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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1
2
3
Einführung ........................................................................................................................... 2
1.1
Einleitung und Motivation ........................................................................................... 3
1.2
Das Projekt AZE ............................................................................................................ 4
1.3
Wissenschaftliche Ziele der Arbeit .............................................................................. 5
1.4
Aufbau der Arbeit ........................................................................................................ 6
Grundlagen.......................................................................................................................... 7
2.1
Batterie allgemein ....................................................................................................... 7
2.2
Aufbau und Funktionsweise von NiMH-Batterien....................................................... 8
2.2.1
Entladen von NiMH-Batterien ............................................................................ 11
2.2.2
Laden von NiMH-Batterien................................................................................. 11
2.3
NiMH-Batterie des Prius II ......................................................................................... 13
2.4
Kenngrößen in der Batterietechnik ........................................................................... 14
2.4.1
Nennspannung ................................................................................................... 15
2.4.2
Energie und Leistungsdichte .............................................................................. 15
2.4.3
Nennkapazität .................................................................................................... 17
2.4.4
C-Rate ................................................................................................................. 18
2.4.5
SOC ..................................................................................................................... 18
2.4.6
SOH ..................................................................................................................... 19
Prüfstandsbeschreibung ................................................................................................... 20
3.1
3.1.1
Technische Daten ............................................................................................... 22
3.1.2
Genauigkeit ........................................................................................................ 22
3.2
4
Hardware ................................................................................................................... 21
Software..................................................................................................................... 23
Planung und praktische Umsetzung des Prüfkonzepts .................................................... 25
4.1
Vorbereitung des Prüflings ........................................................................................ 25
ii | S e i t e
4.1.1
Konstruktion der Thermobox ............................................................................. 26
4.1.2
Entwicklung der Temperaturregelung ............................................................... 27
4.2
Beschreibung des Prüfprogramms ............................................................................ 29
4.2.1
Formierung ......................................................................................................... 31
4.2.2
Initialisierung ...................................................................................................... 32
4.2.3
Detaillierte Kapazitätsmessung .......................................................................... 32
4.2.4
Selbstentladung .................................................................................................. 34
4.2.5
Zyklenfestigkeit gesamt ...................................................................................... 35
4.3
5
Inhaltsverzeichnis
Implementierung in PAtools ...................................................................................... 42
4.3.1
Vollzyklus ............................................................................................................ 43
4.3.2
Detaillierte Kapazitätsmessung .......................................................................... 46
4.3.3
Selbstentladung .................................................................................................. 46
4.3.4
Zyklenfestigkeit .................................................................................................. 48
4.3.5
Sprungzyklus ....................................................................................................... 50
4.3.6
Ri-Messung ......................................................................................................... 51
Auswertung der Messergebnisse...................................................................................... 54
5.1
Vollzyklus ................................................................................................................... 55
5.2
Detaillierte Kapazitätsmessung ................................................................................. 60
5.3
Selbstentladung ......................................................................................................... 63
5.4
Zyklenfestigkeit .......................................................................................................... 66
5.4.1
Sprungzyklus ....................................................................................................... 70
5.4.2
Ri-Messung ......................................................................................................... 72
6
Zusammenfassung und Ausblick ....................................................................................... 76
7
Literaturverzeichnis .......................................................................................................... 79
8
Anhang .............................................................................................................................. 81
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Abstract
Abstract
Deutsch
2009 stellte die Bundesregierung den Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität vor. Ziel
des Entwicklungsplans ist es, dass bis 2020 eine Million Elektrostraßenfahrzeuge auf
Deutschlands Straßen unterwegs sind. In diesem Zuge erteilte das Bundesministerium für
Wirtschaft und Technologie (BMWi) der Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. (FfE) den
Auftrag, die am Institut bestehenden Testeinrichtungen zu einem Analysezentrum für
Elektromobilität (AZE) auszubauen. Im Rahmen des Projekts AZE finden derzeit unter
anderem Versuche zur Bestimmung der kalendarischen Alterung und der Zyklenfestigkeit an
-Zellen statt. Während eines Lebensdauertests im Dezember 2010 ist eine
-
Traktionsbatterie abgebrannt. Um das Projekt aufrecht zu erhalten, wurde die
Bachelorarbeit mit dem Titel „Planung und praktische Umsetzung eines Prüfkonzepts zur
messtechnischen Erfassung batteriespezifischer Kenngrößen“ ausgeschrieben. Im Rahmen
dieser Arbeit soll ein Prüfkonzept entwickelt werden, mit dem es möglich ist, die Alterung
von Traktionsbatterien messtechnisch zu erfassen. Zur Validierung der Prüfabläufe wird
vorerst ein älterer Bleiakkumulator verwendet, der dann später durch die Traktionsbatterie
des Prius NHW20 ersetzt wird.
