Physikalische Energietechnik Batterietechnik Aufbau eines Batterieteststandes und Durchführung von Entladeversuchen 1
Inhaltsverzeichniss 1. Einleitung 1.1 Das Hybridsystem 1.2 Der Akkumulator 1.3 Die Idee des Versuches 2. Theoretische Grundlagen des Bleiakkumulators 2.1 Allgemeines 2.2 Aufbau und Funktion 2.2.1 Das Schema des Bleiakkumulators als elektrochemische Zelle 2.2.2 Speicherfähigkeit des Systems 2.2.3 Der Elektrolyt Schwefelsäure 2.2.4 Elektrolytverluste 2.2.5 Anode und Kathode 2.3 Einflüsse verschiedener Faktoren auf die Batterie 2.3.1 Einfluß der Entladestromstärke 2.3.2 Einfluß der Temperatur 2.3.3 Ladeverhalten 2.3.4 Laden mit konstanter Spannung 2.3.5 Lebensdauer 2.4 Verhalten beim Laden und Entladen 2.4.1 Entladen 2.4.2 Entladekurven, Spannung über Zeit 3. Aufbau des Teststandes 3.1 Vorüberlegungen 3.2 Die Hochleistungswiderstände 3.3 Die Kühlung 3.4 Strom- und Spannungsmessung 3.5 Vierleitermesstechnik 3.6 Weitere Bauteile 3.7 Planung 3.8 Endmontage 2
3.9 Inbetriebnahme 4. Temperaturverlauf am Teststand 4.1 Grobaufnahme des Temperaturverlaufes bei ca. 3,5 A 4.2 Temperaturverlauf bei ca. 7 A 4.3 Temperaturverlauf am esswiderstand 5. Durchführung der Versuche mit Aufnahme der Kennlinien 5.1 Verwendete Batterie 5.2 Versuchsdurchführung 5.3 Interpretation der Kennlinien 6. Literaturverzeichnis 1. Einleitung 3
1.1 Das Hybridsystem Der Einsatz von Hybridsystemen wird in naher Zukunft wohl immer mehr an Bedeutung gewinnen. In diesen Systemen werden regenerative Energiequellen zu einem Netz zusammen geschaltet um zu allen Zeiten eine Versorgung mit elektrischer und Wärmeenergie zu gewährleisten. Eine wichtige Rolle in diesen Systemen spielt die Speicherung der Energie, so zum Beispiel elektrische Energie in Akkumulatoren. Diese wird bei Überschuss eines Energieangebotes gespeichert, um bei ehrbedarf oder zu geringem Angebot durch die Energieträger, zur Verfügung zu stehen. 1.2 Der Akkumulator Als Akkumulatoren (Sekundärzellen) werden elektrochemische Zellen bezeichnet, die zur Speicherung von Energie verwendet werden. Von den Batterien (Primärzellen) heben Sie sich dadurch ab, dass Sie vom Benutzer wieder aufladbar sind. Dies stellt an die verwendeten Systeme besondere Anforderungen, denn nicht nur die elektrochemischen Reaktionen sollten möglichst reversibel sein, sondern auch der innere Aufbau sollte sich von einem Lade/Entladezyklus zum nächsten auch mit der Zeit möglichst wenig ändern. Zudem sollten die Akkumulatoren klein und leicht sein, große Entladeleistung bieten, sich schnell und sicher wieder aufladen lassen und in einem möglichst weiten Temperaturbereich ihre volle Leistung ausschöpfen. Der Wirkungsgrad soll hoch sein, die Herstellung billig, die verwendeten aterialien ungiftig und umweltschonend sowohl bei der Produktion als auch bei der Entsorgung. Die Wartung sollte, wenn überhaupt notwendig, schnell und billig möglich sein, und auch die Selbstentladung darf den Wirkungsgrad nicht zu sehr schmälern. Da es ein System, dass alle Anforderungen in idealer Weise kombiniert nicht gibt, ist jeder Akkumulator nur ein auf den jeweiligen Zweck zugeschnittener, mehr oder weniger guter Kompromiss. 1.3 Die Idee des Versuches Der Einsatz der Akkumulatoren in einem Hybridsystem hängt also nicht nur von dem Aufbau des Hybridsystemes, sondern auch stark von der Funktionsweise und den technischen Gegebenheiten des Akkumulators ab. Um eine genauere Auswahl treffen zu können, müssen also viele Akkumulatoren auf Ihre genaueren Eigenschaften hin untersucht werden. In unserem Versuch beschäftigen wir uns hierbei mit den Entladeeigenschaften von Akkumulatoren, d.h. speziell mit den Entladekurven eines Bleiakkumulators. Hierzu wird der Akkumulator mit verschiedenen Strömen sowie bei verschiedenen Temperaturen entladen. 4
