Verhalten von Batterien bei impulsförmigen Strombelastungen unter
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Verhalten von Batterien bei impulsförmigen Strombelastungen unter Berücksichtigung des Skineffekts Dissertation zur Erlangung des Grades eines Doktor-Ingenieurs vorgelegt von Dipl.-Ing. Carsten Ropeter aus Hevensen genehmigt von der Fakultät für Energie- und Wirtschaftswissenschaften der Technischen Universität Clausthal Tag der mündlichen Prüfung: 07. Februar 2006 Berichte aus der Energietechnik Carsten Ropeter Verhalten von Batterien bei impulsförmigen Strombelastungen unter Berücksichtigung des Skineffekts D 104 (Diss. TU Clausthal) Shaker Verlag Aachen 2007 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Zugl.: Clausthal, Techn. Univ., Diss., 2006 Copyright Shaker Verlag 2007 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN 978-3-8322-5938-9 ISSN 0945-0726 Shaker Verlag GmbH • Postfach 101818 • 52018 Aachen Telefon: 02407 / 95 96 - 0 • Telefax: 02407 / 95 96 - 9 Internet: www.shaker.de • E-Mail: [email protected] Seite iii Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe Energiespeicher am Institut für Elektrische Energietechnik der TU-Clausthal. Mein Dank gilt zunächst dem Leiter des Instituts für Elektrische Energietechnik und Vizepräsidenten der TU-Clausthal Herrn Prof. Dr.-Ing. H.-P. Beck für die fachlichen und philosophischen Diskussionen und Anregungen. Er hat zudem einen großen Anteil am Entstehen dieser Arbeit durch die finanzielle Unterstützung meiner Tätigkeit insbesondere während der letzten 10 Monate. Weiterhin möchte ich mich sehr bei Herrn Dr. Heinz Wenzl für die Übernahme des Korreferats bedanken. Er konnte mir zudem durch die zahlreichen fachlichen, teilweise kontroversen Diskussionen immer wieder Wege zu Lösungen und interessanten Fragestellungen aufzeigen. Seinen Leitspruch in Bezug auf das Verhalten von Batterien („…jede neue Entladung eine neue Überraschung!“) konnte ich im Rahmen meiner Experimente wiederholt bestätigen. Den früheren und jetzigen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Instituts für Elektrische Energietechnik danke ich für die gute Zusammenarbeit und Arbeitsatmosphäre, dies gilt ganz speziell für die Sekretärin Frau Elke Mendt, dem „guten Geist“ des Instituts. Erwähnen möchte ich auch Herrn Dr.-Ing. E.-A. Wehrmann, der immer ein offenes und geduldiges Ohr für mich hatte, wenn ich mit allgemeinen oder speziellen Fragen zu ihm gekommen bin. Mein spezieller Dank gilt auch Herrn Volker Just, von dem ich viel über die Grundsätze des Experimentierens lernen durfte (Zitat: „…messen heißt vergleichen!“) Meiner Mutter, Elsbeth Ropeter, möchte ich einen großen Dank dafür aussprechen, dass ich die Freiheit hatte, meinen beruflichen Werdegang selbst zu bestimmen und dafür, dass sie mich stets in meinen Entscheidungen bestätigt und unterstützt hat. Zum Schluss möchte ich mich ganz besonders bei meiner lieben Frau Cornelia für die moralische Unterstützung, den Beistand und die ertragenen Entbehrungen während der Anfertigung dieser Arbeit bedanken. Auch unsere tollen Kinder, Ruben und Ophelia sowie die beiden Zwillinge Silvana und Salome, haben mir durch ihr Lachen und ihren Enthusiasmus geholfen, gewisse frustrierende Momente schnell zu vergessen und somit zu einem zufrieden stellenden Abschluss zu kommen. Den Physikern, welche der Forschung mit Eifer, aber auch mit Bedächtigkeit obliegen, welche bei dem Experiment die Analogie nicht ausser Acht lassen, gegen ihre vorgefassten Meinungen auf der Hut sind, sich mehr vor einer Thatsache als vor einer Theorie beugen, nicht übereilt verallgemeinern und vor Allem bereit sind, bei jedem Schritte ihre Meinungen durch Ueberlegung und Versuche immer durchzuprüfen, kann kein Zweig der Wissenschaft ein schöneres und ergiebigeres Endeckungsfeld bieten als dieses. Seite v Inhaltsverzeichnis 0 BEZEICHNUNGEN .................................................................................... IX 1 EINLEITUNG............................................................................................... 1 1.1 Allgemeines.................................................................................................................................... 1 1.2 Historische Entwicklung .............................................................................................................. 1 1.3 Batterien in Elektrofahrzeugen ................................................................................................... 2 2 BISHERIGER KENNTNISSTAND UND ZIELSTELLUNG .......................... 5 2.1 Batterien als Mischstromkomponente ........................................................................................ 5 2.1.1 Batteriesysteme mit Umrichtern................................................................................................. 