Kapazitätsbestimmung. Problemstellung:

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1 Problemstellung: Zu jedem Zeitpunkt während der Entladung Bestimmung der noch verbleibenden Nutzungszeit oder noch zur Verfügung stehenden Energiemenge unter den weiteren Betriebsbedingungen der Anwendung 1

2 Ladezustandsbestimmung Die Bestimmung des Ladezustands (SOC state of charge) beim Entladen ist im Prinzip einfach: : SOC = "Restkapazität / Betriebskapazität nach der letzten Volladung" Wie genau ist die Betriebskapazität nach der letzten Volladung bekannt? Die Restkapazität hängt von der zukünftigen Nutzung (Stromamplitude und Temperatur) ab! Beim Laden muss der Gasungsstrom berücksichtigt werden, der aber nicht direkt gemessen werden kann, sondern nur durch ggf. separate Messung der Sauerstoffund Wasserstoffgasentwicklung. Der Gasungsstrom wird mittels der Spannungslage der Batterie und der Temperatur berechnet. Im Normalfall wird vernachlässigt, dass die Gasentwicklung der beiden Elektroden ungleichmäßig ist, und der Ladezustand der beiden Elektroden deshalb unterschiedlich werden kann. I Gasung = I o,gasung x exp(αnf x (E-E o,gasung )/RT) x exp(kt) I HR = I Batterie -I Gasung. 2

3 Ladezustandsbestimmung Ladezustand (SOC- State of Charge), Entladegrad (DOD Depth of Discharge, Alterungszustand (SOH State of Health) Entladeschluss Vollladezustand Nennkapazität aktuelle Kapazität (auch über 100% der Nennkapazität) nutzbare Kapazität In vielen Fällen ist nur die noch entnehmbare Kapazität (Ah), die Restlaufzeit oder die Startfähigkeit interessant. Für die Steuerung der Betriebsbedingungen ist der Ladezustand entscheidend. Datum:

4 Ladezustandsbestimmung Im Betrieb entscheidend ist die aktuelle, messbare Kapazität unter Nennbedingungen C Messung (C M ) nach einer Volladung. Ladungsbilanz Q B ist die nach einer Volladung bis zum Zeitpunkt T netto aus der Batterie entnommene Ladungsmenge (Bestimmung ist nur einfach, wenn keine Ladungsphasen enthalten sind und damit der Gasungsstrom vernachlässigt werden kann bzw. der Hauptreaktionsstrom mit dem Batteriestrom gleichgesetzt werden kann). Ladungsbilanz = Kapazität bei Konstantstromentladung bis zur Entladeschlussspannung bei der jeweiligen Stormamplitude. t Q B = I HR dt 0 Der Entladegrad (DOD = depth of discharge) ist das Verhältnis von Ladungsbilanz zu Nennkapazität: Q B /C N. Der Ladegrad ist 1 DOD entsprechend (C N Q B )/C N Der Ladezustand SOC) ist der auf die aktuelle, messbare Kapazität bezogene Ladegrad: t SOC = (C M Q B )/C M = 1 1/C M I HR dt 0 4

5 Bestimmung der Restnutzungsdauer Pulsentladung mit 500 Hz Rechteckpulsen Strom Zeit Annahme: Weitere Nutzung entspricht bzgl. Durchschnittsstrom und Lastschwankungen dem bisherigen Verlauf der Entladung Abhängigkeit der Spannungslage von den Details des Entladestroms. Durchschnittlicher Entladestrom ist bei 2,5 A (5A) Konstantstromund 5 A (10A) Pulsentladung gleich. Bei bekanntem Lastprofil (z.b. USV- Anlage für Geräte mit konstantem Lastprofil) ist der Vergleich der Spannungslage mit der Spannungslage während der Abnahme aussagekräftig. Einfache Messung der Spannung ist nur bei konstanter Entladung aussagekräftig. 5

6 Messung der Kapazität bei schwankenden Lasten Minütlich abgetastete Batteriespannung (Durchschnittswerte) beim Fahrbetrieb eines Elektrofahrzeugs in Abhängigkeit vom Entladegrad Einfache Spannungsmessung unbrauchbar Auswertung der Spannung - nur bei Last - Mittelung der Meßwerte - Berücksichtigung der Anwendung (z.b. durchschnittlicher Entladestrom) Amperestundenmessung - teuer (großer Messbereich und hohe Genauigkeitsanforderung) - tatsächliche Kapazität der Batterie unbekannt Komplexe Messung (A, Ah, V, t, T) teuer aber hervorragende Ergebnisse im Traktionsbereich Berücksichtigung von Zwischenladungen - Ladewirkungsgrad vom Ladezustand abhängig Rücksetzen auf volle Kapazität - Fehleraddition gravierend 6

