Batteriesystemtechnik und Brennstoffzellen. Elektrochemische Energiewandler aus elektrotechnischer Sicht

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1 Batteriesystemtechnik und Brennstoffzellen Elektrochemische Energiewandler aus elektrotechnischer Sicht 1. Vorlesung: Begriffe und Einordnung der Systeme 1

2 Batterien können ge- und entladen werden und sind deshalb Energiespeicher. Brennstoffzellen können im Allgemeinen nicht ge- und entladen werden und sind deshalb keine Energiespeicher. Beide sind elektrochemische Energiewandler. 2

3 Energiespeicher Gibt es technische Systeme ohne Energiespeicher? Das Angebot an Energie und der Verbrauch von Energie müssen zu jedem Zeitpunkt identisch sein. Energiespeicher decken Mehrverbrauch und nehmen Überschussenergie auf. "Unsichtbare" Energiespeicher sind die Schwungmassen von Kurbelwellen und Getrieben von Automobilen, die Schwungmassen von Generator/Turbinensätzen von Kraftwerken, elektrische Felder (Leitungsinduktivitäten und -kapazitäten), Kondensatoren und Spulen in elektronischen Schaltungen, etc. Grundsätzliche Anforderungen: Leistung, die maximal kurzzeitig aufgenommen und abgegeben werden kann Energieinhalt (bei welcher Leistung) Reaktionszeit zwischen Leistungsanforderung und Leistungsbereitstellung Weitere Anforderungen: Energie- und Leistungsdichte, Wirkungsgrad, technische Einsatzgrenzen, Lebensdauer, Überwachungsmöglichkeiten,.. 3

4 Energiequellen/Energieträger Konventionelle fossile Brennstoffe Nukleare Brennstoffe Erneuerbare Energiequellen Biomasse, Wind, PV, Wasser Energieumwandlung Energiedienstleistungen / Nutzenergie Elektrizität Wärme und Kälte Bewegung, Druck, Licht Speicherung und Rückgewinnung Energiespeicher Energieaufbereitung Energieumwandlung Tanks und Lagerstätten für Energieträger aus erneuerbare Energiequellen: Wasserstoff, Biogas, flüssige Energieträger aus biogenen Quellen Abgrenzung KEINE Energiespeicher Energiespeichertechnologien Batterien Reversible Brennstoffzellen/Redoxflowzellen Chemisch gespeicherte Energie Schwungräder Elektromagnetische Felder Druckluft und Pumpwasserspeicher Thermische Speicher Speicherung und Rückgewinnung müssen nicht in der gleichen Nutzenergieform vorliegen, aber am wertvollsten ist die Speicherung von Elektrizität, wenn die Energie bei Rückgewinnung ebenfalls als Elektrizität vorliegt. 4

5 Energiespeicher Funktionen von Energiespeichern Kriterium ist Verhältnis von Energieinhalt zu Leistungsabgabe Anwendung Bemerkungen Überbrückungszeit Power Quality USV Unterbrechungsfreie Stromversorgung Fahrzeug Spannungshaltung bei kurzfristigen Netzstörungen für hochwertige Maschinen und Prozesse Computer (Rechenzentren) und hochwertige Maschinen und Prozesse Starten, Bordnetz, elektrisches Fahren (Hybrid- oder E-Fahrzeuge) 1 kwh/1mw 1 3 Sekunden Üblicher Bereich: 15 Minuten zum sicheren Abfahren aller Prozesse Sekunden bis max. ca. 2 Stunden Sicherheitsanwendung (Licht, Infrastruktur) Notbeleuchtung für Gebäude, etc. Üblicher Bereich 3 10 Stunden Erneuerbare Energiesysteme Energiewirtschaft Abdeckung der Schwankungen von Wind und Einstrahlung Spitzenlastausgleich und Reserven (Pumpwasserspeicher und Druckluftkavernen) 1 Tag (Hybridsysteme( bis ca. 10 Tage (reine PV- Anlagen) Millisekunden (Frequenzabweichungen) bis einige Stunden Energiewirtschaft Talsperren Saisonale "Speicher" 5