2. Theoretische Grundlagen des Bleiakkumulators 2.1 Allgemeines Die Bleibatterie ist eines der ältesten Akkumulatorsysteme. Bereits 1850 von Josef Sinsteden vorgeschlagen, brachte sie Gaston Planté zur technischen Reife, so daß die Bleibatterie seit der Erfindung des elektrischen Generators 1866 zur breiteren Anwendung gekommen ist. Es gibt 2 Arten von Bleibatterien 1. Verschlossene Bleibatterie: Bei der verschlossenen Batterie stehen die Elektroden in einem Container mit verdünnter Schwefelsäure 2. Geschlossene Bleibatterie: Sie enthält keinen flüssigen Elektrolyten, statt dessen ist dieser entweder an ein feines Glasfaservlies (Vliesbatterien) oder ein Silicatgel aus feingemahlenem Siliziumdioid (Gelbatterien) gebunden. Diese Batterien werden auch gerne als wartungsfreie Batterien bezeichnet. 2.2 Aufbau und Funktion 2.2.1 Das Schema des Bleiakkumulators als elektrochemische Zelle In den Eletrolyten aus verdünnter Schwefelsäure taucht die negative Elektrode aus metallischem Blei (Pb) und die positive Elektrode aus Bleioid (PbO 2 ) ein. Wie für alle elektrochemischen Zellen ist auch für den Bleiakkumulator charakteristisch, dass in Ableitern und Elektroden der Strom durch Elektronen transportiert wird, während im Elektrolyten Ionenleitung vorliegt. Bindeglied zwischen den beiden Leitungsarten ist die Elektrodenreaktion an der Phasengrenze Elektrode/Elektrolyt, eine chemische Reaktion, die mit der Aufnahme bzw. Abgabe von Elektronen verbunden ist (Redoreaktion). Aus dem vollständigen Gleichgewichtssystem geht hervor, dass der Elektolyt an der Reaktion teilnimmt, und die tatsächliche Schwefelsäurekonzentration, wie sie 5
im Akkumulator verwendet wird, nahezu in der ersten Dissoziationstufe vorliegt. So lauten die formulierten Reaktionsgleichungen: Positive Elektrode: PbO 2 + 3 H + + HSO 4 - + 2e - PbSO 4 + 2 H 2 O Negative Elektrode: Pb + HSO 4 - PbSO 4 + H + + 2e - Zellenreaktion: Pb + PbO 2 + 2 H + + 2 HSO 4-2 PbSO 4 + 2 H 2 O 2.2.2 Speicherfähigkeit des Systems Die Energiemenge, die im Bleiakkumulator pro Gewichtseinheit maimal enthalten sein kann, wird durch das Produkt aus Gleichgewichtszellenspannung und Strommenge pro Gewichtseinheit gegeben. Die obere hypothetisch speicherbare Energiemenge pro Kilogramm, bezogen auf 2 V Nennspannung beträgt 169 Wh/kg. Tatsächlich erreicht werden nur bis zu 40 Wh/kg. 2.2.3 Der Elektrolyt Schwefelsäure Die verdünnte Schwefelsäure spielt eine Doppelrolle, sie ist das ionenleitende edium und zugleich Reaktionspartner. Die Funktion als Reaktionspartner hat zur Folge, dass die Konzentration erheblichen Schwankungen unterliegt, denn bei der Lade- bzw. Entladereaktion wird Schwefelsäure freigesetzt bzw. verbraucht. Somit schwankt in einer üblichen Fahrzeugbatterie die Elektrolytdichte etwa zwischen 1,25 kg/l und 1,1 kg/l. Als ionenleitendes edium ist die elektrische Leitfähigkeit ein entscheidender Parameter. Die Leistungsfähigkeit des Bleiakkumulators nimmt aufgrund der Elekrolytleitfähigkeit bei tiefen Temperaturen sehr stark ab. 6
2.2.4 Elekrolytverluste Der Wartungsaufwand für den Bleiakkumulator wird im wesentlichen verursacht durch den Verlust an Wasser aus dem Elekrolyten, denn Schwefelsäure kann nur verlorengehen, wenn durch umstürzen oder durch mechanische Schäden am Gehäuse Elekrolyt direkt aus der Batterie austritt. Der Wasserverlust hat hauptsächlich zwei Ursachen: Elektrolyse und Verdunstung. Vollständig unterdrücken läßt sich wegen der thermodynamischen Gegebenheiten die Wasserzersetzung im Bleiakkumulator nicht, sie ist als Nebenreaktion immer vorhanden und spielt vor allem als Selbstentladereaktion der negativen Elektrode eine Rolle. Die Selbstentladung beträgt 0,1 bis 0,2 % pro Tag. 2.2.5 Anode und Kathode Da in der Akkumulatorentechnik je nach Richtung des Stromes (Laden/Entladen) Anode und Kathode ihre Rollen tauschen, ist es eigentlich unrichtig, eine bestimmte Elektrode immer als Anode bzw. Kathode zu bezeichnen. Trotzdem hat es sich eingebürgert, bei Akkumulatoren die Elektroden nach deren Rolle bei der Ladung zu bezeichnen. Als Anode wird die positive Elektrode bezeichnet, die negative als Kathode. 2.3 Einflüsse verschiedener Faktoren auf die Batterie 2.3.1 Einfluß der Entladestromstärke Die im Bild erkennbare Abhängigkeit zwischen entnehmbarer Strommenge und Entladestromstärke ist von großen praktischen Interesse. Versuche eine allgemein gültige Gleichung aufzustellen, wurde zwar mehrfach unternommen, jedoch muß für das spezielle Elektrodensystem immer eine große Anzahl von Konstanten bestimmt werden, was die Allgemeingültigkeit wieder entsprechend einschränkt. Das eine einfache, zugleich allgemeine Beziehung zwischen Belastungsstrom und entnehmbarer Kapazität, nicht eistiert, ist verständlich, denn neben den äußeren Parametern, Entladeschlußspannung und Temperatur, spielen konstruktive erkmale wie Plattendicke, Plattenabstand, Scheider, Säuredichte eine Rolle. 7
2.3.2 Einfluß der Temperatur beim Entladen Das Ansteigen des Elektrolytwiderstandes und der Überspannungen reduzieren mit fallender Temperatur die entnehmbare Strommenge. Das Bild zeigt als Beispiel eine Batterie üblicher Plattenkonstruktion, Kurve 1, und für eine Rundzelle mit gewickelten Elektroden und niedrigem inneren Widerstand, Kurve 2. Das Abknicken der Kurve 2 bei hohen Temperaturen ist hier auf Begrenzung der Kapazität durch die in dieser Zellenkonstruktion nur sehr geringe Elektrolytmenge zurückzuführen. an sieht, dass in beiden Fällen in einem weiten Temperaturbereich die Faustregel 1% Kapazitätsminderung pro Grad Celsius Temperaturerniedrigung gilt. Da bei erniedrigten Entladetemperaturen auch die mittlere Entladespannung absinkt, ist der Rückgang der entnehmbaren Leistung allerdings wesentlich größer. 2.3.3 Ladeverhalten Die Entladereaktion kann durch Zufuhr elektrischer Energie wieder rückgängig gemacht werden. Diese Aufladung stellt die Umkehrung der Entladereaktion dar. Für die Ladereaktion müssen die Bleiionen nach Auflösung der Bleisulfatkristalle durch Diffusion zur Elektrodenoberfläche transportiert werden. it abnehmendem Bleisulfatvorrat macht sich die begrenzte Diffusionsgeschwindigkeit mehr und mehr bemerkbar, weil der Vorrat immer kleiner wird und die Transportwege zur Oberfläche dadurch immer größer werden. 2.3.4 Laden mit konstanter Spannung Häufig wird in der Prais der Bleiakkumulator bei konstanter Spannung geladen. Vorteil dieses Verfahrens ist, daß bei entsprechend gewählter Spannung der Strom von selbst absinkt, so daß die Gefahr einer Überladung nicht besteht. Einfachstes Verfahren ist das Laden bei der Erhaltungsladespannung (üblich 2,23V/Zelle). 8
Das Bild zeigt, dass die Dauer der Ladezeit weitgehend von dem angebotenen Ladestrom abhängt; denn der entladene Bleiakkumulator kann auf Grund der anfangs etrem steilen Stromspannungskurve sehr hohe Ladeströme aufnehmen. Beim Laden bei konstanter Spannung wird daher in der Anfangsphase der Strom immer durch die Leistungsauslegung des Ladegeräts begrenzt. Erst wenn dies überschritten ist, tritt der charakteristische Stromabfall auf, wie oben zu erkennen ist. Als Folge immer geringer werdender Aufnahmefähigkeit der Batterie sinkt der Ladestrom, bis er sich asymptotisch dem Erhaltungsladestrom angleicht. Das obere Bild macht deutlich, dass die Ladezeit entscheidend beeinflußt wird von dem anfangs angebotenen Ladestrom. Eine vollständige Aufladung in 10 h ist möglich, allerdings bei sehr hohem Ladeanfangsstrom, was in der Prais hohe Kosten verursacht. In der Prais wird zur Verkürzung der Ladezeit oft der andere Weg gewählt, nämlich die Ladespannung erhöht. Die höhere Spannung führt dazu, dass der hohe Ladeanfangsstrom länger fließt. Weil dadurch in der ersten Ladephase ein höherer Ladezustand der Batterie erreicht wird, ist der Stromabfall danach steiler. Nachteil ist, dass bei dieser ethode entsprechend mit der Zellenspannung die Wasserzersetzung ansteigt. Diese Gasentwicklung kann zum Platzen der Batterie führen, wenn die Entlüftung nicht richtig funktioniert. Bei geschlossenen (wartungsfreien) Batterien, kann diese ethode nicht angewandt werden, da hier keine Entlüftung vorhanden ist. 9
2.3.5 Lebensdauer Die im Bleiakkumulator ablaufenden chemischen Reaktionen haben allmähliche Veränderungen der Elektrodenmaterialien zur Folge. Die ständige Auflösung und Wiederabscheidung des aktiven aterials führt im Grunde zu einer ständigen Neubildung der Elektrodenmassen. Allerdings sind die wichtigen Größen so günstig, dass bei geeigneter Zellenkonstruktion auch nach vielen Lade Entlade - Zyklen die wichtigen Parameter erhalten bleiben. Die Größen sind aber von der Art der vorangegangenen Entladungen bzw. Ladungen in gewissen Grenzen abhängig, so dass die Vorgeschichte gewissen Einfluß auf die Kenngrößen des Bleiakkumulatoren hat (emory Effect). 2.4 Verhalten beim Laden und Entladen 2.4.1 Entladen Starterbatterien können unter Beachtung einiger weniger Hinweise mit beliebig hohen oder niedrigen Strömen entladen werden; der innere Aufbau und die elektrochemischen Reaktionen in der Batterie sorgen für eine Art Selbstschutz, so dass keine Schädigung der aktiven Bestandteile der Platten eintritt. Will man ein vorzeitiges Altern der Batterie verhindern, sollten in Abhängigkeit von der Höhe des Entladestromes, ausgedrückt als Vielfaches von K 20, folgende Entladeschlussspannungen nicht unterschritten werden, siehe Tabelle. K 20 bedeutet, dass die Batterie in 20 h entladen wird. Starterbatterien können in einem weiten Temperaturbereich betrieben werden. Zu sehr tiefen Temperaturen hin begrenzt der Aggregatzustand des Elektrolyten die Leistungsabgabe. Da der Wasseranteil der verdünnten Schwefelsäure sukzessive ausfriert. Zu höheren Temperaturen hin wird der Einsatz von Starterbatterien, bedingt durch die konstruktiven Gegebenheiten und durch die chemische Aggressivität der Schwefelsäure, begrenzt. Eine Elektrolyttemperatur von 50 C sollte nicht dauerhaft überschritten werden. 10
2.4.2 Entladekurven, Spannung über Zeit Die dargestellten Kurven beziehen sich auf eine Starterbatterie 12 V 55 Ah 255 A Die Diagramme sind ermittelt worden, indem neue, nicht gealterte Batterien im geladenen Zustand mit den genannten Strömen bei jeweils konstant gehaltener Temperatur entladen wurden. ittels Variation von Strom und Temperatur erhält man die zur Beschreibung des Entladeverhaltens notwendigen Kennlinien, aus denen sich weitere ableiten lassen. 11
3. Aufbau des Teststandes 3.1 Vorüberlegungen Die verschiedenen Widerstandswerte werden, wie schon erwähnt durch 6 Hochleistungswiderstände erreicht. Diese können eine hohe Leistung aufnehmen, wodurch es möglich ist, einen hohen Strom fließen zu lassen. Durch Verschalten der Widerstände, zum Beispiel Parallel oder Reihenschaltung, können bestimmte Werte für die Gesamtbelastung und somit den Stromfluß eingestellt werden. Dabei ist es nur möglich die Widerstandswerte, für bestimmte Entladezeiten, in etwa einzustellen. Auch müssen eßwiderstand und die eingebauten Lüfter eingerechnet werden. Der genaue Stromfluß wird dann durch die Strommessung abgelesen. Um dem Problem der Wärmeentwicklung an den Leistungswiderständen entgegen zu wirken haben wir je drei Widerstände auf einem Kühlkörper befestigt. Nach einer ersten Betrachtung der Temperaturverläufe haben wir dann nachträglich Lüfter zur aktiven Kühlung hinter den Kühlkörpern befestigt. Näheres hierzu im Kapitel 4. 3.2 Die Hochleistungswiderstände Als Hochleistungswiderstände wurde die Baureihe HSC 100 von eggitt electronic components verwendet. Kenndaten der Widerstände sind: aimale Leistungsaufnahme: Oberflächentemperaturanstieg: Wärmeabführende Oberfläche: Dicke der wärmeabführenden Oberfläche: 100 W 1,1 C/W 995 cm² 3 mm 3.3 Die Kühlung Bei der Auswahl des Kühlkörpers ist auf den thermischen Widerstand R th zu achten. Je nach Wert, wird die Wärme gut oder schlecht abgeleitet. Für R th gilt : R th s = m K m K λ [ = A W m W 2 ] S: Wanddicke [m] λ: Wärmeleitzahl [W/Km] A: Oberfläche [m²] Zusätzlich muss beim Einbau der Kühlkörper darauf geachtet werden, dass die Wärme gut abgeleitet wird und sich nicht in den Lamellen des Kühlkörpers staut. Dies bedeutet, dass die Lamellen, die zur Wärmeableitung am Kühlkörper angebracht sind nicht horizontal, sondern vertikal ausgerichtet sein müssen. Nach einer Temperaturmessung, während des Probebetriebes des Teststandes, mußten wir feststellen, dass die Erwärmung an den Widerständen und den Kühlkörpern zu hoch wird. Darauf hin, wurden zusätzliche Lüfter hinter die Kühlkörper montiert, die für eine bessere Wärmeabfuhr sorgen sollen. Diese werden ebenfalls von der Batterie gespeist und so muß ihr Widerstand, wie oben erwähnt, mit beachtet werden. Genaueres hierzu im Kapitel 4. 12
3.4 Strom- und Spannungsmessung Die Kennlinie des Entladeverhaltens der Batterie wird mit Hilfe eines Computers aufgenommen, der in bestimmten Zeitabständen die Spannung und den Strom mißt, und diese Werte in ein Diagramm einträgt. Das Problem hierbei ist es den Strom zu messen. Da wir kein essgerät zur Verfügung haben, dass höhere Ströme für längere Zeit messen kann, muß ein esswiderstand eingebaut werden. An diesem Widerstand wird die abfallende Spannung gemessen und der entsprechende Strom, mit Hilfe des Widerstandswertes errechnet. Der esswiderstand wird so angepasst, dass die abfallende Spannung gut messbar ist und ein Strom von bis zu 16 A ihn nicht zu sehr erhitzt, d.h. die aufnehmbare Leistung nicht überschritten wird. Somit entschieden wir uns für einen 5 W Drahtwiderstand mit 10,3 mω. Beim essen der Temperaturverläufe stellte sich jedoch heraus, das die Erwärmung des 5 W Drahtwiderstandes bei hohen Strömen zu groß wurde. Deshalb muss bei Strömen über 10 A, der eingebauten Drahtwiderstand durch einen Leistungswiderstand ersetzt werden. 3.5 Vierleitermesstechnik Der Wert des esswiderstandes muss genau bekannt sein, da über die abfallende Spannung, der Strom bestimmt wird, mit dem die Batterie entladen wird. Folgende Schaltung zeigt den Aufbau der Vierleitermesstechnik: U U U I U I R R R R = I = I = für : I = I = ( R + 2 R ) ( Icons I ) ( I I ) ( R + 2 R ) = ( I I ) I = = I = I U = cons cons fo lgt : R cons R ( R + 2 R ) I I cons + I cons U I U I << I Ltg I I cons R 2 R I + I Ltg cons Ltg Ltg cons 2 R I 2 RLtg + Icons 1 I Ltg R R U = I cons 13
it der gemessenen Spannung U und dem konstanten voreingestellten Strom I cons, läßt sich so der genaue Widerstandswert berechnen. Durch den hochohmigen Abgriff des Voltmeters, ist der Strom durch die Zuleitungen des Voltmeters vernachlässigbar klein gegenüber dem Strom durch den zu messenden Widerstand (siehe Rechnung). 