English
In 2009 the federal government presented the national development plan electromobility.
Object of the development plan is that one million electric vehicles are on the German roads
till 2020. In this context the Federal Ministry of Economics and Technology (BMWi) orders
the research center for energy economy (FfE) to enlarge their existing testing facilities to an
analyzing center for electromobility (AZE). Actually there are tests to measure the calendrical
aging and the life-cycle of
test on a
battery cells within the project AZE. During a life-cycle-
-traction battery in December 2010, the battery burnt down. To maintain
the project the bachelor thesis „planning and practical assembly of a testing concept to
capture battery specific parameters” has been advertised. Within the scope of this bachelor
thesis a testing concept to determine the aging of traction batteries has to be developed. For
validation of the testing procedure a lead-acid-battery is being used for now, which will be
replaced by the traction battery of the Toyota Prius NHW20.
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1 Einführung
1 Einführung
Seit mehr als 15 Jahren betreibt die FfE zwei Prüfstände für Traktionsbatterien, die sowohl in
öffentlichen, als auch in privat geförderten Forschungsvorhaben genutzt werden. Da
Elektrostraßenfahrzeuge
national
und
international
zunehmend
von
Politik
und
Öffentlichkeit wahrgenommen werden, bekam die Forschungsstelle im September 2009 vom
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) den Auftrag, die bestehenden
Testeinrichtungen zu einem Analysezentrum Elektromobilität (AZE) auszubauen. Seit 2010
verfügt die Forschungsstelle über einen neuen Prüfstand der Firma KRATZER. [1]
Im Rahmen von Parameter- und Life-Cycle-Tests an Traktionsbatterien auf diesem Prüfstand
wurde im Jahr zuvor eine Traktionsbatterie mit 2.700
-Zellen der Firma A123
Systems getestet, welche aus noch ungeklärten Gründen in Flammen aufgegangen ist. Das
Projekt sieht vor, die Tests an einer kleineren
-Batterie fortzusetzen. Da jedoch die
Klärung der Brandursache und die Herstellung des neuen Prototyps einige Zeit
beanspruchen, sollen in der Zwischenzeit die Programmabläufe des Prüfprogramms an einer
NiMH-Batterie getestet werden, um diese zu validieren.
Dieser Abschnitt soll einen kleinen Einblick in das BMWi und das firmeneigene Projekt AZE,
sowie in die wissenschaftlichen Ziele und den Aufbau der Arbeit schaffen.
