Laborbericht. Ladekurve BMW i3. Projekt-Nr.: Laborbericht: LB V2.0. Datum:

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1 Laborbericht Ladekurve BMW i3 Projekt-Nr.: Laborbericht: LB V2.0 Datum: Kompetenzzentrum Fahrzeug Elektronik GmbH Erwitter Straße 105, Lippstadt Tel.: / Fax.: / info@kfe-lippstadt.de Internet:

2 Inhaltsverzeichnis 1. Versuchsdurchführungsplan Testspezifikation Versuchsaufbau Versuchsergebnisbericht Zusammenfassung Anhang Datum: Seite 3 von 13

3 1. Versuchsdurchführungsplan Test- Nr. Bezeichnung Anzahl Prüflinge Dauer 1 Aufnahme der Batteriespannung, Batteriestrom, SOC und der Temperatur während des Ladevorgangs beim BMW i3 1 BMW i3 5 h Informationen zum Prüfling: Der BMW i3 wird auf einen Ladezustand von unter 5% gefahren, sodass eine möglichst komplette Ladekurve aufgenommen werden kann. Weitere Angaben zur Batterie des Prüflings: Hersteller: Nennspannung: Max. Strom: Maximale Leistungsabgabe: Anzahl Zellen: Zellenart: Samsung SDI 360 V 409 A 147 kw 96 Akkumulator Zellen (8 Module, je 12 Zellen) Lithium-Ion Kapazität: 21,6 kwh, davon Nutzbar: 18,8 kwh (87%) Gewicht: 230 kg (mit Gehäuse) Datum: Seite 5 von 13

4 Herstellerangaben: Datum: Seite 6 von 13

5 2. Testspezifikation Testbeschreibung: Es wird die Ladekurve des BMWi3 unter Berücksichtigung der Batteriespannung, des Batteriestroms, des Ladezustands und der durchschnittlichen Zelltemperatur aufgenommen. Hierzu wird ein Hella Gutmann Tester an das Fahrzeug angeschlossen und die angegebenen Parameter notiert. Der Ladevorgang des Fahrzeugs wird nicht unterbrochen und nur mit Hilfe des mitgelieferten BMW Ladekabels an einer Mennekes Ladesäule Premium S 22 durchgeführt. Messmittel: Hella Gutmann Tester mega macs 66 HP ProBook 650 G1 mit MS Excel 2013 Mennekes Wand-Ladestation Premium S 22 Testparameter: Nebenverbraucher: Aus Testanforderungen: Voraussetzung Der BMWi3 muss an der Mennekes Ladesäule des KFE geladen werden. Die Ladung wird mit 3-phasigem Wechselstrom durchgeführt AC Schnellladen (Typ 2). Der Hella Gutmann Tester wird zum Ablesen der notwendigen Parameter eingesetzt. Dokumentation Parameter des Gutmann Testers Ablageort: Interne Serverstrukter der KFE GmbH Bewertungskriterium: Berechnung des Ladewirkungsgrades Testdurchführung: 1. Anschluss des Gutmann Testers an die OBDII-Buchse des BMWi3. 2. Fahrzeug einschalten. 3. Abschalten aller Nebenverbraucher (Heizung, Licht, Radio, Lüftung, Klimaanlage) 4. Auswahl der notwendigen Parameter (Batteriespannung, Batteriestrom, durchschnittliche Temperatur der Zellen, berechnete Ruhespannung, Istwert SOC, SOC). 5. Anmeldung der Ladesäule über die RFID-Karte. 6. Kontaktierung des Fahrzeugs mit der Ladesäule über das mitgelieferte BMWi3 Ladekabel Typ Manuelle Aufnahme der Messparameter vom Gutmann Tester und Übertragung in eine Excel Tabelle. Intervall: alle 2 Minuten (während der CV Ladephase im 1-Minuten Intervall). 8. Der Ladevorgang wird vom BMW i3 automatisch beendet. Datum: Seite 7 von 13

6 3. Versuchsaufbau Abbildung 1: BMW i3 an der Mennekes Ladesäule im Außenbereich des KFE Abbildung 2: Typ 2 Stecker zu Beginn des Ladevorgangs Abbildung 3: Parameter des Gutmann Testers Datum: Seite 8 von 13