3.6 Weitere Bauteile Um eine Zerstörung der ausgesuchten Kabel bei hohen Strömen zu vermeiden, werden diese so gewählt, dass ihr Querschnitt für den höchst möglichen Strom ausgelegt ist. In unserem Teststand werden Kabel verwendet mit einem Querschnitt von 1,5mm², welche ohne weiteres einen Strom von 16 A bei Raumtemperatur aushalten. Bei höheren Temperaturen sinkt die Belastbarkeit der Kabel. Ein PVC-isoliertes Kabel kann bei 55 C nur noch mit etwa 60 % des Stromes belastet werden, welchen es bei 30 C verträgt. Deshalb haben wir für die Anschlüsse des Teststandes an die Batterie Kabel mit einem Querschnitt von 2,5 mm 2 verwendet. Denn die Batterie wird in den Versuchen auch bei höheren Temperaturen im Klimaschrank entladen. Eine höhere Temperatur als 55 C sollte hier aber nicht eingestellt werden, da die Kabel mit PVC-Isolierung nicht für höhere Temperaturen ausgelegt sind. Die Anlage wird über einen Schalter EIN und AUS geschaltet. Dieser muß ebenfalls für den höchstmöglichen Strom ausgelegt sein. Der von uns verwendete Schalter ist für 2 mal 8 A vorgesehen, d. h. es ist ein Doppelschalter, dessen Ein und Ausgänge gebrückt werden müssen, um einen über 8 A liegenden Strom schalten zu können. Als letztes ist noch ein Tiefenentladeschutzgerät für die Batterie notwendig. Dieses Gerät (PTS1) sorgt dafür, dass die Batterie sich nicht unter eine voreingestellte Spannung entläd, da sie sonst beschädigt werden könnte. Dieser Schutz muß zwischen Quelle (Batterie) und Verbraucher eingebaut werden. Es wird erst ein Stromfluß stattfinden, wenn die Spannung über den eingestellten Wert steigt. Der Stromfluß wird unterbrochen, sobald die Spannung der Batterie unter den voreingestellten Wert fällt. 14
3.7 Planung Um eine optimale Bedienung zu ermöglichen, ist eine übersichtliche Anordnung der einzelnen Bauteile erforderlich. Hierzu wird eine PVC Platte als Grundplatte verwendet, auf der alle Bauteile, sowie alle Buchsen, die für die Parallel- und Reihenschaltungen und die Abgriffe von Strom- und Spannungsmessung, montiert werden. Zuerst werden die Widerstände auf den Kühlkörpern befestigt, 3 Stück pro Körper. Diese werden dann mit seitlich angebrachten Winkeln mit der Grundplatte verschraubt. Für die einzelnen Buchsen, zum Verschalten der Widerstände werden Löcher gebohrt und die Buchsen angeschraubt; ebenso der Schalter und der PTS1. Folgendes Bild zeigt eine Frontansicht des Teststandes: Die verbindenden Kabel werden unter der Platte durch Löten zwischen den Buchsen befestigt. Dabei ist an jede Buchse eine Lötfahne angeschraubt, mit der das Kabel verlötet ist. Folgendes Bild zeigt den Schaltplan: 15
3.8 Endmontage Nachdem nun alle Komponenten montiert und verlötet sind, wird ein Bodenplatte zum Schutz vor Kurzschlüssen unter der Grundplatte und den Verschaltungen angebracht. Diese besteht aus Pleiglas und wurde in einem ausreichendem Abstand mit Hilfe von Abstandhaltern festgeschraubt. 3.9 Inbetriebnahme Vor der ersten Inbetriebnahme, wird die Verkabelung mit einem ultimeter überprüft. Zum Testen wird eine Konstantstromquelle, an die Klemmen für die Batterie angeschlossen. Anschließend wird die Spannung über den Widerständen und die Spannung über den esswiderstand gemessen und überprüft. Nachdem wir uns von den korrekten Anschlussrichtungen überzeugt haben wird ein Testlauf gestartet. Dabei wird eine Konstantspannungsquelle angeschlossen, welche die Batterie simulieren soll. 16
4. Temperaturverlauf am Teststand 4.1 Grobaufnahme des Temperaturverlaufes bei ca. 3,5 A Temperaturkennlinien 1 60 50 40 eßgrößen 30 20 10 0 08:38 08:45 08:52 09:00 09:07 09:14 09:21-10 Zeit Strom [A] Temp,Kühl [ C] Spannung [V] Temp ess [ C] Temp, R [ C] Temp. Kühl: Temperatur an dem Kühlkörper, an dem ein Widerstand mit ca. 3,5 A belastet wurde Temp. ess: Temperatur am esswiderstand Temp: R: Temperatur am Leistungswiderstand, welcher auf den Kühlkörper geschraubt ist Strom: fließender Strom Spannung: angelegte Spannung Das obige Diagramm zeigt den groben Temperaturverlauf am Teststand ohne aktive Kühlung, d.h. nur mit Kühlkörpern und ab ca. 9.05 Uhr mit zugeschalteter aktiver Kühlung, d.h. Anblasen des Kühlkörpers mit einem Kühlventilator. Grob ist der Temperaturverlauf deshalb, weil die verwendeten PT 100 Temperaturmesswiderstände nicht kallibriert waren (zu erkennen an der höheren Temperatur