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1 Einführung
1.1 Einleitung und Motivation
Im August 2009 benennt das integrierte Energie- und Klimaprogramm vom 5. Dezember
2007 der Bundesregierung „Elektromobilität als wichtigen Bestandteil und enthält im
Umsetzungsbericht den Auftrag, einen nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität zu
erstellen“ [2]. Um die Mobilität langfristig zu sichern, sind Fahrzeuge mit alternativen
Antriebstechniken erforderlich. Dabei bieten elektrische Antriebe wie Hybrid-, Batterie- und
Brennstoffzellenfahrzeuge ein großes Potential zur Unabhängigkeit von Erdöl und zur
Reduzierung der lokalen CO2 Emission. Im Entwicklungsplan stehen die Batterietechnologie
und andere Technologien für rein elektrische Antriebstechniken an erster Stelle. Dabei wird
der Begriff Elektromobilität hauptsächlich auf den Straßenverkehr bezogen. Neben
Personenkraftwägen sollen aber auch Elektroroller, Elektrofahrräder und Leichtfahrzeuge in
den Entwicklungsplan integriert werden. Um eine deutliche Reduktion der CO2 Emission zu
erzielen, sollen verstärkt erneuerbare Energien zum Einsatz kommen. Die Grundlagen für
elektrische Antriebe, Batterien und Ladeinfrastruktur sind bereits vorhanden. Ziel des
Entwicklungsplans ist es deshalb, „die Marktvorbereitung und die Markteinführung von
batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugen in Deutschland voranzubringen“ [2]. Darüber
hinaus will Deutschland zum Leitmarkt Elektromobilität werden und sich als Führungsrolle
von Wissenschaft und Industrie behaupten. [2] [3]
Diese Ziele stellen die Bundesregierung an zahlreiche Herausforderungen:

Batteriekosten
Für eine breite Markteinführung ist die Senkung der Batteriekosten von großer
Bedeutung. Die aktuellen Kosten von 1.000 bis 1.200 Euro pro Kilowattstunde
übersteigen die international formulierten Zielsetzungen noch bei Weitem. Um einen
Massenmarkt für Elektrofahrzeuge generieren zu können, müssten die Kosten noch
um etwa die Hälfte reduziert werden.

Erhöhung der Energie und/oder Leistungsdichte
Um die geforderte Energiedichte von rund 200 Wattstunden pro Kilogramm bis 2015
zu erreichen, müsste sie im Vergleich zu heute verdoppelt werden [2]. Mit einer
Erhöhung der Energiedichte können lange Reichweiten erzielt werden. Hohe
Leistungsdichten dagegen zeichnen sich durch eine hohe Leistungsabgabe- und
Aufnahme aus, wie sie z.B. bei Brems- und Beschleunigungsvorgängen erforderlich
sind.
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
1 Einführung
Erhöhung der Lebensdauer und Zyklenfestigkeit
Eine hohe Lebensdauer bedeutet, dass die Zyklenfestigkeit der Batterie entsprechend
hoch sein muss. Bei einer Lebensdauer von 10 bis 15 Jahren muss die Batterie etwa
3.000 bis 5.000 Zyklen verkraften, ohne dass sich die Eigenschaften der Batterie
merklich verschlechtern.

Verbesserung der Sicherheitsmerkmale
Um bei Unfällen oder Missbrauch, die vom Brand bis hin zur Explosion reichen
können, sicherzustellen, dass der Fahrer keiner Gefahr, etwa durch die Freisetzung
giftiger Gase, ausgesetzt ist, ist eine Verbesserung der Sicherheitsmerkmale bei
Batterien unabdingbar. Besondere Aufmerksamkeit ist dabei den neuartigen
Entwicklungen der Lithium-Ionen-Akkumulatoren zu schenken.
Des Weiteren zählen Parameter wie Gewicht, Volumen, Ladezeit und Temperaturstabilität
ebenfalls zu den Herausforderungen.
Über die batteriespezifischen Herausforderungen hinaus erfordert die Elektromobilität auch
die Einbindung der Fahrzeuge in bestehende Stromnetze. Über eine intelligente Steuerung
der Ladevorgänge können Spitzenlastzeiten ausgeglichen werden. Auch die Idee der
Rückspeisung
von
der
Traktionsbatterie
in
das
Stromnetz
wird
verfolgt. Eine
Ladeinfrastruktur soll dabei zunächst schrittweise und lokal eingeführt werden. [2]
1.2 Das Projekt AZE
Aufgrund der schnellen Etablierung der Elektromobilität bedarf es wissenschaftlicher
Forschung, um die Entwicklung der Elektrostraßenfahrzeuge voranzutreiben. Aus diesem
Grund wurden die bestehenden Testeinrichtungen der Forschungsstelle zu einem
Analysezentrum für Elektromobilität (AZE) ausgebaut. Es können Komponenten und
Fahrzeuge sowohl im Prüfstand, als auch im Fahrbetrieb getestet werden. Dabei soll eine
herstellerneutrale, energetische und technische Betrachtung der Elektrostraßenfahrzeuge
und Batterietechnologien erfolgen. [1]
Das Projekt kann in drei Bereiche aufgeteilt werden

Erweiterung der Mess- und Prüfstandstechnik

Parameter und Life-Cycle-Tests an Traktionsbatterien auf dem Prüfstand

On-Road- und Prüfstandsmessungen an Einzelfahrzeugen
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1 Einführung
Derzeit werden im Rahmen des Projekts Fahrzeugmessungen an dem Hybridfahrzeug Prius II
des Automobilherstellers Toyota durchgeführt. Die Messungen sollen nach dem Umbau zum
Plug-In-Hybrid mit dem alten Betriebsmodus verglichen werden. An dem neuesten der drei
Prüfstände soll die Alterung von Traktionsbatterien in Abhängigkeit der Temperatur und des
Ladezustands bestimmt werden. [1]
Gefördert und unterstützt wird das Projekt vom Bundesministerium für Wirtschaft und
Technologie (BMWi) und den Projektpartnern E.ON Energie AG, Stadtwerke München GmbH
und der Hans und Klementia Langmatz Stiftung. [1]
1.3 Wissenschaftliche Ziele der Arbeit
Der Gebrauch von Traktionsbatterien in Elektrostraßenfahrzeugen führt bei allen Arten von
Batterien zu einem irreversiblen Kapazitätsverlust. Dabei spielen die Alterung durch
Zyklisieren sowie die kalendarische Alterung eine Rolle. Die Alterung einer Batterie ist von
der Temperatur, dem Ladezustand (SOC1) und der Lagerungszeit abhängig. Im Rahmen
dieser Arbeit soll die Planung und praktische Umsetzung eines Prüfkonzepts zur
messtechnischen Erfassung dieser Kenngrößen erfolgen. Die Prüfabläufe werden von der
„EUCAR Traction Battery Working Group“ bereitgestellt. Das EUCAR-Unternehmen ist ein
Zusammenschluss verschiedener europäischer Automobilhersteller und Testinstitute und
beschäftigt sich mit der Entwicklung von Testprozeduren für Traktionsbatterien. Zunächst
werden die Programme an einem älteren Bleiakkumulator getestet, um sie zu validieren.
Anschließend werden die Programme an der Traktionsbatterie des Toyota Prius NHW20
getestet und mit der Software MATLAB ausgewertet.
1
engl.: State Of Charge
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1 Einführung
1.4 Aufbau der Arbeit
Im folgenden Kapitel wird auf die Grundlagen der Batterietechnik eingegangen, das
allgemeine Funktionsprinzip von Batterien beschrieben und speziell NiMH-Akkumulatoren
vorgestellt. Den Schwerpunkt stellt dabei das Lade- und Entladeverhalten dieser Batterieart
dar. Nach kurzer Beschreibung der NiMH-Traktionsbatterie des Prius II werden außerdem
ausgewählte Kenngrößen, die in der Batterietechnik verwendet werden, beschrieben. Die
Kenngrößen sind zum Verständnis dieser Bachelorarbeit unabdingbar und werden im Laufe
der Arbeit des Öfteren erwähnt.
Der Prüfstand, mit dem die Versuche zur Bestimmung der Lebensdauer durchgeführt
werden, ist in Kapitel 3 beschrieben. Dabei wird sowohl auf die Hardware, als auch auf die
Software PAtools eingegangen, mit der die Programmabläufe des Prüfkonzepts
programmiert sind.