6 100 MW 10 MW 1 MW 100 kw 10 kw 1 kw 0,1 kw 0,01 kw 0,001 kw Power Quality Batterien für tragbare Geräte 3 Supraleitende Magnete SMES Supercaps 4 Energiespeicher 2 1 Heiße Druckluft Schwungräder Leistungsbatterien Tagesspeicher Wochenspeicher USV- Anlagen Energiebatterien 5 Redox-flow und reversible 6 Brennstoffzellen Wasser und Druckluft Saisonaler Speicher 1. Piller Powerbridge: 1,6 MW für 10 Sekunden = 4,4 kwh 2. American Superconductor: 3 MW für 1,5 Sekunden = 1,25 kwh 3. Hilti Akkubohrer TE 6-A: 36 V / 0,086 kwh 4. 12V 36 Ah Starterbatterie: 0,43 kwh 5. Fairbanks, Alaska Liter Dieselöl: 1 Liter = 36 MJ = 10 kwh 0,001 kwh 0,01 kwh 0,1 kwh 1 kwh 10 kwh 100 kwh 1 MWh 10 MWh 100 MWh 1000 MWh 6

7 /kw SMES Supercaps Schnelle Schwungräder Langsame Schwungräder Energiespeicher Li, NiMH, NiCd-Batterien Wasser und Druckluft Bleibatterien Kosten: Systemkosten inklusive aller notwendiger Zusatzaggregate Vergleichbarkeit: Systeme stehen nur selten im Wettbewerb miteinander, weil die Größenordnungen der Speichertechnologien sehr unterschiedlich sind. Allgemeine Vergleiche sind im Normalfall eher Kondensatoren unbrauchbar! Überbrückungszeit 0,001 h 0,01 h 0,1 h 1 h 10 h 100 h 1000 h h 7

8 Spezifische Energie [Wh/kg] Spezifische Leistung [W/kg] Verhältnis Energie zu Leistung = Entladezeit [s] Energiespeicher Vergleiche von Energiespeichern Kondensator Batterie Speichertechnologie Schwungmassenspeicher Doppelschichtkondensator 5-50 <0, <1 SMES > <0,1 >1000 <1 10 Zyklenzahl 10 6 > > Wirkungsgrad [%] Ansprechzeit [ms] > > < Ohne Detailkenntnis der Annahmen sind derartige Übersichten oft fragwürdig! Quelle 1. Energiespeicher Fortschritte und Betriebserfahrung, VDI-Berichte 1734, VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf 2. Energiespeicher zur Integration von Windkraftanlagen in elektrischen Energieversorgungssystemen, Th. Fabian, Dissertation, Universität Dortmund,

9 Ragone Diagram zum Vergleich von Energiespeichern Energiespeicher Spezifische Leistung W/kg Schematische Darstellung: Je höher die durchschnittliche Entladeleistung, desto geringer die entnehmbare Energiemenge. Spezifische Energie Wh/kg (Gleicher Zusammenhang bei Energiedichte (Wh/l) zu Leistungsdichte (W/l)) 9

10 Energiewandler Präzisierungen Chemische Energie Wandler Chemische zu elektrische Energie Wandler Elektrische zu chemische Energie Elektrolyse Bidirektional nur bei "Akkumulatoren" Elektrische Energie Elektrochemische, wiederaufladbare Speicher Allgemeine Form der chemischen Reaktion: Die Materialien A und B reagieren reversibel und bilden die Materialien C und D, wobei durch geschickte Reaktionsführung elektrische Energie gewonnen werden kann. Entladen A + B C + D Laden 10

11 Energiewandler Tank mit Material A (geladenes Material) Tank mit Material B (geladenes Material) Energieabgabe oder Energieaufnahme Elektrode + Elektrolyt / Separator Elektrode - Reaktionskammer Tank mit Material C (entladenes Material) Tank mit Material D (entladenes Material) Redox-Flow Zellen Energieinhalt Leistungsdichte Reversibilität Nur abhängig von der Tankgröße Nur abhängig von der Größe der Reaktionskammer (Elektrodenfläche und Fließgeschwindigkeit der Materialien) Verfügbarkeit geeigneter Katalysatoren, Materialkompatibilitäten Übliche Probleme Katalysatoren, Materialien Stabilität der Mischung von geladenem und entladenem Material Ausnutzung der geladenen Materialien 11

12 Energiewandler Energieabgabe oder Energieaufnahme Positive Elektrode bestehend aus Materialien A (geladenes Material) und Material C (entladenes Material) Elektrode + Elektrolyt / Separator Elektrode - Reaktionskammer/Zelle Negative Elektrode aus Materialien B (geladen) und Material D (entladen) Das Verhältnis ge- zu entladenem aktiven Material verändert sich bei der Nutzung Energieinhalt Leistungsdichte Akkumulatoren/galvanische Sekundärelemente Abhängig von der Elektrodengröße / Elektrodengewicht Abhängig von der Elektrodengröße / Oberfläche Reversibilität Übliche Probleme Molekülgrößen und Kristallstrukturen, Materialkompatibilitäten Chemische und mechanische Stabilität der Mischung von geladenem und entladenem Material Ausnutzung der geladenen Materialien 12

