Experimentelle Charakterisierung elektrochemischer Energiespeicher in der Ingenieursausbildung

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1 Virtuelle Instrumente in der Praxis VIP 2016 Experimentelle Charakterisierung elektrochemischer Energiespeicher in der Ingenieursausbildung Prof. Dr.-Ing. Uwe Tröltzsch, Jan-Simon Krause Rheinische Fachhochschule Köln, Professur für Elektrotechnik und Elektronik, Köln Kurzfassung Batterien und Superkondensatoren werden zur autarken Energieversorgung und zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie genutzt. Interessante Anwendungen sind Rekuperation von Bremsenergie oder lokale Speicherung von Solarstrom. Im Beitrag wird ein Versuchsplatz zur Charakterisierung dieser Energiespeicher vorgestellt. Studierende können damit Lade- und Entladekurven aufnehmen, Ladungs- und Energiewirkungsgrade ermitteln sowie Parameter für Simulationsmodelle bestimmen. Ein steuerbarer Leistungsverstärker dient zum Anschluss der Energiespeicher. Mit einer Datenerfassungskarte lassen sich Stromverläufe vorgeben sowie Strom und Spannung messen. Die Programmierung der Prüfabläufe und die Messdatenaufzeichnung erfolgen mit LabVIEW. Abstract Batteries and supercapacitors can be used for self-sustaining energy supply and temporary storage of electrical energy. Recuperation of braking energy or local storage of solar power are very interesting applications. In this article experiments and a corresponding setup are presented to characterize these energy storages. Students can use them to measure charge and discharge capacity and determine efficiency and parameters for simulation models. A controllable power amplifier is used to charge and discharge the energy storage. A data acquisition board generates current profiles and measures voltage and current. Programming of test sequences and measurement data recording is done with LabVIEW. Einleitung Batterien und Superkondensatoren werden in vielfältigen Anwendungen zur autarken Energieversorgung und zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie genutzt. Interessante Anwendungen sind beispielsweise die Rekuperation von Bremsenergie oder die lokale Speicherung von Solarstrom. Im Rahmen der Ingenieursausbildung soll Studierenden das für die Anwendung dieser Energiespeicher erforderliche Wissen praktisch vermittelt werden. Eine mögliche Herangehensweise und ein zugehöriger Versuchsaufbau werden in diesem Beitrag vorgeschlagen. Aufbauend auf den Kenngrößen elektrochemischer Energiespeicher werden Versuchsabläufe vorgeschlagen, mit denen sich diese ermitteln lassen, und Anwendungsszenarien gezeigt, für die diese Kenngrößen relevant sind. Für Studierende erschließt sich so neben der Funktionsweise von Energiespeichern auch der Umgang mit rechnergestützten Messsystemen. 423

2 Uwe Tröltzsch, Jan-Simon Krause Eigenschaften elektrochemischer Energiespeicher Für die technische Anwendung elektrochemischer Energiespeicher spielen deren Eigenschaften eine wichtige Rolle. Für eine erste Auslegung der Anwendung sind Größen wie Energieinhalt, Ladungsinhalt, Spannungsbereich, maximaler Strom- und Temperaturbereich wichtig. Anhand dieser Daten und den Anforderungen der Anwendung erfolgt eine Auswahl eines geeigneten Speichers. Erweiterte technische Kenngrößen wie Ladungs- und Energiewirkungsgrad, ohmscher Innenwiderstand oder Selbstentladerate geben Aufschluss über die Eigenschaften eines speziellen Energiespeichers. Anhand dieser Daten sind die Ausführungen verschiedener Hersteller mit vergleichbarem Energieinhalt unterscheidbar und genauer vergleichbar (Bild 1). Eine weiter verfeinerte Betrachtung der Eigenschaften kann über Modelle der Speicher erfolgen (Bild 2). Mit den Modellen kann das dynamische und nichtlineare Verhalten der Speicher simuliert werden. Mit einer Simulation lässt sich das Verhalten eines Speichers einer konkreten Anwendung vorhersagen, was unter anderem für Batteriesystementwicklung und -tests erforderlich ist (Bild 3). Bild 1: Zusammenfassung wichtiger Kenngrößen elektrochemischer Energiespeicher Experimentgestaltung Versuche zur experimentellen Charakterisierung elektrochemischer Energiespeicher sollen Studierende in die Lage versetzen, Speicher für eine Anwendung auszuwählen, die Anwendung zu dimensionieren sowie Simulationen und Funktionstests zu entwerfen. Erste einfache Experimente dienen z. B. der Messung der Speicherkapazität. In weiterführenden Versuchen können Wirkungsgrade und der Innenwiderstand bestimmt werden. Aufgrund der langen Lade- und Entladezeiten von Batterien eignen sich für praktische Versuche in Laborpraktika insbesondere Superkondensatoren. Innerhalb weniger Minuten können diese vollständig geladen und entladen werden (Bild 4). Durch eine Messung der komplexen Impedanz bei verschiedenen Frequenzen des Speichers lassen sich Daten zur Parameterbestimmung für Simulationsmodelle gewinnen. Damit ist unter anderem eine Simulation im Zeitbereich für beliebige Zeitsignale möglich. 424