Diejenigen Schritte, die zur Inbetriebnahme der Batterie auf dem Prüfstand notwendig sind,
werden in Kapitel 4 beschrieben. Dabei wird auf die Konstruktion der Thermobox
eingegangen,
welche
zur
Temperaturregelung
benötigt
wird.
Das
Konzept
der
Temperaturregelung sei an dieser Stelle ebenfalls kurz erwähnt. In 4.2 werden die fünf
verschiedenen Programme beschrieben, aus denen sich das Prüfkonzept zusammensetzt.
Auf die Implementierung dieser Programme in die Prüfstands-Software wird im darauf
folgenden Kapitel eingegangen.
Kapitel 5 beschäftigt sich mit der Auswertung der Messergebnisse. Da die Prüfprogramme,
wie sie zuvor beschrieben sind, aus Zeitgründen nicht getestet werden können, wird
außerdem auf die jeweiligen Änderungen des Prüfprogramms eingegangen.
Das letzte Kapitel liefert eine Zusammenfassung der Arbeit mit Ausblick in die Zukunft.
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2 Grundlagen
2 Grundlagen
Zum Verständnis der Bachelorarbeit ist die Funktionsweise von Batterien, insbesondere die
von Nickelmetallhydrid (NiMH) Batterien von großer Bedeutung.
2.1 Batterie allgemein
Der Begriff Batterie hat sich im Volksmund als allgemeine Bezeichnung für die galvanische
Zelle herauskristallisiert. Ursprünglich bezeichnet dieser Begriff jedoch die nicht wieder
aufladbaren Primärzellen. Akkumulatoren dagegen bestehen aus den wieder aufladbaren
Sekundärzellen und konnten ihren Namen bis heute verteidigen. Die galvanische Zelle wurde
von Alessandro Volta um 1800 [4] erfunden und besteht aus übereinander gestapelten
Kupfer- und Zinkplättchen, zwischen denen sich ein Elektrolyt befindet. Durch
elektrochemische Reaktionen wird die chemische Energie in elektrische Energie
umgewandelt. Bei den Reaktionen handelt es sich um eine Oxidations- und eine
Reduktionsreaktion, die unter dem Begriff Redoxreaktion zusammengefasst werden.
Abbildung 1: Schema einer elektrochemischen Zelle für den Fall der Entladung
Die Funktionsweise einer solchen Zelle ist wie folgt: Die Elektroden sind in einem
ionenleitenden Material eingetaucht, dem sogenannten Elektrolyten (s. Abbildung 1). Der
Separator verhindert, dass die beiden Elektroden miteinander in elektrischem Kontakt
stehen. Die Elektroden bestehen aus dem sogenannten Aktivmaterial, in dem die chemische
Energie gespeichert wird. An der negativen Elektrode wird dieses Aktivmaterial unter
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2 Grundlagen
Abgabe von Elektronen oxidiert. Die abgegebenen Elektronen fließen über den Verbraucher
zur positiven Elektrode und werden dort aufgenommen. Das Material der positiven
Elektrode wird im Fall der Entladung reduziert. Da die Elektronen den Separator nicht
passieren können, ist sichergestellt, dass die Elektronen über den Verbraucher zur Kathode
gelangen. Durch den Widerstand ist der Stromkreis auch innerhalb der Zelle geschlossen,
was zu einem Ionenstrom im Elektrolyten führt. [4]
Bei einer Primärzelle kann die Reaktion nur in eine Richtung ablaufen, was bewirkt, dass die
Zellen nur entladen werden können. Sekundärzellen dagegen können wiederaufgeladen
werden. Hierbei handelt es sich um eine reversible Reaktion. Beim Laden wird die elektrische
Energie dann wieder in chemische Energie zurückverwandelt. Die verwendeten
Elektrodenmaterialien in einer Zelle legen neben dem Zellentyp (Bleibatterie, NiMH-Batterie)
auch die Nennspannung fest, auf die in 2.4.1 Nennspannung (S. 15) näher eingegangen wird.
