen wird von der Batteriespeicher noch eine Kapazität von 80% seines Anfangswertes erwartet. Georg Koch AuN Master WS 2014/
26 Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger Hochschule Landshut Technologiezentrum Energie Wiesenweg 1 D Ruhstorf a. d. Rott Tel.: Fax: Karl-heinz.pettinger@fh-landshut.de
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