6 2.2 Modell oder Realität? ................................................................................................................... 8 2.2.1 Allgemeines zu Batteriemodellen............................................................................................... 9 2.2.2 Anforderungen an Batteriemodelle .......................................................................................... 11 2.3 3 Zusammenfassung und Schlussfolgerung................................................................................. 11 SPANNUNGSVERHALTEN BEI STROMIMPULSEN............................... 13 3.1 Verwendete Batterietypen.......................................................................................................... 13 3.1.1 Verschlossene Bleibatterie: Model Panasonic LC-R064R2P (6V; 4,2Ah)............................... 13 3.1.2 Nickel-Metallhydrid-Batterie (7,2V; 6,5Ah)............................................................................ 14 3.1.3 Lithium-Ionen-Polymer Batterie (3,6 V, 6 Ah) ........................................................................ 15 3.1.3.1 Funktionsprinzip.............................................................................................................. 16 3.1.3.2 Aufbau ............................................................................................................................. 16 3.2 Beschreibung der Versuchseinrichtungen ................................................................................ 18 3.2.1 Hochdynamischer Batterie Impuls Stromrichter (HoBIS)........................................................ 18 3.2.2 Batterietestsystem für Gerätebatterien (BaSyTec-Gerät) ......................................................... 22 3.2.3 Tischklimaprüfschrank............................................................................................................. 22 3.2.4 Impedanzmesseinrichtung ........................................................................................................ 22 3.2.5 Dynamische Messdatenerfassung............................................................................................. 23 3.3 Beschreibung der Experimente ................................................................................................. 24 3.3.1 Festlegungen............................................................................................................................. 25 3.4 Ergebnisse.................................................................................................................................... 27 3.4.1 NiMH Batterien........................................................................................................................ 27 3.4.1.1 Parameter DOD und Gradient der Stromänderung .......................................................... 28 3.4.1.2 Parameter Flanke ............................................................................................................. 29 3.4.2 Verschlossene Blei Batterien.................................................................................................... 30 3.4.2.1 Maximale Überspannung................................................................................................. 31 3.4.2.2 Spannungsänderung bei konstanter Belastung................................................................. 31 3.4.3 Li-Ionen Batterien .................................................................................................................... 32 3.5 Vergleich und Schlussfolgerung ................................................................................................ 33 3.5.1 Überspannung........................................................................................................................... 34 3.5.2 Abklingverhalten ...................................................................................................................... 34 3.5.3 Schlussspannung ...................................................................................................................... 34 3.5.4 Spannungsüberhöhung zu Beginn der Stromänderung............................................................. 36 Seite vi 4 Kapitel 0: Bezeichnungen ANALYSE DES SPANNUNGSVERHALTENS ......................................... 37 4.1 Einleitung..................................................................................................................................... 37 4.1.1 Allgemeines.............................................................................................................................. 37 4.2 Vorgehensweise ........................................................................................................................... 38 4.2.1 Impedanzmessung zur Parametrierung..................................................................................... 