Batterieaspekte im Anwendungsfeld Elektromobilität

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1 Batterieaspekte im Anwendungsfeld Elektromobilität Schaufensterkonferenz 2015: Qualifizierung Elektromobilität - Metropolitan Academy Hannover

2 Batterieaspekte zur Elektromobilität Fragen & Antworten - Wieso? Weshalb? Warum? Niedervolt- und Hochvoltsysteme? Batteriearten bei Hochvoltsystemen Besondere Eigenschaften von Lithiumbatterien Risiken bei HV-Lithiumsystemen Besondere Aspekte von Lithiumsystemen in der Elektromobilität Unterschiede von OEM zu Kleinserie Battery-Management-System (BMS) Funktionalitäten Sicherheitskriterien auf Zellebene Transport & Handling & Recycling

3 Niedervolt- und Hochvoltsysteme? Höhere Spannung bedeutet geringere Ströme bei gleicher Leistung. Strom kostet Geld: Schaltelemente, Sicherungen, Leitungen, Motorsteuerung, Ladeendstufen etc. 30kW bei 300V = Imax nur 100A 30kW bei 48V = Imax von 625A Strom verursacht Wärme, belastet Kontaktstellen und erhöht Verluste. Zellanzahl steigt, BMS-Aufwand steigt, Ausfallrisiko steigt (nur theoretisch ). Bei gleicher Kapazität bedeutet eine erhöhte Zellanzahl kleinere Zellen und somit geringere thermische Risiken.

4 Batteriearten bei Hochvoltsystemen: Bleibatterien: Blei-Säure, Blei-Gel, Blei-Vlies (AGM) Nickel-Cadmium (NiCd) Nickel-Metall-Hydrid (NiMH) Lithiumbatterien: LiFePo / LiCo / LiMn / LiCoNiAlO / LiCoNiMnO / NMC / LTO Zukunft: Li-Schwefel Zukunft: Li-Silizium (Fraunhofer) 20-40Wh/kg 40-60Wh/kg 50-80Wh/kg Wh/kg Wh/kg bis 4000Wh/kg Beziehungsdreieck: Strombelastbarkeit-Sicherheit-Energiedichte

5 Besondere Eigenschaften von Lithiumbatterien Hohe Energiedichte Geringe Masse - Sehr geringer Innenwiderstand Ri Hohe Zyklenfestigkeit ( Zyklen / LTO bis Zyklen) Günstiger Preis pro genutzter kwh Temperaturstabil aber keine Ladung unter 0 C Einfache Ladecharakteristik Zwischen- und Teilladungen jederzeit möglich Brand und/oder Explosionsgefahr Freisetzung toxischer Inhaltsstoffe (Elektrolyt/Chemiecocktail/Hexafluorphosphat)

6 Risiken bei HV-Lithiumsystemen Kurzschluss intern & extern Isolationsfehler Systemintern und an der Peripherie Missachtung der Berührschutzvorschriften Temperaturerhöhung bei hohem Innenwiderstand (Ladung, Entladung) Gefahr des thermal runaway Brand & Explosion Dendritenbildung - Separatorschaden Freisetzung bzw. Bildung toxischer Gase

7 Besondere Aspekte von Lithiumsystemen in der Elektromobilität Vibrationsfester Systemaufbau Umfangreiche Isolationsüberwachung Thermisches Management Temperierung und Kühlung Crashsichere Systemintegration Schutzmassnahmen gegen Missbrauch (z.b. lange Standzeiten ohne Ladung) Absicherung gegen unbefugten Systemeingriff Sichere Demontage- und Montageabläufe

8 Unterschiede von OEM zu Kleinserie. Sehr unterschiedlicher Entwicklungsansatz zwischen OEM zu Kleinserie. Sicherheit, Lebensdauer, Kosten werden sehr different betrachtet. OEM Integrierte Batteriesysteme als Gesamtlösung, kaum Eingriffsmöglichkeiten. Kleinserie Standardzellen plus universelle Peripherie. Einzelzellen und Komponenten tauschbar bzw. reparabel. Service und Reparaturmöglichkeiten völlig unterschiedlich. Zellverschaltung auf unterschiedliche Arten.

9 Battery-Management-Systeme (BMS) Funktionalitäten & Anforderungen BMS ist zentraler Aspekt für dauerhaft zuverlässige und sichere Batteriesysteme. Mindestanforderungen: -Über- und Unterspannungsüberwachung -Zellbalancing -Temperaturüberwachung Zusatzfunktionen: -Anzeigeeinheit (V, I, Temp., Ah, SOC, SOH) -Zyklen- bzw. Energiedurchsatzmessung und Aufzeichnung -Datenloggerfunktion U, SOC, Temp. Sehr unterschiedliche Bauarten: Einzelzellplatinen, Master-Slave, Zentraleinheit.

10 Sicherheitskriterien auf Zellebene Mechanischer Zellaufbau Gehäusebauart (Material, Mechanik, Ableiter) Anoden-Kathoden-Separatorenschichtung Chemische Zusammensetzung Thermische Aspekte (Wärmeableitung, Wärmeabstrahlung, Wärmekapazität) Current interrupt device (CID) Verarbeitungsqualität!!! Baugröße der Zelle

11 Transport & Handling & Recycling Nur ausgebildete Fachkräfte ranlassen! Persönliche Schutzausrüstung Geeignete und zugelassene Werkzeuge verwenden Lagerung und Transport unterliegt strengen Richtlinien Brand- und Explosionsgefahr auch bei vermeintlich entladenen Zellen! Keine Experimente! Recycling: Theoretisch Ja Praktisch Nein / Wird aber kommen!

12 Seminare Beratung Schadensanalyse Gutachten und Sachverständigenwesen Etzelstr Aub Tel: Fax: