Batteriekonzept proant 1. Technologie 1.1. Eigenschaften Im FTF werden Lithium Ionen Sekundärbatterien (Lithium-Eisenphosphat LiFeYPo4) eingesetzt. Der Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator ist eine Weiterentwicklung des Lithium- Ionen-Akkumulators. Als Kathodenmaterial wird LiFe-PO4 verwendet und eine Dotierung mit Yttrium verbessert die technischen Eigenschaften (Leistung und Haltbarkeit). Diese Batterie ist eine Trockenbatterie. Eigenschaften: Lithium-Eisenphosphat ist ungiftig und nicht brennbar. Die LiFeYPo4 Zellen sind hochstromfähig, zyklenfest und kaum selbstentladend. Im Gegensatz zu herkömmlichen Li- Ionen-Zellen scheidet sich bei Überladung kein metallisches Lithium ab und es wird kein Sauerstoff freigesetzt Bei diesen Batterien gibt es keinen Memoryeffekt (wie NiCd oder NiMH Akkus), so dass die Zellen bei ordnungsgemäßem Gebrauch eine sehr lange Lebensdauer besitzen. Sie werden deshalb auch millionenfach im Konsumerbereich z.b. in ebikes, Mobiltelefonen und Notebooks eingesetzt. Die größten Zellblöcke bis 30.000 Ah werden in U-Booten verwendet. LiFeYPo4 Batterien ermöglichen kurze Ladezeiten, je nach Ladestrom kann die Batterie in wenigen Minuten vollständig geladen werden. LiFeYPo4 Akkus geben bis kurz ihrer Tiefenentladung fast ihre vollständige Nennspannung ab, dann jedoch bricht die Spannung schlagartig zusammen. Vorteile LiFeYPo4 hohe Entladeströme hohe Sicherheit hohe Zyklenfestigkeit kurze Ladezeiten in Herstellung und Entsorgung umweltfreundlicher als LiMn Akkus Nachteile LiFeYPo4 Zellen sind etwas schwerer* in guter Qualität teurer* Batteriemanagement und Balancerschaltung erforderlich *als andere Sekundärbatterien gleicher Kapazität InSystems Automation GmbH Rudower Chaussee 29 Tel.: +49-30-639 225 10 Seite 1
1.3. Technische Daten Im FTF werden 8 Zellen des Typs LYP-40Ah 3,2V verwendet. InSystems Automation GmbH Rudower Chaussee 29 Tel.: +49-30-639 225 10 Seite 2
1.4. Batterie Lebensdauer Mit einem Prototyp proant konnte ohne die Lastaufnahme mit einer vollen Batterieladung ca. 8 h gefahren werden. Mit dem zusätzlichen Betrieb der Lastaufnahme kann man pessimistisch geschätzt etwa 6h fahren. Bei Benutzung des 40 Ah Batteriepacks kann also von einer durchschnittlichen Stromentnahme mit 5,7 A ausgegangen werden. Mit Hilfe der Informationen des Batterie Monitoring wird das FTF bei spätestens 80% DOD (depth of discharge) zu einer stationären Ladestation gesteuert. In diesem Fall kann das FTF nach Datenblatt des Batterie Herstellers mindestens 5000 mal aufgeladen werden. Daher ergibt sich eine minimale Lebensdauer von 5000 x 6 h = 30.000 h = 1.250 Tage = 3,42 Jahre. Durch das im folgenden Kapitel beschriebene sogenannte Opportunity charging werden jedoch die Batteriepacks der FTFs praktisch fast nie bis zu 80 % entladen. Im Datenblatt der Batteriezelle sieht man das die Lebensdauer (Life Cycle) bei nur 10 % weniger DOD bereits um 40 % steigt. Damit dürfte sich eher eine realistische Lebensdauer von 7000 x 6 h = 42.000 h = 1.750 Tage = 4,79 Jahre ergeben. InSystems Automation GmbH Rudower Chaussee 29 Tel.: +49-30-639 225 10 Seite 3
1.5. Laden des Batterie-Packs Die effektivste, aber aufwendigste Lösung ist Ladung jeder einzelnen Zelle, was aber bei der Verwendung in einem FTF nicht durchführbar ist. Deshalb werden die Zellen zu einem Block verbunden und die Zellen durch eine Balancer Schaltung abgesichert. An jeder Zelle ist ein Balancer Board kontaktiert, der dafür sorgt, dass alle Zellen auf dem gleichen Niveau sind. Er gleicht den Ladestrom der Zellen aus, wenn eine Zelle bereits voll ist, die anderen Zellen aber noch geladen werden müssen. Alle Balancer Boards kommunizieren über ein Bussystem mit dem Batterie-Management System BMS und damit letztlich auch zum Ladegerät. Auf jedem Balancer Board ist ein Temperatursensor, der die Temperatur der Zelle überwacht. 1.5.1. Ladevorgang Das FTF besitzt Ladekontaktflächen, die an der Ladestation gefedert kontaktiert werden. Erst wenn das FTF angedockt ist und den Kontakt der Ladestation per Datenübertragung bestätigt, fließt der Ladestrom. Sobald das Batteriemanagement dem FTF meldet, dass die Batterie voll geladen ist oder zu warm ist, wird der Ladevorgang beendet. 