13 Präzisierungen Chemischer Speicher Energiewandler Wandler Chemische zu elektrische Energie Wandler Elektrische zu chemische Energie Elektrolyse Bidirektional nur bei "Akkumulatoren" Elektrische Energie Elektrochemische, wiederaufladbare Speicher Aktive Massen als Elektrode Aktive Massen in externen Tanks Niedertemperatur Hochtemperatur Redox-flow-Batterien / reversible Brennstoffzellen Blei NiCd/NiMH Li-Ionen NaS NaNiCl VO 5, ZnBr (2H 2 + O 2 2H 2 O) 13 (Nur Labor)

14 Batterien Batterien speichern elektrische Energie in chemischer Form. Kondensatoren und Spulen speichern elektrische Energie in Feldern. Das Entladeverhalten ist deshalb grundsätzlich anders. R i V o Last Spannung U o U N Beginn der Entladung (vollgeladene Batterie) Lithiumthionylchloridbatterie Bleibatterie Ende des nützlichen Entladebereichs (Bleibatterie) Eine Batterie ist elektrisch eine variable Spannungsquelle V o mit variablem Innenwiderstand R i O Zeit Die Nennspannung U N ist ein "beliebig" festgelegter Wert. Die Spannung der Batterie bleibt lange relativ konstant, weil sich am Anfang weder der Innenwiderstand noch die Spannung verändern. U 0 : Ruhespannung oder "open circuit voltage" 14

15 Batterien Eine Batterie ist eine variable Spannungsquelle U o mit variablem Innenwiderstand R i aber: R i Last Die Spannung der Spannungsquelle und der Innenwiderstand hängen von der Vorgeschichte ab, insbesondere dem aktuellen Ladezustand = Menge an noch verfügbarer chemisch gespeicherter Energie! U o Es gibt lineare, exponentielle, logarithmische und quadratische Zusammenhänge zwischen Strom, Spannung und Wärmeerzeugung. Die einzelnen Bestandteile des Innenwiderstands ändern sich unterschiedlich in Abhängigkeit von der Entladerate, dem Ladezustand und dem Alter. Die Stromverteilung in den Elektroden ist eine komplexe Funktion des Stroms, des Alterungszustands und des Ladezustands. Inhomogenitäten spielen eine große Rolle. 15

16 Brennstoffzelle Eine Brennstoffzelle ist eine variable Spannungsquelle U o mit variablem Innenwiderstand R i aber: R i Last Die Spannung der Spannungsquelle und der Innenwiderstand hängt von der Vorgeschichte ab, insbesondere der aktuellen Brenngaszufuhr = Menge an noch verfügbarer chemisch gespeicherter Energie! U o Es gibt lineare, exponentielle, logarithmische und quadratische Zusammenhänge zwischen Strom, Spannung und Wärmeerzeugung. Die einzelnen Bestandteile des Innenwiderstands ändern sich unterschiedlich in Abhängigkeit vom Strom (= Entladerate), dem Ladezustand und dem Alter. Die Stromverteilung in den Elektroden ist eine komplexe Funktion des Stroms, des Alterungszustands und der Brenngaszufuhr. Inhomogenitäten spielen eine große Rolle. 16

17 Um Batterien zu verstehen und mit ihnen arbeiten zu können, muss man: Batterien und Brennstoffzellen 1. Das Systemumfeld kennen: Bedarf und Angebot von Leistung, Umgebungstemperatur und Wärmeabfuhr bzw. Wärmezufuhr 2. Das Verhalten der Spannungsquelle kennen. Wichtige Abhängigkeiten sind: Lade- und Entladestrom, Temperatur, Alter, Spannung bei dynamischem Leistungsbedarf bzw. Leistungsangebot 3. Veränderungen des inneren Widerstands während des Betriebs verstehen: Widerstand der Komponenten in Abhängigkeit von Temperatur, Alter und Ladezustand Effektiver Widerstand wegen inhomogener Stromverteilungen Ziel der Vorlesung und Übung Zusammenhänge verstehen und auf Anwendungen übertragen können Das elektrische Ersatzschaltbild ist der Königsweg zum Verständnis der Spannungsquelle und des inneren Widerstands und zeigt auch, was bei Fehlern passiert. 17

