Institut für Elektrotechnik. RecyDepoTech 2016
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- Eduard Möller
- vor 6 Jahren
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1 Monanuniversiä Leoben RecyDepoTech 2016 Helmu WEISS, Herber ZIEGERHOFER Re-Use-Prozess für Hochenergie-Lihium-Ionen- Akkumulaoren unbekannen Zusands Inhal Re-Use-Prozess, grundsäzlicher echnischer Ablauf Herkunf der Re-Use-Akkus => iefenladene Zellen Aufladevorgang ab Zellenspannung 0, Messschalung Ergebnisse für gue Zellen und für kriische Zellen Technische Schlussfolgerungen, Weierarbei 1
2 Technischer Ablauf des Re-Use-Prozesses WARUM? Life-Cycle-Coss + Energeic Fooprin Ablauf: Vorbeureilung + Erfolgsabschäzung (Modulebene) Sichprüfung (mechanische Beschädigung?) Wenn OK Messung der Zellenspannungen (im / außer Bereich) Vergleichmäßigung der Zellenspannungen (Srom + Zei?) Deailliere Prüfung + Erüchigung auf Zellenebene > Minimales Qualiäsniveau (Selbsenlad., Nuzkapaziä) => Wiederbelebung iefenladener Zellen ev. erforderlich Baeriezusammensellung neu Neues Baeriemanagemen + zusäzlicher Schuz Gesames als Typprüfung und Einzeles 2
3 Aufersehung Gib Wiederbelebung es ein Leben einer nach iefenladenen dem Tode??? Zelle Ausgangszusand: Zelle auf Null Vol über einige Zei Zellspannung [ V ] 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Bei Konsansrom- Ladung, I ewa 2% von Kapaziä / 1 Sunde 3 Sunden ergib über 80% der ursprünglichen Nenn-Kapaziä Regulärer Bereich der Spannung für Laden + Enladen Arnberger, Curis, Weiss ICBR Zei [ min. ] 3
4 Elekrofahrzeug Herkunf der Zellen für Re-Use und dieses u nich mehr => Baerie? Durch Lade-Enladezyklen (einge Tausend): Kapaziä nimm forlaufend ab, mobile Nuzung beende bei 80% Durch inneren Fehler in der Baerie, eine Zelle bereffend: Dieser Srang wird abgeschale, Baerie ha nur mehr 50% Durch Sehzeug -Effek: Baerie wird nich nachgeladen, Baerieüberwachung mach Tiefenladung, Baerie leer => Jedes Mal wird die Fahrbaerie zum Recycling-Objek => Sicherer Transpor des Recycling-Objeks? => Erfahrung bei Sandard Lihium-Ionen - NCM-Zellen: Wenn weniger als 25% Reskapaziä: Weniger feurig bei Fehler (z.b. Kurzschluss) => Absichliches Enladen auf U=0 ( Sicherhei ) 4
5 Enladevorgänge Konsaner Srom Konsaner Widersand u u Spannung i i Srom Q Q Kapaziä einfache Lösung: Enladung über Halogen-Glühlampen => Widersand sink bei niedrigerer Spannung Problemaik: Reihenschalung der Zellen, Q i = / Q k 5
6 Enladung / Ladung mi veränderem Srom Enladung u Spannung u Ladung u Z1 u Z2 i Srom i Q Kapaziä Q Sichere Seie der Wiederbelebung von Zellen mi U Sar = 0: Niedrige Sröme und hohe Zwischenspannungen u Z1 bzw. u Z2 Kein Dendrienwachsum (Dendri => innerer Kurzschluss) => hohe Zeidauer (=> Sunden) 6
7 Energiequelle Sicherung Haupschaler Nezgerä mi Spannungsund Srombegrenzung z.b. 30 V und 50 A Schalung und Messechnik Baeriemodul (6 Zellen in Reihe) Messsignale Srommessung Poenial- Feslegung Baeriekreis Messung der einzelnen Zellenspannungen Temperaurmessung Signalerfassung Sofware für Daen-Aufzeichnung, Daendarsellung und Daen- Speicher. (PC mi AD- Wandler- Kare) 7
8 Modul 1 Zellenwiederbelebung (1) Srom Temp. U1 U2 U3 U4 U5 U6 Srom 1,6 A Temperaur = 22 C Zeiinervall 108 s 8
9 Modul 1 Zellenwiederbelebung (2) Srom Temp. U1 U2 U3 U4 U5 U6 Srom 1,6 A Temperaur = 22 C Zeiinervall 28 min. Selbsheilung? U seig Zelle problemaisch Zelle defek U sink!!! 9
10 Modul 1 Zellenwiederbelebung (3) Srom Temp.? U1 U2 U3 U4 U5 U6 Srom 1,6 A Temperaur = 23 C Zeiinervall 6h 20min. Zelle problemaisch? Zelle defek 10