1.5.2. Opportunity Charging Durch die kurzen Ladezeiten, die die Lithium Eisen Technologie ohne negative Auswirkung auf die Kapazität und Haltbarkeit der Batterie zulässt, kann das FTF im laufenden Betrieb ständig nachgeladen werden, wenn es z.b. auf die Übergabe von Lasten wartet. Hier handelt es sich um Ladezeiten von ca. 40 s, wenn das FTF an den Pufferloadports steht 1.5.3. Ladestation Die Ladestation wird im Normalbetrieb nur dazu dienen, im Falle einer Tiefentladung die Batterie des FTF wieder in den Ladezustand von 80-20% zu bringen. Sie wird sich in der Nähe des Wartungsplatzes und Puffers befinden. 1.6. Bedingungen für maximale Haltbarkeit Die Haltbarkeit der LiFeYPo4 wird durch folgende Maßnahmen optimiert: - Verwendung der Batterie im Bereich 80-20% des Ladezustands - Installation einer Balancer Schaltung - Verwendung eines Batteriemanagement Systems, das Spannung, Ladezustand (SOC), Temperatur und den Status überwacht - möglichst geringer Ladestrom (0,5 CA) 2. Sicherheit Beim Laden dieses Batterietyps wird kein Sauerstoff freigesetzt. Weiterhin wird im Gegensatz zu herkömmlichen Li-Ionen-Zellen bei Überladung kein metallisches Lithium abgeschieden Die Abscheidung und Sauerstoff führt bei älteren Typen von Li-Ionen-Akkumulatoren zum sogenannten thermischen Durchgehen, das unter ungünstigen Bedingungen sogar zur Explosion der Zelle führen kann. Bei einem Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator ist dies bei sachgemäßer Verwendung nicht möglich. Zusätzlich wird die Temperatur jeder einzelne Zelle über das Balancer Board überwacht. 2.1. Gefährdungspotential Es werden Lithium Batterien mit mittlerer Leistung verwendet: (> 1kg aber unter 60V Batteriespannung) InSystems Automation GmbH Rudower Chaussee 29 Tel.: +49-30-639 225 10 Seite 4
Battery Pack Spannung Battery Pack max: Spannung typisch: Strom max konstant: Ladestation Ladespannung max: Ladestrom: Opportunity Charging Ladespannung max: Ladestrom max: 25,6 V 24,0 V 120 A 4 V x 8V= 32 V 40 A 4 V x 8V= 32 V 40 V 2.2. Gefährdungen und Maßnahmen 2.2.1. Brandgefahr Batterie-Zelle Eine thermische Reaktion kann bei folgenden Defekten auftreten: Kurzschluss/Verpolung mechanischer Defekt zu hohe Außentemperatur Maßnahmen Das Batteriezellen-Pack wird mit einem Batteriemanagement-System betrieben, das einen Defekt erkennt und an das Leitsystem meldet Ein Überladen oder Tiefentladen erzeugt bei diesem Batterietyp keine Brandgefährdung. Das Batterie-Pack ist im FTF mit einem Metallblech vor mechanischer Beschädigung geschützt. Im Brandfall (Produktion) kann die Batterie mit Wasser oder einem CO2 Feuerlöscher gelöscht werden. Ladestation Gemäß BGI 5017 ist um die Ladestation ist ein 2,5 m-bereich von brennbaren Materialien freizuhalten. Dies kann an der Ladestation am Wartungsplatz vorgesehen werden, da das FTF dort eine längere Ladezeit verbringen wird. Für das Opportunity Charging sollte von dieser technischen Regel aber abgewichen werden, indem durch die Gefährdungsbeurteilung einzelfallspezifisch nachgewiesen und dokumentiert wird, dass durch die kurze Ladezeiten von nur ca. 40 s und die Umgebung mit nur geringer Brandlast (Loadports) nur eine geringe Brandgefährdung besteht. 2.2.2. Stromschlag beim Laden Die Ladekontakte stehen nur unter Spannung, wenn ein Fahrzeug angedockt und den Ladevorgang freigeschaltet hat. Somit versperrt das FTF während der Ladezeit den Zugang zu den Ladekontakten. Weiterhin fällt die anliegende Spannung von 32 V in den Bereich der ungefährlichen Niederspannung. InSystems Automation GmbH Rudower Chaussee 29 Tel.: +49-30-639 225 10 Seite 5
3. Weiterführende Schriften und Links VdS3103 Lithium Batterien, GdV Merkblatt zur Schadenverhütung: http://vds.de/fileadmin/vds_publikationen/vds_3103_web.pdf Wissensdatenbank des Landesinstituts für Arbeistgestaltung NRW: http://komnet.nrw.de/ccnxtg/frame/ccnxtg/danz?lid=de&did=11958 http://komnet.nrw.de/ccnxtg/frame/ccnxtg/danz?lid=de&did=20294 LiFeYPo bei Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/lithium-eisenphosphat-akkumulator DIN EN 50272 Manual Winston Battery http://en.winston-battery.com/index.php/products/downloadcenter/category/oper InSystems Automation GmbH Rudower Chaussee 29 Tel.: +49-30-639 225 10 Seite 6