18 18 Ersatzschaltbild von Batterien Ersatzschaltbild mit allen aktiven Elementen Batterie: Spannungsquelle mit variablem Innenwiderstand Last Entladen Gitter und Pole Gitter und Pole Polarisationsüberspannung Übergangswiderstand Aktive Masse Polarisationsüberspannung Spannungsquelle (negative Elektrode) Elektrolyt Spannungsquelle (positive Elektrode) Übergangswiderstand Aktive Masse

19 Ersatzschaltbild von Batterien Ersatzschaltbild mit allen aktiven Elementen Berücksichtigung der Flächendimensionen Last Gitter und Pole Gitter und Pole Oben Massentransport Mitte Ladungstransport (Elektrolyt) Diffusion Unten Wärmetransport Je länger die Elektrode, je größer die Gitterwiderstände und Ströme, desto gravierender sind Strominhomogenitäten und damit Wärmetransport und Diffusion 19

20 Brennstoffzellen 20

21 Brennstoffzellen Brenngaszufuhr 21

22 Spannungslage einer Zelle bei Belastung mit Strom Batterie: Kurvenschar für Entladung mit konstantem Strom Spannungslage der Batterie Brennstoffzelle: Kennkurve für Betrieb unter konstanten Bedingungen U N Klemmenspannung Keimbildung und Kristallisation: bei vielen Batterien schlecht definierter Bereich Zunahme des Stroms Spannungslage bei gleicher Entnahme von Ah U N Klemmenspannung 0 Entladeschlussspannung als Vorgabe des Herstellers Ah 0 Strom A 22

23 Übungsaufgabe 1: Spannungslage der Batterie 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 C10/10h) (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. 23

24 Systemumfeld Systemumfeld Verbrauch und Erzeugung bestimmen den Batteriestrom Erzeugung I Erzeugung I Verbraucher Verbrauch I Batterie 1. Netz/Gleichrichter 2. Autonome Energieerzeugungseinheiten 3. Brennstoffzellen Batterie Temperaturmanagement I Erzeugung +I Verbraucher = I Batterie 1. Gleichstromlasten 2. Wechselstromlasten mit 50 Hz Netzfrequenz 3. Drehstromlasten 4. Lasten mit konstantem Verbrauch oder schnellen Leistungsänderungen Im Normalfall ist die Batterie die Komponente mit der niedrigsten Impedanz. Sie stellt sehr schnell Energie zur Verfügung und absorbiert überschüssige Energie. 24

25 Systemumfeld Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor oder Turbinen Bereitschaftsparallelbetrieb Hybridfahrzeuge Erzeugung Lichtmaschine des Verbrennungsmotors oder der Turbine, mit spannungsgeregeltem DC-Ausgang Netz mit Gleichrichter Lichtmaschine des Verbrennungsmotors Verbrauch Lampen, Steuerungen, Zündung, Heizung Gleichstromlasten (z.b. Telekommunikation) und/oder Wechsel- bzw. Drehstromlasten Lampen, Steuerungen, Zündung, Heizung, Drehzahlvariabler Motorantrieb Plug-in Hybrid Generator und Netz Wie Hybridfahrzeug Gabelstapler (Batterie ist entweder an die Erzeugungseinheit oder die Verbraucher angeschlossen) Mobile Geräte (Batterie ist entweder an die Erzeugungseinheit oder die Verbraucher angeschlossen) Netz/Ladegerät Im Betrieb ggf. Rückspeisung Netz/Ladegerät Lampen, Steuerungen, Zündung, Heizung, Drehzahlvariabler Motorantrieb Hochgetaktete Gleichstromlasten Erneuerbare Energiesysteme Solarmodule mit Laderegler, Wind- bzw. Dieselgeneratoren mit Gleichrichter Gleichstrom, Wechselstrom- und Drehstromlasten 25

26 Systemumfeld Systemumfeld Autonomes erneuerbares Energiesystem Verbrauch und Erzeugung bestimmen den Batteriestrom Erzeugung Verbrauch Solarmodul mit Laderegler Windgenerator mit Gleichrichter I Erzeugung I Verbraucher I Batterie Gleichstromlasten Wechselstromumrichter mit Blindleistungsbedarf Dieselmotor mit Gleichrichter (Blindleistungsbedarf) Brennstoffzelle mit konstanter Leistungsabgabe (Lebensdauer relevant) Batterie Temperaturmanagement I Erzeugung +I Verbraucher = I Batterie I DC +I AC = I Batterie Drehstromumrichter ggf. ungleichmäßige Lastaufteilung Lade-/Entladestrom + Stromripple = Batteriestrom 26