11 Srom Temp.??????? U1 U2 U3 U6 U4 U5 Modul 2 Zellenwiederbelebung (4) Srom EIN Srom AUS Srom EIN Srom 0,75 A!!!!!! Temperaur = 23 C Zeiinervall 3d 17h 20mi. Zelle unsicher Zelle problemaisch Zellen unsicher 11
12 Erkennnisse aus Signalverläufen (1) Gue Zellen - Monoon seigender Spannungsaufbau Zellspannung [ V ] 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 - Charakerisische Ecken in U-Verlauf - Ladung ensprich Reskapaziä für 3 Vol Arnberger, Curis, Weiss ICBR 2011 Zei + KEINE Temperaur- Erhöhung an Zelle bei Ladevorgang 12 - niedrige Selbsenladung => geringer Srom zur Spannungshalung
13 Erkennnisse aus Signalverläufen (2) Schleche - Kein monoon seigender Spannungsaufbau Zellen - Spannung sink roz Dauer-Ladesrom - Aufgenommene Ladung deulich über der Reskapaziä für 3 Vol ( Formierung ) - Hohe Selbsenladung: Spannung brich schnell wieder zusammen wenn I(Lade) = 0 - Temperauransieg bei Wiederbelebung -????? Beobacheer Effek: Zellenerholung 13 - Zelle wird während Wiederbelebungszyklen besser??? bleibend?????? Risiko???
14 14 Weierarbeishemen - Sicherer Wiederbelebungssrom??? Hoher Srom => kurze Zei - Sromsoß möglich wie bei Nickel-Cadmium-Akkus??? Durchbrennen innerer Defeke => Sicherhei??? - Langzei-Tauglichkei wiederbeleber Zellen??? Selbsenladung, Kapaziä, Sicherhei??? - Frühzeiige Abschäzung der Erfolgswahrscheinlichkei => aus ersen Ergebnissen is Erfolg abschäzbar - Auslegung von neuem Baeriemanagemen + Schuz Balancing-Umfang (0,1% bis 5% von Nennkap. / 1h) Schuzfunkion (unabhängige Spannungsbewerung ob innerhalb Bereich, Temperaurcheck pro Zelle) - Erkennnisse zur Lebenserwarung (Zyklen, Zei) - Vorzeiige Defekerkennung => Sicherhei => Technik + Rech (Gewährleisung, Hafung)
15 Monanuniversiä Leoben RecyDepoTech 2016 Helmu WEISS, Herber ZIEGERHOFER Re-Use-Prozess für Hochenergie-Lihium-Ionen- Akkumulaoren unbekannen Zusands Inhal Re-Use-Prozess, grundsäzlicher echnischer Ablauf Herkunf der Re-Use-Akkus => iefenladene Zellen Aufladevorgang ab Zellenspannung 0, Messschalung Ergebnisse für gue Zellen und für kriische Zellen Technische Schlussfolgerungen, Weierarbei 15
16 Technischer Ablauf des Re-Use-Prozesses WARUM? Life-Cycle-Coss + Energeic Fooprin Ablauf: Vorbeureilung + Erfolgsabschäzung (Modulebene) Sichprüfung (mechanische Beschädigung?) Wenn OK Messung der Zellenspannungen (im / außer Bereich) Vergleichmäßigung der Zellenspannungen (Srom + Zei?) Deailliere Prüfung + Erüchigung auf Zellenebene > Minimales Qualiäsniveau (Selbsenlad., Nuzkapaziä) => Wiederbelebung iefenladener Zellen ev. erforderlich Baeriezusammensellung neu Neues Baeriemanagemen + zusäzlicher Schuz Gesames als Typprüfung und Einzeles 16 2
17 Aufersehung Gib Wiederbelebung es ein Leben einer nach iefenladenen dem Tode??? Zelle Ausgangszusand: Zelle auf Null Vol über einige Zei Zellspannung [ V ] 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Bei Konsansrom- Ladung, I ewa 2% von Kapaziä / 1 Sunde 3 Sunden ergib über 80% der ursprünglichen Nenn-Kapaziä Regulärer Bereich der Spannung für Laden + Enladen Arnberger, Curis, Weiss ICBR Zei [ min. ] 17 3