7 Messung der Kapazität bei schwankenden Lasten Bei Berechnungen: t 1 SOC(t 1 ) = SOC(t o ) + 1/C M I HR dt Ladezustandsänderung ist relativ genau messbar, allerdings nimmt die Genauigkeit am Ende der Ladung ab, weil der Gasungsstrom einen immer größeren Anteil des Batteriestroms ausmacht. Ladezustand unter 0 % ist möglich, Ladezustand über 100 % nicht und wird rechnerisch zurückgesetzt. Rücksetzungskriterium am Ende der Ladung, z.b. ab einem Ladezustand von 98 % wird von einer vollgeladenen Batterie ausgegangen und der Wert auf 100 % gesetzt. Es muss immer ein zusätzliches, unabhängiges Kriterium zur Erkennung des Vollladezustands vorhanden sein. Selbstlernender Algorithmus: 1) Gasungsstrom wird langsam so verändert, dass Ladezustand bei Volladung gut stimmt. 2) Betriebskapazität wird verändert, wenn Gasungsstrom sonst zu klein würde oder ein sehr geringer Ladezustand bei hoher Spannung berechnet würde. 3) Ladezustandwert wird mit Spannungswert und Strom verglichen, um Plausibilitätsgrenzen zu haben, z.b. Hoher Ladestrom und Spannung oberhalb eines Grenzwertes: SOC größer als Y %. Entladestrom (geglättet) und Spannung unterhalb eines Grenzwertes: SOC kleiner als X %. t o 7

8 Entwicklung der Kapazität während der Lebensdauer Zahl der Zyklen Kapazität einer Batterie nimmt bei Zyklenbetrieb zu, aber nicht unbedingt im Ladeerhaltungsbetrieb, z.b. für USV-Anwendungen. Bei Traktionsanwendungen: Kapazität muss bei Auslieferung mindestens 80 % betragen und nach 10 Zyklen auf 100 % steigen. Zunahme am Anfang der Lebensdauer durch Zyklisierung Bleisulfat aus dem Produktionsprozess wird vollständig umgewandelt Mikrostruktur verbessert sich Am Ende der Lebensdauer Abschlammung Elektrischer Kontakt innerhalb der Masse - Teilbereiche werden entkoppelt Korrosion Verschlechterung von Bestandteilen der negativen Masse (Spreizmittel, etc.) Kapazitätszunahme bei Zyklisierung als Regel, in Anwendungen ohne Zyklisierung erfolgt nicht immer eine Kapazitätszunahme. 8

9 Bestimmung der restlichen Überbrückungszeit von Batterien in USV-Anlagen Kennlinien der verwendeten Batterie "Spannungsabnahme bei konstantem Strom/konstanter Last" sind gespeichert. Vergleich der gemessenen Spannungsabnahme während der Nutzung mit der verstrichenen Zeit und Auswahl der "richtigen" Kennlinie Ablesen der Restnutzungsdauer von der Kennlinie Standard bei hochwertigen USV-Anlagen Neue Batterie, 140 A Entladung Gealterte Batterie, 140 A Entladung, Berechung einer "tatsächlichen Betriebskapazität möglich! Verfahren berücksichtigt explizit den jeweiligen Strom- bzw. Lastverlauf und implizit das Alter/Zustand der Batterie. Zum Abschalten wird nicht zwischen schnellem Spannungsabfall wegen hohem Strom oder wegen verbrauchter Batterie unterschieden. Bei zusätzlicher Strommessung kann eine Abweichung genutzt werden, um die Kapazität der Batterie einzuschätzen. 9

10 Kapazitätsbestimmung von Batterien in Flurförderzeugen mit Mikado/IBAT Unterschied zu USV-Anlagen: Laden und Entladen, Stillstandszeiten Zusätzliche Eingaben Batterietyp, Plattendimensionen, etc., damit die Kennlinien vieler unterschiedlicher Batterien abgedeckt werden können. Messungen der Temperatur, des Stroms und der entnommenen Amperestunden Kapazitätsbestimmung: Durch Messung der durchgesetzten Ladungsmenge ist bekannt, auf welchem Punkt der Kennlinie die Batterie sich bei einem durchschnittlichem Entladestrom befinden müsste. Eine höhere Spannung als der erwartete Wert bedeutet, dass die tatsächliche Kapazität der Batterie höher als der angenommene Wert ist. Der Kapazitätswert wird so geändert, dass gemessener und bei der entnommenen Ladungsmenge erwarteter Spannungswert gleich sind. Problematik: Bildung von Durchschnittsstrom und Durchschnittsspannung, Schrittweite bei der Anpassung der neu berechneten Kapazität an den jeweils letzten berechneten Wert. Regelmäßige Rekalibrierung durch Volladung erforderlich, ca. 20 % der Kapazität müssen entnommen werden, damit die Kapazität angepasst werden kann. 10

11 Steuerung der Betriebsbedingungen bei Batterie gestützten Energiesystemen Erfahrungen in erneuerbaren Energiesystemen haben gezeigt, dass die Lebensdauer zunimmt, wenn die Entladung in Abhängigkeit vom Ladezustand und nicht der Spannung verhindert wird bzw. Zusatzgeneratoren eingeschaltet werden. Bei Hybridfahrzeugen wird der Ladezustand berechnet und auf einem bestimmten Wert gehalten, damit die Batterie zu jedem Zeitpunkt Energie aufnehmen und abgeben kann. Aus dem Ladezustand kann nichts über die Ladungsmenge /Energiemenge ausgesagt werden, die abgegeben oder aufgenommen werden kann. Es muss auch immer die Betriebskapazität C M bekannt sein. SOC(t) = 1-1/C M I HR dt 0 t 11