3 Experimentelle Charakterisierung elektrochemischer Energiespeicher in der Ingenieursausbildung Bild 2: Prinzip einzelner Experimente zur Messung der Eigenschaften von Superkondensatoren Messaufbau Aufgrund der geringen Innenwiderstände von Batterien und Superkondensatoren eignen sich Stromquellen besonders zur Messung von deren Eigenschaften. Rechnergestützte Stromvorgabe und Messdatenauswertung erlauben dabei vielfältige Experimente. Als Stromquelle dient ein spannungsgesteuerter 4-Quadranten-Stromverstärker mit einer oberen Grenzfrequenz von 20 khz und einem maximalen Strom von 20 A. Dies erlaubt Messungen mit steilen Stromflanken und damit auch das Nachstellen anwendungsnaher Stromprofile. Die Datenerfassungskarte NI PCI-4461 zur Erfassung dynamischer Signale eignet sich hier durch ihren großen Dynamikbereich. Die Programmierung des Prüfstandes erfolgt in Lab- VIEW auf der Basis einer ereignisgesteuerten Zustandsmaschine. Bild 3: Messaufbau mit Datenerfassung Verschiedene Szenarien wie die Vorgabe von konstantem Strom, Spannung, Widerstand oder Leistung können so realisiert werden. Als Stromsignal kann zusätzlich ein beliebiges Testsignal mit einem Funktionsgenerator erzeugt oder aus einer Datei abgespielt werden. 425

4 Uwe Tröltzsch, Jan-Simon Krause Typische Messergebnisse Bild 4: Prüfstand mit Superkondensator Die folgende Abbildung zeigt einen typischen Strom- und Spannungsverlauf bei einem Lade- und Entladeversuch mit konstantem Strom. Aus gemessenen Ladungsmengen lassen sich Ladungs- und Energiewirkungsgrad bestimmen und aus dem Anstieg der Spannung kann die Kapazität des Superkondensators berechnet werden. Die entladene Energiemenge stimmt sehr gut mit der im Datenblatt angegebenen Energiespeicherkapazität von 3 Wh überein (Bild 5). Bild 5: Messergebnisse beim Laden und Entladen Zur Impedanzmessung wird, wie in der folgenden Abbildung gezeigt, ein sinusförmiges Stromsignal verwendet. Aus den Signalamplituden und der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung lässt sich die komplexe Impedanz berechnen. Durch Wiederholung der Messung bei verschiedenen Frequenzen entsteht das Bode-Diagramm. Die Verwendung der Datenerfassungskarte NI PCI-4461 ist für die Impedanzmessung besonders günstig, da Gleichspannungssignalen von einigen Volt sehr kleine Wechselspannungen von wenigen mv überlagert sind. Bei einem Messbereich von 10 V bis 10 V und einer Auflösung von 24 Bit beträgt die Quantisierung lediglich 1,2 µv (Bild 6). 426

5 Experimentelle Charakterisierung elektrochemischer Energiespeicher in der Ingenieursausbildung Zusammenfassung Bild 6: Messergebnisse bei der Impedanzmessung Mit vergleichsweise einfachen Versuchen wie einem Lade- und Entladetest mit konstantem Strom oder einer Impedanzmessung mit einem sinusförmigen Stromsignal variabler Frequenz lassen sich viele technisch relevante Eigenschaften von elektrochemischen Energiespeichern bestimmen. Im Rahmen von Praktikumsversuchen von Studierenden bieten sich aufgrund kurzer Lade- und Entladezeiten Superkondensatoren als Untersuchungsobjekt an. In weiterführenden Auswertungen der Versuche ist beispielsweise die Parametrierung von Simulationsmodellen für das Zeitverhalten und die anschließende messtechnische Verifikation möglich. Damit werden in der Ingenieursausbildung wichtige Grundlagen für die Entwicklung von Systemen für die Speicherung regenerativer Energie und elektrisch betriebener Fahrzeuge vermittelt. Literatur [1] T. B. Reddy, D. Linden: Linden s Handbook of Batteries. 4. ed. New York: McGraw-Hill, 2011 [2] U. Tröltzsch: Entwurf von physikalischen und chemischen Modellen für die Impedanzspektroskopie. Universitätsverlag Chemnitz, 2015 [3] C. Fleischer, D. U. Sauer, J. V. Barreras, E. Schaltz, A. E. Christensen: Development of Software and Strategies for Battery Management System Testing on HiL Simulator. In: International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies, Monte Carlo, April 2016 [4] P. Kurzweil, O. K. Dietlmeier: Elektrochemische Speicher. Wiesbaden: Springer, 1. Auflage