39 4.2.2 Messung der Stromimpulse ...................................................................................................... 42 4.3 Vergleich Messung und Simulation........................................................................................... 42 4.3.1 Modellbildung .......................................................................................................................... 42 4.3.2 Untersuchung der Modellparameter ......................................................................................... 45 4.3.3 Zusammenfassung der bisherigen Ergebnisse .......................................................................... 47 4.4 Erklärung des Abklingverhaltens.............................................................................................. 48 4.4.1 Elektrochemische Vorgänge..................................................................................................... 48 4.4.1.1 Durchtrittsüberspannung.................................................................................................. 48 4.4.1.2 Konzentrationsüberspannung........................................................................................... 49 4.4.1.2.1 Diffusionsüberspannung............................................................................................. 50 4.4.1.2.2 Migrationsüberspannung ............................................................................................ 53 4.4.1.3 Reaktionsüberspannung ................................................................................................... 53 4.4.1.4 Kristallisationsüberspannung ........................................................................................... 54 4.4.1.4.1 Abscheidung mit anschließender Oberflächendiffusion............................................. 55 4.4.1.4.2 Keimbildung............................................................................................................... 56 4.4.1.5 Ergebnis und Schlussfolgerung........................................................................................ 57 4.4.2 Elektrophysikalische Vorgänge ................................................................................................ 58 4.4.2.1 Skineffekt periodischer Vorgänge ................................................................................... 58 4.4.2.2 Skineffekt transienter Vorgänge ...................................................................................... 60 4.5 Simulation räumlicher und zeitlicher Stromverteilung........................................................... 64 4.5.1 Überprüfung der Simulation durch einfache Geometrie (Rundstab) ........................................ 64 4.5.1.1 Zusammenfassung der Überprüfung ................................................................................ 70 4.5.2 Prismatische NiMH Batterie..................................................................................................... 71 4.5.2.1 Modell: Homogener, massiver und leitender Block......................................................... 71 4.5.3 Schlussfolgerung ...................................................................................................................... 77 5 5.1 STROMVERDRÄNGUNG BEI BATTERIEN ............................................. 79 Allgemeines.................................................................................................................................. 79 5.2 Einflüsse auf Stromverdrängung............................................................................................... 79 5.2.1 Materialparameter..................................................................................................................... 79 5.2.1.1 Permeabilitätszahl............................................................................................................ 80 5.2.1.2 Leitfähigkeit..................................................................................................................... 83 5.2.2 Baugröße .................................................................................................................................. 86 5.3 Inhomogenitäten ......................................................................................................................... 89 5.3.1 Messung.................................................................................................................................... 89 5.3.2 Simulation ................................................................................................................................ 90 5.3.3 Schlussfolgerungen................................................................................................................... 91 6 HEIZUNG DURCH STROMIMPULSE ....................................................... 93 6.1 Erläuterungen ............................................................................................................................. 