7 U in V I in A, T in C, E in kwh und P in kw Laborbericht LB V Versuchsergebnisbericht CC-Ladung CV-Ladung Ladezeit in min Batteriespannung Batteriestrom durchschnittliche Zelltemperatur Leistung Energie Abbildung 4: Verlauf der Batteriespannung, des Batteriestroms, der durchschnittlichen Zelltemperatur, der kumulierten Energie und der Leistung während des Ladevorgangs Abbildung 4 zeigt den genauen Ladeverlauf einzelner Parameter. Es wird die CC-Ladung und CV- Ladung anhand des Batteriestromes, der Batteriespannung und der Leistung besonders deutlich. Die Leistung wird als Multiplikation der Batteriespannung mit dem Batteriestrom berechnet. Damit kann der fallende Strom erklärt werden, da die Spannung steigt und hiermit die Leistung als limitierender Faktor gegeben wird. Es lässt sich festhalten, dass die CV-Ladung 24% von der Gesamtladedauer beansprucht. Wird nun die kumulierte Energie hinzugezogen wird deutlich, dass diese im CV-Ladezeitraum lediglich 9,1% von der Gesamtenergie beträgt. In Abbildung 5 werden die beiden SOC-Verläufe aufgetragen. Der Gutmann Tester gibt zum einen den sogenannten SOC-Istwert aus, welcher auch im Bordcomputer des Fahrzeugs angezeigt wird. Zum anderen wird der reale SOC vom Gutmann Tester angegeben. Dies ist der reale Ladezustand der Traktionsbatterie. Dieser steigt nicht auf 100% SOC an und sinkt nicht auf 0%, sodass eine Vollladung und eine vollständige Entladung der Batterie nicht stattfinden. Datum: Seite 9 von 13

8 Batteriespannung in V Istwert SOC (User) SOC :48 12:00 13:12 14:24 15:36 16:48 SOC in % Abbildung 5: SOC-Verlauf während des Ladevorgangs; Istwert SOC = SOC, der im Bordcomputer angezeigt wird; SOC = SOC, der als Parameter im Gutmann Tester angezeigt werden kann Tabelle 1: Übersichtstabelle der aufgenommenen Parameter mit Angabe des Ladewirkungsgrades (Parameter befinden sich im Anhang) Uhrzeit Istwert SOC SOC HV Batterie: Strom HV Batterie: Spannung [hh:mm] [%] [%] [A] [V] [kwh] aufgenommene Energie Start Messung 11:23 3,8 13,2-0, Start Ladevorgang 11:25 4,1 13,5 13,5 340,6 0 Ende Ladevorgang 16: ,9 1,1 393,4 19,0878 Ende Messung 16: ,9-0,7 393,1 19,0878 Abgegebene Energie Ladesäule 21,6358 Ladewirkungsgrad 88,22% Datum: Seite 10 von 13

9 Abbildung 6: Informationen über den Ladevorgang mit Angabe der geladenen Energie (21,6358 kwh) Datum: Seite 11 von 13

10 5. Zusammenfassung Der hier durchgeführte Test am BMWi3 zur Bestimmung des Ladewirkungsgrades bei einer 3-phasigen Wechselstromladung zeigt, dass das Fahrzeug einen Wirkungsgrad von 88,22% erzielt. Dies ist unter anderem auf die geringe Außentemperatur (ca. 8 C) zurückzuführen, die eine passive Kühlung der Batteriezellen erwirkt. Zum Vergleich erzielt der Peugeot ion beispielsweise einen Ladewirkungsgrad von 85%. (Quelle: Stefan Menke. Analyse der kalendarischen Alterung von Lithium-Ionen-Rundzellen mit Erhaltungsladung bei variierendem SOC. Masterthesis. Bielefeld: Fachhochschule Bielefeld, 2014.) Zudem kann festgehalten werden, dass die beiden angegebenen SOC-Werte als Sicherheitstechnik für die Batterie gelten. Der Istwert SOC wird im Bordcomputer des Fahrzeugs angezeigt und wird immer auf 100% normiert. Der SOC ist somit der tatsächliche SOC der Batterie, welcher nicht komplett auf 0% sinkt und nicht bis auf 100% steigt. Bei einer Anzahl von insgesamt 96 Lithium- Ionen-Zellen und einer Gesamtspannung von ca. 393,4V ergibt sich eine Spannung pro Zelle von 4,1V. Somit lädt der Hersteller nicht bis zur Spannungsobergrenze von 4,2V pro Zelle. Da der SOC nicht auf 0% sinkt, verhindert das Batteriemanagementsystem eine vollständige Entladung. Als Abschaltkriterium in der CV-Ladephase wird die Stromstärke gewählt. Sobald der Strom 1A beträgt wird die Ladung beendet. Insgesamt wird gezeigt, dass die CV-Ladung 24% von der Gesamtladedauer ausmacht. Daraus ergibt sich ein Verhältnis von ¼ CV-Ladung zu ¾ CC-Ladung. Innerhalb dieser CV-Ladung wird 9,1% von der Gesamtenergie geladen. Datum: Seite 12 von 13

11 6. Anhang Aufgenommene Parameter im.xls-format Datum: Seite 13 von 13