der Kühlkörper gegenüber den Widerständen). Die essung galt lediglich dem herausfinden der sehr stark von der Temperatur abhängigen Stellen des Teststandes, sowie der Wirkung der Kühlkörper und der Ventilatoren. Die beiden Einbrüche der Temperatur bei 8.52 und 9.00 Uhr sind damit zu erklären, dass sich die Temperaturfühler die mit Klebeband festgeklebt waren, von der warmen Oberfläche lösten. an kann im Temperaturverlauf klar erkennen, dass durch die aktive Kühlung der Ventilatoren eine wesentliche bessere Wärmeabfuhr erreicht wird. Ein Abfall der Temperatur von ca. 40 % an Kühlkörper und Leistungswiderstand wurde erreicht. Deshalb haben wir uns entschlossen die hier verwendeten 2 Lüfter fest hinter die Kühlkörper zu setzen und die Kühlkörper während des Versuches permanent anzublasen. Einziger kleiner Nachteil beim Einbau der Lüfter ist es, deren Stromverbrauch mit einzubeziehen, wenn es um die Bestimmung der Widerstandswerte zum Entladen in einer bestimmten Zeit geht. Die beiden Lüfter sorgen bei alleinigem Anschluss an die Batterie für einen Stromfluss von etwa 0,45 A. 17
4.2 Temperaturverlauf bei ca. 7 A Stromfluß Temperaturkennlinien 45 40 35 30 25 eßgrößen 20 15 10 5 0 13:37 13:40 13:43 13:46 13:49 13:52 13:55 13:58 14:00 14:03-5 Zeit Strom [A] Temp,Kühl [ C] Spannung [V] Temp ess [ C] Temp, R [ C] Temp. Kühl: Temperatur an dem Kühlkörper, an dem zwei Widerstände mit ca. 3,5 A belastet wurde Temp. ess: Temperatur am esswiderstand Temp: R: Temperatur an einem der Leistungswiderstände, welche auf den Kühlkörper geschraubt sind Strom: fließender Strom Spannung: angelegte Spannung Bei dem obigen Temperaturverlauf, wurden 2 Widerstände auf einem Kühlkörper mit jeweils ca. 3,5 A belastet, d.h. einem Gesamtstromfluss von etwa 7 A. Die Temperaturverläufe in diesem Diagramm sind zwar mit den gleichen PT 100 Chipwiderständen aufgenommen worden wie das obige Diagramm, jedoch haben dieses al versucht den Fehler mit einfachen itteln gering zu halten. Dazu haben wir die Temperaturen genommen, welche die drei Widerstände am Anfang der essung anzeigten. Die beiden PT 100 an Widerstand und Kühlkörper sollten dabei den gleichen Wert anzeigen, da sie lediglich wenige Zentimeter von einander entfernt waren und vor dem Versuch nirgends eine Wärmequelle einen der beiden PT 100 alleine beeinflussen konnte. Deshalb haben wir die Differenz Ihrer Anzeige zur Raumtemperatur genommen und am Ende der essung vor Eintrag in das Diagramm an jedem esswert abgezogen. Die Temperatur am esswiderstand lag etwas höher als die Raumtemperatur. Hier haben wir jedoch keine Änderung vorgenommen, da diese essung unter der Grundplatte stattfand und es hier sicher eine kleine Erwärmung durch die einstrahlende Sonne gab. Durch die aktive Kühlung stieg die Temperatur an Kühlkörper und Leistungswiderstand trotz doppelter Belastung nicht über 45 C, wobei sie ohne aktive Kühlung und halber Wärmeabfuhr in Temperaturverlauf 4.1 schon ca. 53 C erreicht hatte. Dies bestätigt uns in unserer Entscheidung, die Lüfter fest am Teststand zu befestigen. 18
4.3 Temperatur am esswiderstand Die Temperatur am esswiderstand muss nun noch etwas genauer betrachtet werden, da dieser nicht in den Einfluss der Lüfter kommt. Die Temperatur steigerte sich von ca. 28 C auf ca. 43 C bei Verdopplung des Stromes. Eine Belastung mit 16 A Strom wird dieser wohl nicht standhalten und zerstört werden. Sollte also ein Versuch mit Belastung von mehr als ca. 10 A durchgeführt werden, so müssen wir diesen durch einen Leistungswiderstand ersetzen, der die Wärme besser abführen kann und sich nicht so schnell erwärmt. 19