93 6.1.1 Einleitung ................................................................................................................................. 94 6.2 Testumgebung ............................................................................................................................. 96 6.2.1 Funktionsweise des Blindleistungsumrichters.......................................................................... 96 6.2.1.1 Durchlassverluste............................................................................................................. 99 Seite vii 6.2.1.2 Schaltverluste .................................................................................................................. 99 6.2.1.3 Verluste der Zuleitungen ............................................................................................... 101 6.2.1.4 Verluste der Spulen ....................................................................................................... 101 6.2.1.5 Zusammenfassung und Schlussfolgerung...................................................................... 101 6.2.2 Elektronische Last .................................................................................................................. 102 6.3 Experimente .............................................................................................................................. 103 6.3.1 Leistungstests mit Gleichstrom .............................................................................................. 103 6.3.2 Kurze Heizversuche ............................................................................................................... 103 6.3.3 Lange Heizversuche ............................................................................................................... 104 6.4 Ergebnisse der Heizversuche ................................................................................................... 106 6.4.1 Leistungstests mit Gleichstrom .............................................................................................. 106 6.4.2 Kurze Heizversuche ............................................................................................................... 109 6.4.2.1 Pulsfrequenz .................................................................................................................. 110 6.4.2.2 Dauer der Aufheizphase ................................................................................................ 110 6.4.2.3 Pausendauer ................................................................................................................... 110 6.4.3 Lange Heizversuche ............................................................................................................... 112 6.4.3.1 Aufheizen mit Unterbrechung der Heizphase................................................................ 112 6.4.3.2 Vergleich Gleichstrom und 8kHz Heizung.................................................................... 114 6.4.3.3 Aufheizen ohne Unterbrechung der Heizphase ............................................................. 116 6.4.4 Theoretische Überlegungen zur Batterieheizung.................................................................... 119 6.4.4.1 Begrenzung der Leistungsfähigkeit ............................................................................... 119 6.4.5 Zusammenfassung der Ergebnisse ......................................................................................... 121 7 ZUSAMMENFASSUNG .......................................................................... 123 8 LITERATURVERZEICHNIS .................................................................... 125 9 ABBILDUNGSVERZEICHNIS................................................................. 131 ANHANG A.1: HOBIS ................................................................................... 135 ANHANG A.2: NACHBILDUNG HOMOGENER BLOCK.............................. 139 ANHANG A.3: BLINDLEISTUNGSUMRICHTER.......................................... 147 ANHANG A.5: IMPEDANZSPEKTRUM LIION BATTERIE........................... 153 ANHANG A.6: PRÜFPLAN NIMH-BATTERIE .............................................. 