18 Elekrofahrzeug Herkunf der Zellen für Re-Use und dieses u nich mehr => Baerie? Durch Lade-Enladezyklen (einge Tausend): Kapaziä nimm forlaufend ab, mobile Nuzung beende bei 80% Durch inneren Fehler in der Baerie, eine Zelle bereffend: Dieser Srang wird abgeschale, Baerie ha nur mehr 50% Durch Sehzeug -Effek: Baerie wird nich nachgeladen, Baerieüberwachung mach Tiefenladung, Baerie leer => Jedes Mal wird die Fahrbaerie zum Recycling-Objek => Sicherer Transpor des Recycling-Objeks? => Erfahrung bei Sandard Lihium-Ionen - NCM-Zellen: Wenn weniger als 25% Reskapaziä: Weniger feurig bei Fehler (z.b. Kurzschluss) => Absichliches Enladen auf U=0 ( Sicherhei ) 18 4
19 Enladevorgänge Konsaner Srom Konsaner Widersand u u Spannung i i Srom Q Q Kapaziä einfache Lösung: Enladung über Halogen-Glühlampen => Widersand sink bei niedrigerer Spannung Problemaik: Reihenschalung der Zellen, Q i = / Q k 19 5
20 Enladung / Ladung mi veränderem Srom Enladung u Spannung u Ladung u Z1 u Z2 i Srom i Q Kapaziä Q Sichere Seie der Wiederbelebung von Zellen mi U Sar = 0: Niedrige Sröme und hohe Zwischenspannungen u Z1 bzw. u Z2 Kein Dendrienwachsum (Dendri => innerer Kurzschluss) => hohe Zeidauer (=> Sunden) 20 6
21 Energiequelle Sicherung Haupschaler Nezgerä mi Spannungsund Srombegrenzung z.b. 30 V und 50 A Schalung und Messechnik Baeriemodul (6 Zellen in Reihe) Messsignale Srommessung Poenial- Feslegung Baeriekreis Messung der einzelnen Zellenspannungen Temperaurmessung Signalerfassung Sofware für Daen-Aufzeichnung, Daendarsellung und Daen- Speicher. (PC mi AD- Wandler- Kare) 21 7
22 Modul 1 Zellenwiederbelebung (1) Srom Temp. U1 U2 U3 U4 U5 U6 Srom 1,6 A Temperaur = 22 C Zeiinervall 108 s 22 8
23 Modul 1 Zellenwiederbelebung (2) Srom Temp. U1 U2 U3 U4 U5 U6 Srom 1,6 A Temperaur = 22 C Zeiinervall 28 min. Selbsheilung? U seig Zelle problemaisch Zelle defek U sink!!! 23 9
24 Modul 1 Zellenwiederbelebung (3) Srom Temp.? U1 U2 U3 U4 U5 U6 Srom 1,6 A Temperaur = 23 C Zeiinervall 6h 20min. Zelle problemaisch? Zelle defek 24 10
25 Srom Temp.??????? U1 U2 U3 U6 U4 U5 Modul 2 Zellenwiederbelebung (4) Srom EIN Srom AUS Srom EIN Srom 0,75 A!!!!!! Temperaur = 23 C Zeiinervall 3d 17h 20mi. Zelle unsicher Zelle problemaisch Zellen unsicher 25 11
26 Erkennnisse aus Signalverläufen (1) Gue Zellen - Monoon seigender Spannungsaufbau Zellspannung [ V ] 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 - Charakerisische Ecken in U-Verlauf - Ladung ensprich Reskapaziä für 3 Vol Arnberger, Curis, Weiss ICBR 2011 Zei + KEINE Temperaur- Erhöhung an Zelle bei Ladevorgang niedrige Selbsenladung => geringer Srom zur Spannungshalung
27 Erkennnisse aus Signalverläufen (2) Schleche - Kein monoon seigender Spannungsaufbau Zellen - Spannung sink roz Dauer-Ladesrom - Aufgenommene Ladung deulich über der Reskapaziä für 3 Vol ( Formierung ) - Hohe Selbsenladung: Spannung brich schnell wieder zusammen wenn I(Lade) = 0 - Temperauransieg bei Wiederbelebung -????? Beobacheer Effek: Zellenerholung Zelle wird während Wiederbelebungszyklen besser??? bleibend?????? Risiko???
28 28 14 Weierarbeishemen - Sicherer Wiederbelebungssrom??? Hoher Srom => kurze Zei - Sromsoß möglich wie bei Nickel-Cadmium-Akkus??? Durchbrennen innerer Defeke => Sicherhei??? - Langzei-Tauglichkei wiederbeleber Zellen??? Selbsenladung, Kapaziä, Sicherhei??? - Frühzeiige Abschäzung der Erfolgswahrscheinlichkei => aus ersen Ergebnissen is Erfolg abschäzbar - Auslegung von neuem Baeriemanagemen + Schuz Balancing-Umfang (0,1% bis 5% von Nennkap. / 1h) Schuzfunkion (unabhängige Spannungsbewerung ob innerhalb Bereich, Temperaurcheck pro Zelle) - Erkennnisse zur Lebenserwarung (Zyklen, Zei) - Vorzeiige Defekerkennung => Sicherhei => Technik + Rech (Gewährleisung, Hafung)
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