Übungen zur Batteriesystemtechnik

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1 Übungen zur Batteriesystemtechnik / Heinz Wenzl Aufgabenstellung Eine Zelle einer Bleibatterie hat im vollgeladenem Zustand eine Ruhespannung von 2,09 V (Batterie für stationäre Anwendung, elektrolytdichte 1,24 g/cm³) 1. Entnehmbare Energiemenge Berechnen Sie mittels der Datenblätter für eine Zelle aus der Liste die aus der Batterie entnehmbare Energiemenge bei den angegebenen Strömen bzw. Entladezeiten (C10: Bei 10 Stunden Entladedauer kann die angegebene Ah-Menge entnommen werden, der dazu gehörende Strom ist C 10 /10h) (Mittlere Entladespannung = U E +0,15 V) 2. Wirkungsgrad Wie hoch ist der Wirkungsgrad (entnommene Energie / eingeladene Energie)? Unterstellen Sie für die Ladung, dass die mittlere Ladespannung unabhängig von der davor liegenden Entladung immer 2,3 V beträgt und 115 % der vorher entnommenen Ladungsmenge wieder in die Batterie eingeladen werden muss. 3. Zeichnen Sie den entnehmbaren Energieinhalt und Wirkungsgrad in Abhängigkeit vom Entladestrom auf. 4. Zeichnen Sie die Daten in ein Ragone-Diagramm ein Lösung (Datenblätter hinten) 1. Entnehmbare Energiemenge Auf dem Datenblatt ist die entnehmbare Ladungsmenge in Abhängigkeit von der Entladedauer angegeben: Referenzbatterie z.b. 12 V 4 OgiV 100. Die Angaben werden als C N oder K N gemacht, die entsprechenden Ströme I N werden im Normalfall nicht angegeben. I 10 = C 10 /10 = 101/10 =10,1 A I 5 = C 5 /5 =93,5/5 = 18,7 A In der angelsächsischen Literatur wird der Entladestrom manchmal auch als "C-rate" angegeben. Unabhängig von der Entladedauer, die der Kapazität zugrunde gelegt wird, wird als y-c-rate ein Strom von C[Ah] x y [1/h] verstanden. Bitte beachten Sie, dass sich bei Halbierung der Entladezeit der Entladestrom nicht verdoppelt, obwohl die Spannung, bis zu der entladen wird, sich verringert (bei Blei-, NiCdund NiMH-Batterien) und somit eine Zunahme der entnehmbaren Kapazität erwarten werden könnte. Bei allen Batterien verringert sich die Kapazität, wenn der Entladestrom zunimmt. I 10 ist nicht gleich 2xI 5. Dieser grundsätzliche Zusammenhang gilt für alle Batterien. Kurvenscharen werden somit oft mit I 10, 2x I 10, 4xI 10 etc. angegeben, weil dann die jeweilige Stromamplitude bei Kenntnis der Kapazität K 10 leicht berechnet werden kann. Bei Verwendung von Stromamplituden I 10, I 5, I 2 usw. sind dagegen die Stromamplituden nur leicht berechenbar, wenn auch die jeweiligen Kapazitätswerte K 10, K 5, K 2 usw. bekannt sind. Es wird selten die durchschnittliche Entladespannung angegeben, die man für die entnehmbare Energiemenge benötigt. Es wird aber immer die zulässige 1

2 Entladeschlussspannung angegeben, aus der dann die durchschnittliche Entladespannung abgeschätzt werden kann (hier U E + 0,15 [V]). Energie- und Ladungsmenge 100% Wh Ah 80% 60% Prozent 40% 20% 0% K10 / 10h K5 / 5h K3 / 3h K1 / 1h K0,5 / 0,5h K1/6 / 1/6h Kapazität (Ah) / Entladezeit (h) ;, Beratung für Batterien und Energietechnik; heinz.wenzl@batterien-und-energietechnik.de 2 Es gibt üblicherweise keine ausführlichen Daten für die Ladung. Um den Energiebedarf beim Laden abzuschätzen muss die eingeladene Ladungsmenge und der Verlauf der Ladespannung betrachtet werden. Eingeladene Amperestunden: Bei Batterien mit wässrigem Elektrolyt läuft während der Ladung eine Nebenreaktion ab, die Elektrolyse von Wasser (Knallgasreaktion: 2H 2 O 2H 2 + O 2 ). Die Nebenreaktion verbraucht einen Teil des Ladestroms ohne Energie zu speichern. Als Konsequenz muss mehr Ladungsmenge eingeladen werden als verbraucht wird. Das Verhältnis von eingeladener Ladungsmenge zu entnommener Ladungsmenge heißt Ladungsfaktor und beträgt bei konventionellen Bleibatterien mindestens ca. 1,15. Der Anteil des Nebenreaktionsstroms am gesamten Ladestrom ist stark von der Temperatur, der Spannung und dem Alter der Batterie abhängig und kann während der Ladung bei der positiven Elektrode anders als bei der negativen Elektrode sein. Verlauf der Ladespannung Der Ladespannungsverlauf ist stark von der Ladekennlinie und der Geschwindigkeit der Ladung (Ladestromamplitude) abhängig. Gemessene Werte sind so gut wie nie vorhanden. Außerdem muss der Verlauf der Ladespannung auch mit dem Ladestrom gewichtet werden. Die Angabe einer durchschnittlichen Ladespannung ist deshalb schwierig, Für eine konzeptionelle Betrachtung der beim Laden erforderlichen Energiemenge ist der Wert aber erforderlich. Hier werden 2,3 V angenommen. 2

3 Entnehmbare Energiemenge und Wirkungsgrad 100,0% Wirkungsgrad entnehmbare Energiemenge 80,0% 60,0% Prozent 40,0% 20,0% 0,0% Entladestrom (A) ;, Beratung für Batterien und Energietechnik; heinz.wenzl@batterien-und-energietechnik.de 1 Aus dem Gewicht und dem Volumen der Batterie, die immer im Datenblatt angegeben ist, kann das Ragonediagramm (W/kg gegen Wh/kg oder W/l gegen Wh/l) gezeichnet werden. Die folgende Graphik enthält Daten verschiedener Batterien. Als Leistung wird z.b. die durchschnittliche Leistung (Entladestrom x mittlere Entladespannung verwendet. Ragone-Diagram (Batteries and supercapacitors) W/kg V OGiV 100 FNC 201 L FNC 103 X 12V 48 Ah NiCd, 2,5 AH S-SCR Li-Ion Evonik 2,1 Ah Li-Ion Evonik 4,0 Ah Maxwell Wh/kg ;, Beratung für Batterien und Energietechnik; heinz.wenzl@batterien-und-energietechnik.de 3 OGiV: Ortsfeste Bleibatterie mit Gel oder Vlies zur Aufnahme des Elektrolyten FNC: Faser Nickel Cadmium-Zelle (Elektrodenstruktur besteht aus Polypropylen-Vlies 3

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