27 Batterien Batteriestrom im Bordnetzen eines Interregiowagens der Deutschen Bahn AG Die Batterie ist die Komponente mit geringster Impedanz, die alle Leistungsschwankungen ausgleicht. Spannung (V) Batteriespannung Mittelwert: 28,6 V Spitzenwert: 34 V Wechselspannungsanteil: 1,1 V eff Strom (A) Batteriestrom Mittelwert: 1,9 A Maximum: 34,2 A, Minimum: -63,6 A Wechselstromanteil: 19,5 A eff Zeitlicher Messbereich: 100 Millisekunden Messungen der Spannung sagen nichts über die Strombelastung der Batterie, es sei denn, dass mit hoher zeitlicher Auflösung gemessen wird und/oder eine Frequenzanalyse der Gleichspannung erfolgt. 27

28 Übungsaufgabe 2: Berechnung des Batteriestroms in einer PV-Anlage ohne Netzanschluss Photovoltaikmodul Wechselrichter Gleichspannungszwischenkreis U DC I PV I L' ~ I L 230 V Last R I Batt Batterie Schematische Darstellung einer PV-Anlage zur Versorgung einer Wechselstromlast Einfachster Fall: 1. Kein Solarregler zur Anpassung der PV-Leistung an die Batteriespannung 2. Strom des Photovoltaikmoduls IPV ist konstant 3. Kein Blindleistungsbedarf der Last oder des Wechselrichters 4. U DC wird als konstant betrachtet 5. Durchschnittliche Leistung des Photovoltaikmoduls und durchschnittlicher Leistungsbedarf der Last sind identisch, d.h. dass die Batterie im Durchschnitt keine Energie aufnimmt oder abgibt. 28

29 2. Berechnung des Batteriestroms in einer PV-Anlage ohne Netzanschluss Ausgangslage: Ein Photovoltaikmodul mit der Leistung P PV versorgt einen Umrichter, der eine Wechselstromlast (einphasig) mit der Leistung P L versorgt. Betrachten Sie eine Periode T der Netzfrequenz, d.h. 20 Millisekunden. Fragen: a) Was ist das Verhältnis von effektivem Laststrom I L,eff und Photovoltaikstrom I PV bei einer Batteriespannung (= Spannung des Gleichstromzwischenkreises) von 24 V? Betrachten Sie dafür nur den einfachster Fall: Durchschnittliche Leistung des PV-Moduls und durchschnittliche Leistungsaufnahme der Last sind identisch, keine Blindleistungsaufnahme des Wechselrichters. b) Berechnen Sie den zeitlichen Verlauf von I L und I L' und das Verhältnis von I L' zu I PV. c) Berechnen Sie I Batt und zeichnen Sie den Verlauf von I Batt auf. Annahme: Batterie hat keine internen Verluste d) Wie groß oder klein muss der Photovoltaikstrom I PV sein, damit I Batt während des betrachteten Zeitraums T nicht seine Richtung ändert, d.h. die Batterie wird entweder geladen oder entladen? - keine Blindleistung - Blindleistungsaufnahme der Last (Leistungsfaktor 0,6) 29

30 Batterien Batteriestrom und -spannung im Bordnetz eines Reisezugwagens der Deutschen Bahn AG bei langen Betriebsunterbrechungen Der Energieinhalt der Batterie wird ausgenutzt. U N Batteriespannung I Laden Entladen Batteriestrom Messzeit ca. eine Woche 30

31 Batterien Batteriestrom und -spannung einer 24 V, 225 Ah Starterbatterie beim Starten eines Dieselmotors in einem Zug Die Kurzschlussleistung der Batterie wird benötigt. Strom (A x 1000) Spannung (V) Batteriespannung U min = 13,66 V Batteriestrom I max : 2040 A Kälteprüfstrom der eingesetzten Batterie: 760 A Startzeit ca. 3 Sekunden 31

