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HUMBOLDT-UNIVERSITÄT ZU BERLIN
INSTITUT FÜR INFORMATIK
ARBEITSGRUPPE SPEZIFIKATION, VERIFIKATION UND TESTTHEORIE
SS 2014
ÜBUNGEN ZUR VORLESUNG
„MODELLBASIERTE SOFTWARE-ENTWICKLUNG EINGEBETTETER SYSTEME“
Prof. Dr. Holger Schlingloff, Jaroslav Svacina
Blatt 4 – Ladesteuerung
Ausgabe:
Abgabe:
27.5.2014
3.6.2014
Aufgabe
In dieser Aufgabe soll das Ladeverhalten der Pedelec-Steuerung genauer betrachtet werden. Allgemeine
Informationen über Li-Ion-Ladegeräte sind im Internet zu finden1,2. Sollten Sie in Ihrem Pflichtenheft bereits andere
Entscheidungen festgelegt haben, als nachfolgend beschrieben, so sind Sie frei, diese zu modellieren.
Die Ladung erfolgt durch Spannungs- und/oder Stromregulierung. Bei der
einfachsten Art der Ladung durch Regelung der Spannung wird, abhängig
vom Kathodenmaterial, 4,1 bis 4,2 V pro Zelle eingestellt (die Ladezeit
beträgt bei den meisten Geräten dann ca. drei Stunden). Der volle Ladezustand
ist erreicht, wenn die Ladespannung erreicht und der Ladestrom auf einen
konstanten niedrigen Wert (etwa 0,1 Coulomb = 0,1 Amperesekunden)
abgesunken ist.
Beim Laden und Entladen ist ein Kompromiss zwischen Kapazität und
Lebensdauer zu finden: Wird der Akku nur teilweise (z. B. von 80% bis 30%
statt von 100% bis 0% der Kapazität) ge- und entladen, so erhöht sich die Zahl
der möglichen Lade- und Entladezyklen stark (allerdings ist die nutzbare
Energiedichte natürlich entsprechend geringer). Generell ist es möglich, Li-Ion-Akkus mit einem geringeren
Ladestrom als dem Nennstrom zu laden; auch dadurch erhöht sich die erreichbare Zyklenzahl etwas.
Damit Li-Ion-Akkus sicher betrieben werden können, muss ein Überladen und Überentladen verhindert werden.
Kommerziell erhältliche Li-Ion-Akkupacks sind mit einem Schutzkreis ausgestattet, der verhindert, dass die
Spannung beim Laden zu hoch ansteigt; die obere Ansprechspannung beträgt normalerweise 4,3V pro Zelle. Ebenso
muss der maximale Ladestrom (abhängig von der Kapazität des Akkus) begrenzt werden.
Damit sich der Akku beim Entladen nicht zu stark erhitzt, ist auch der Entladestrom zu begrenzen. Die
Entladeschlussspannung beträgt je nach Zellentyp um die 2,5 V; diese darf nicht unterschritten werden. Eine Li-IonZelle ist unterhalb von 3,0V tiefentladen. Damit sie beim Wiederaufladen keinen Schaden nimmt, muss man sie bis
etwas über 3,0V mit einem Ladestrom von 0,1 A laden, dann kann man normal weiterladen. (Falls eine Zelle auf
unter 1,5 V entladen wurde, sollte sie nicht mehr verwendet werden, denn mit hoher Wahrscheinlichkeit haben sich
dann chemische Brücken ausgebildet, die zu einem Kurzschluss führen können. Normalerweise verhindert der
Schutzkreis im Akkupack dann die Aufladung.)
Außerdem muss beim Laden die Temperatur der Batterie überwacht werden. Der Ladevorgang wird abgebrochen,
wenn eine Temperatur von 90 °C in der Batterie erreicht wird. Ein Akku, welcher bei Raumtemperatur geladen und
einen Ladezustand von 100 Prozent erreicht, wird bei 45 °C nur zu 70 Prozent geladen. Unter 5 °C sollte der
Ladestrom 1 A nicht überschreiten. Ein Laden bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt ist zu vermeiden, da dann
ein Lithiummetallbeschichtungseffekt auftritt, der die Zellen zerstört.
Die geringe Selbstentladung über den Akku und den Schutzkreis wird normalerweise durch eine kurze
Auffüllladung ausgeglichen. Akkuabhängig können Auffüllladungen alle 20 Tage erforderlich sein. Die
Auffüllladung wird normalerweise ausgelöst, wenn die Leerlaufspannung des Akkus auf 4,05 V/Zelle abfällt, und
wird bei 4,2 V/Zelle wieder abgeschaltet.
Aufgabe:
Modellieren Sie eine Ladesteuerung für die Batterie, die die oben beschriebenen Prinzipien (teilweise) umsetzt.
Schalten Sie die Steuerung mit der Batteriesimulation zusammen und simulieren Sie einige Zyklen.
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http://www.batteryexperts.eu/faq/faqans1.html
http://de.wikipedia.org/wiki/Lithium-Ionen-Akkumulator