5. Durchführung der Versuche mit Aufnahme der Kennlinien 5.1 Verwendete Batterie Als Batterie zur Durchführung der Kennlinienversuche wurde eine Batterie der Baureihe Bären Solar 78500 verwendet. Zu dem speziell von uns verwendeten Typ mit einer Kapazität von 85 Ah bei 100 Std. Entladung konnten wir leider kein Datenblatt besorgen. Die angegebenen Kennwerte gelten für die Bären Solar 78500 mit 90 Ah. Diese Werte dürften nur wenig von der von uns verwendeten Batterie abweichen. Kennwerte (Bären Solar 78500 90 Ah/ 100 Std. Entladung) Anwendungsgebiet: Nennspannung: Außenabmessungen (ma) L/H/B (mm): Gewicht (gefüllt und geladen): Gewicht (trocken): Nennelektrolytdichte Nennkapazität (K100): Zyklenfestigkeit (80 % Entladung): Zyklenfestigkeit (20 % Entladung): Ruhespannung (100 % geladen): Innenwiderstand bei 20 C: a. Leistungsabgabe: Kurzschlussstrom (100 % geladen): Selbstentladung: Höchste Ladespannung bei Ladungsschluss: Spezialbatterie, zyklenfest 12 V 272175225 20,5 kg 14,5 kg 1,28 kg/l 90 Ah 300 Ladezyklen 1200 Ladezyklen 12,75 V 5,1 mω 6,0 kw 2000 A 3 %/ onat 16,8 V 20
5.2 Versuchsdurchführung Zur ersten Kennlinienaufnahme haben wir uns für eine Entladung über etwa 100 Stunden entschieden, da die Batterie mit einer Kapazität von K100 = 85 Ah im Datenblatt angegeben ist. Um diese Entladezeit zu realisieren, muss ein Entladestrom von ca. 0,85 A fließen. Berücksichtigt man den Stromfluß von etwa 0,45 A, der durch die Lüfter verursacht wird, so muß durch die Widerstände ein weiterer Strom von 0,4 A fließen. Durch die Serienschaltung aller Widerstände wird ein Strom von etwa I = 12V/26,6Ω = 0,45A. Dies ist der von uns kleinst möglich, über die Widerstandsverschaltung, einstellbare Strom. Die Widerstände wurden in Reihenschaltung angeschlossen und der Entladeversuch gestartet. Der sich tatsächlich ergebende Stromfluß wird am ultimeter abgelesen. Es ergeben sich folgende Strom - Spannungs Kennlinien: Strom - Spannungs - Kennlinien 14 1,2 12 1 10 0,8 Spannung U [V] 8 6 4 0,6 0,4 Strom I [A] 2 0,2 0 0 0 500 1000 1500 2000 2500-2 esszeit [min] -0,2 Spannung U [V] Strom I [A] 5.3 Interpretation der Kennlinien Die Aufnahme der Kennlinien wurde nach ca. 33 h unterbrochen, da der Tiefenentladeschutz aktiviert wurde. Dieser war von uns mit einer Spannung von 11,5 V eingestellt worden. Daher konnten wir die 100 h Entladung nicht realisieren. Besser wäre eine Einstellung von 10,5 V gewesen. So hätten wir die Kennlinie über eine längere Zeit aufnehmen können. Die Strom Spannungs Kennlinien zeigen bis zum Abbruchspunkt den erwarteten Verlauf (siehe theoretische Kurve aus Kapitel 2.4.2). Spannungskennlinie: Die Spannung fällt im Laufe der Zeit ab, da die Schwefelsäurekonzentration im Elektrolyt abnimmt (Beteiligung an der Reaktion). Weiterhin steigt die Konzentration an Bleisulfat. Beide Konzentrationsänderungen beeinflussen die Leitfähigkeit des Elektrolyten negativ. Dadurch kann der Ladungsausgleich zwischen den beiden Elektroden nicht mehr so schnell erfolgen und die Spannung an den Elektroden nimmt ab. 21
Stromkennlinie: Die beiden Stromspitzen bei 800 und 900 min können wir uns nicht erklären. öglich wäre eine kurzfristige Veränderung der inneren Gegebenheiten der Batterie, eine kurzfristige Änderung der von außen angelegten Belastung oder einfach nur ein essfehler. Die restlichen kleinen Ausbrüche, die zu erkennen sind, sind auf das Auflösungsvermögen des essgerätes zurückzuführen. Die Strommessung liegt einer Spannungsmessung am esswiderstand zu Grunde. Wird am Widerstand eine Spannungsänderung von 0,1 mv gemessen, so ergibt sich beim Strom eine Änderung von 10 ma. Diese Änderung ist in der Kennlinie zu erkennen. 6. Literaturverzeichnis 1. Datenblatt der Batterie Baureihe 78500 von der Bären Batterie GmbH 2. René Groiß, BaSyTec GmbH, www.basytec.de 3. eggitt electronic components, www.megelec.co.uk (Hersteller der Leistungswiderstände) 4. Bleiakkumulatoren, Varta, VDI Verlag 5. Betriebsanleitung des PTS1 22