32 Batterien Anforderungen an Batterien Anforderung Speicherung und Abgabe von Energie nach Bedarf Startleistung für Verbrennungsmotoren Kurzfristige Aufnahme hoher Ladeleistungen Ausgleich des Netzes bei schnellen Leistungsschwankungen von Lasten und Energieerzeugern Kurzschlussleistung zum Schalten von Sicherungen Schwarzstartfähigkeit (Batterie ist einzige Spannungs- bzw. Energiequelle im System) Anwendung Vor allem bei erneuerbaren Energiesystemen und Sicherheitsanwendungen Fahrzeuge, erneuerbare Energiesysteme, Notstromanwendungen Hybridfahrzeuge und andere Anwendungen mit Rückspeisung, erneuerbare Energiesysteme mit Windgeneratoren Fast immer Fast immer Fahrzeuge, erneuerbare Energiesysteme, Energieversorgung 32

33 Batterien Begriffe (Genaue Festlegungen teilweise in DIN und DIN 40729) Galvanische Elemente Primärzellen "Batterie" Sekundärzellen/Akkumulatoren: Wiederaufladbarer elektrochemischer Energiespeicher Batterie: Gruppe von Zellen, Zelle ist kleinste elektrochemische Einheit; Eine Batterie hat im Normalfall in Reihe geschaltete Zellen, damit ausreichend hohe Spannungen erreicht werden. Positive und negative Elektrode: Bestandteile der Zelle, an denen die gebundene chemische Energie freigesetzt wird und die eigentlichen Reaktionen stattfinden. Aktive Masse: Material, das bei der elektrochemischen Reaktion vom geladenen in den entladenen (Entladung) bzw. vom entladenen in den geladenen Zustand (Ladung) umgewandelt wird. Elektrolyt: Ionenleitendes und für Elektronen nicht leitendes Material zwischen den Elektroden Kapazität: Die aus einer Batterie bis zur Entladegrenze (minimal zulässiger Spannungswert) entnehmbare Strom- oder Ladungsmenge in Amperestunden (Ah) Nennspannung: Spannungswert zur Systembeschreibung. Die tatsächliche Spannung liegt im Bereich von ca. +/- 30 % je nach elektrochemischem System. Nennstrom I N und Nennkapazität K N charakterisieren eine Zelle/Batterie unter festgelegten Bedingungen (Nennbedingungen). Der Entladestrom wird oft auf eine bestimmte Kapazität bezogen: I 5 (fünfstündiger Strom) ist der Strom, mit dem in fünf Stunden die fünfstündige Kapazität K 5 entnommen werden kann. Ladezustand (SOC = state of charge): Verhältnis der unter Nennbedingungen entnehmbaren Ladungsmenge zu der Ladungsmenge, die bei einer vollgeladenen Batterie unter Nennbedingungen entnommen werden kann (Angabe in Prozent). Entladetiefe (DOD = depth of discharge): 1 - SOC (Angabe in Prozent) Selbstentladung (interne Umwandlung von geladenem in entladenes Material) Ladefaktor: Verhältnis von entnommener zu eingeladener Ladungsmenge 33

34 Batterien Begriffe 1. Kapazitätsangabe: K 20 (C 20 ) bezeichnet die Amperestundenmenge (Ah), die bei einer 20-stündigen Entladung der Batterie mit konstantem Strom bis zur Entladeschlussspannung entnommen werden kann. Die Angaben bzgl. Ah-Menge und Entladeschlussspannung kommen immer vom Batteriehersteller. Übliche Angaben sind K 0,25, K 0,5, K 1, K 3, K 5, K 10, K 20 und K 100 (abhängig von der Anwendung der Batterie) 2. Entladestrom I 20 ist der Entladestrom, der 20 Stunden lang konstant aus der Batterie entnommen werden kann, bis die Entladeschlussspannung erreicht wird. Da man ja diesen Strom nicht kennt, ohne die Batterie mehrfach zu entladen, wird der Strom immer aus der Kapazitätsangabe des Herstellers berechnet durch: I 20 = K 20 /20h. Stromangabe manchmal als 1C, 0,25 C etc.: 1C = N x C N 3. Berechnung der Kapazität Die wirkliche Kapazität (Betriebskapazität) der Batterie wird berechnet durch Entladestrom x Entladezeit. 4. Begrenzung der Entladung Um die Batterie nicht frühzeitig zu schädigen, darf die Batterie nicht regelmäßig vollständig entladen werden. Die Entladung muss im Betrieb also deutlich vor Erreichen der Entladeschlussspannung abgebrochen werden (z.b. wenn 80 % der Kapazität entnommen worden sind). 34