155 Seite ix 0 Bezeichnungen Allgemeines Nabla Operator Lateinische Buchstaben a Radius eines Kreiszylinders A Fläche Ages Gesamte Fläche eines Querschnitts as Flächenverhältnis Az magnetisches Potential B Induktion, Flussdichte BTyp möglicher Batterietyp für die Experimente c Konzentration, allgemein cs c0 Konzentration vor der Elektrode c0ad ad-Atom-Konzentration unmittelbar vor der Wachstumslinie C1, C2, C5, C10, C20, Cx Kapazität einer Batterie bei Entladung mit 1/x des Nennstroms cad ad-Atom-Konzentration cad in einem Abstand x von einer Wachstumslinie ci Ionenkonzentration Ci, Cp Konstanten der Bessel-Funktion cNenn Nennkapazität einer Batterie cOX Konzentration der oxidierenden Komponente in einem Gemisch cp spezifische gravimetrische Wärmekapazität cred Konzentration der reduzierenden Komponente in einem Gemisch C TT Tieftemperaturkapazität D Diffusionskoeffizient DOD Entladegrad, Entladetiefe (Depth of Discharge) e0 Elementarladung )& E & ez Konzentration im Elektrolyt Vektorfeld der elektrischen Feldstärke z-Komponente des Einheitsvektors Seite x & eU & eM Kapitel 1: Einleitung U-Komponente des Einheitsvektors M-Komponente des Einheitsvektors f Frequenz F Faraday Konstante FE Kraft auf Ladungsträger im elektrischen Feld )& G Vektorfeld der Stromdichte G0 Stromdichte bei homogener Stromverteilung ))& H H Vektorfeld der magnetischen Feldstärke i Strom als zeitvariante Größe I Strom als zeitinvariante Größe I0 Konstanter Stromwert, Gleichanteil eines Stromes I0,ss Stromamplitude (Spitze-Spitze Werte) der Grundfrequenz I10 10-stündiger Entladestrom einer Batterie (CNenn/10h) id Strom im Gleichstromzwischenkreis Igrad Gradient der Stromänderung als Parameter IU,ss Stromamplitude (Spitze-Spitze Werte) der unterlagerten Frequenz j eingestellte Stromdichte j0 Austauschstromdichte jD Resultierende Stromdichte der Durchtrittsreaktion J0 Stromdichte bei gleichmäßiger Stromverteilung J ez externe Stromdichte jM Migrationsstromdichte Magnetfeld J n ( x) Besselfunktion erster Art und n-ter Ordnung vom Argument x Jx Stromdichte in x-Richtung k0 Heterogene Geschwindigkeitskonstante LU Umfang eines Querschnitts Lz Länge des Leiters mB Batteriemasse Seite xi mM Masse eines Batteriemoduls n Elektrodenreaktionswertigkeit NBatt Anzahl der Batterien pro Batterietyp Nmax,Exp Anzahl der maximal notwendigen Experimente Nr dI Laufende Nummer (1…4) der Stromflanke p Eigenwert de Besselfunktion P Punkt im Raum Q Wärmeenergie Q Batt Für die Erwärmung nutzbare Batterieenergie QM , El Zu- oder abgeführte elektrische Energie eines Batteriemoduls QM , Th Zu- oder abgeführte thermische Energie eines Batteriemoduls R Elektrischer Widerstand R allg. Gaskonstante (8,314 [J/K*mol] r Radius RDC Gleichstromwiderstand Rel Elektrolythwiderstand Rskin Skinwiderstand Rx,nP ohmscher Widerstand in x-Richtung, negative Platte Rx,pP ohmscher Widerstand in x-Richtung, positive Platte Rz,nP ohmscher Widerstand in z-Richtung, negative Platte Rz,pP ohmscher Widerstand in z-Richtung, positive Platte s Länge eines Weges oder Strecke SOC aktueller Ladezustand einer Batterie (State of Charge) t Zeit als variable Größe T Absolute Temperatur in Kelvin, Periodendauer TE Parameter Temperatur im Experiment U Spannung unter Berücksichtigung Stromverdrängung UBatt Batteriespannung UC Spannungsabfall am Kondensator ud Spannung im Gleichstromzwischenkreis Udc Spannung bei gleichmäßiger Stromverteilung UD Spannungsabfall aufgrund der Durchtrittsreaktion Seite xii Kapitel 1: Einleitung Udiv2 Spannungsdifferenz zwischen Messung und Simulation Udiv Spannungsdifferenz zwischen Messung und Simulation Uel Spannungsabfall im Elektrolyt UFe, Spannungsabfall des Eisenstabs UMe Spannungsabfall des Messingstabs Uge Summe der Teilspannungen UL und UR aus der Simulation Uges Summe aller Teilspannungen aus der Simulation Uges,PS Spannungsabfall des gesamten Plattensatzes ui uI induzierte Spannung UIGBT Spannungsabfall über IGBT UK Spannungsabfall aufgrund eines Konzentrationsgradienten UL Spannungsabfall an der Induktivität Umess gemessene Spannungsantwort UMittel mittlere Batteriespannung UNenn Nennspannung einer Zelle oder einer Batterie UR Spannungsabfall am ohmschen Widerstand UStFe Spannungsabfall des Eisenstabs Ux,nP Spannungsabfall in x-Richtung, negative Platte Ux,pP Spannungsabfall in x-Richtung, positive Platte Uz,nP Spannungsabfall in z-Richtung, negative Platte Uz,pP Spannungsabfall in z-Richtung, positive Platte Q Geschwindigkeit bewegter Leiter vi Wanderungsgeschwindigkeit von Ionen in einer Lösung aufgrund eines elektrischen Feldes x0 halber Abstand zwischen zwei Wachstumslinien xi Nullstellen der Besselfunktion z, zi Ionenwertigkeit Geschwindigkeit der Ionenbeweglichkeit Griechische Buchstaben D Durchtrittsfaktor G Eindringtiefe 'SOC Ladezustandsänderung Seite xiii 'U Gesamtüberspannung 'UC Konzentrationsüberspannung 'UD Durchtrittsüberspannung 'UKD Kristallisationsüberspannung durch Oberflächendiffusion 'UKK Kristallisationsüberspannung durch Keimbildung M Phasenwinkel ME Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten im elektrischen Feld ) magnetischer Fluss N Leitfähigkeit eines Leitermaterials Permeabilität der Materie =0 r· 0 Permeabilitätskonstante des Vakuums (4S10 r Permeabilitätszahl des Leitermaterials (früher: relative Permeabilität) -o die obere Temperatur -u die untere Temperatur W Transitionszeit V Leitfähigkeit eines Leitermaterials U Abstand eines Punktes zur Mittelachse, z.B. beim Kreiszylinder W Dimensionslose Zeit, Transitionszeit Z Kreisfrequenz (Winkelgeschwindigkeit) 2Sf -6 Vs A-1m-1)