Der erste serienmäßige Akkumulator2 ist der Bleiakkumulator, der als Elektrodenmaterial
Blei und Bleioxid und als Elektrolyt verdünnte Schwefelsäure verwendet. Entwickelt wurde
der Bleiakkumulator im Jahr 1854 von dem deutschen Arzt Josef Sinsteden [4] und findet
heute noch Verwendung (z.B. als Starterbatterie im PKW).
2.2 Aufbau und Funktionsweise von NiMH-Batterien
Seit 1990 [5] werden Nickel-Metallhydrid-Batterien kommerziell genutzt. Sie zeichnen sich
insbesondere durch ihre hohe Energiedichte und ihre Umweltverträglichkeit gegenüber
Nickel-Cadmium-Batterien (NiCd) aus, da bei NiCd-Batterien das umweltschädliche Cadmium
als Anodenmaterial verwendet wird. Allerdings sind NiMH-Batterien empfindlich, was die
Überladung der Zellen angeht. Eine ständige Kontrolle des Ladevorgangs ist deshalb
unabdingbar (s. dazu 2.2.2 Laden von NiMH-Batterien (S. 11)). [6]
Portable Zellen finden in vielen tragbaren elektronischen Geräten, wie z.B. Mobiltelefonen,
MP3-Playern und Fernbedienungen Anwendung. Die Elektroden und der Separator sind
dabei wie eine Spirale in einen Zylinder gewickelt. Die negative Hydrid-Elektrode ist mit dem
Mantel und der Unterseite der Batterie verbunden, die positive Nickel-Elektrode mit der
Oberseite. Zur Isolation gegenüber dem Batteriefach dient eine Kunststofffolie, die um den
Mantel gewickelt ist. Zylindrische NiMH-Zellen sind sowohl einzeln, als auch im Akku-Pack in
allen Größen und Kapazitäten erhältlich. Das Sicherheitssystem an der Oberseite der Zelle
dient dem Aufnehmen von H2-Gas, das bei Überladung der Zellen freigesetzt wird (s.
Chemische Reaktionen für den Fall der Entladung). [4] [6]
2
Die Begriffe Akkumulator und Sekundärzelle sind synonym verwendbar
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2 Grundlagen
Abbildung 2: Aufbau einer zylindrischen NiMH Zelle [5]
Die Oberflächen der Elektroden besitzen eine poröse Struktur, um deren Oberfläche zu
vergrößern und damit einen kleineren Innenwiderstand und eine bessere high-rateperformance3 zu erzielen [6].
Prismatische Zellen werden hauptsächlich für höherenergetische Anwendungen eingesetzt.
Die Energiedichte pro Volumen kann durch diese Bauart um 20% [6] besser sein als bei
zylindrischen Zellen. Bei Traktionsbatterien sind Zellgrößen von (
) Ah [6] möglich.
Außerdem können industrielle Zellen bei hohen Spannungen (ca.
V) sicherer betrieben
werden. Prismatische Zellen sind außerdem relativ sicher beim Laden und Entladen, sind
wartungsfrei, haben gute thermische Eigenschaften und eine relativ hohe Leistungs- bzw.
Energiedichte, um die Bremsenergie zu speichern bzw. hohe Reichweiten zu erzielen. Bis ca.
Ah dominieren noch die zylindrischen Zellen, ab ca.
Ah die Prismatischen [6].
Industrielle Zellen sind zudem beständiger gegenüber hohen Strömen und haben einen
kleineren Innenwiderstand. [6]
Abbildung 3: Aufbau einer prismatischen NiMH Zelle [5]
3
Beständigkeit gegenüber hohen Lade- und Entladeströmen
10 | S e i t e
2 Grundlagen
Mantel und Boden von prismatischen Zellen sind ebenfalls mit der negativen Elektrode
verbunden. Zudem ist die Batterie in ein Gehäuse eingelassen, um die Zelle resistenter zu
machen. Dafür werden einerseits Metallgehäuse verwendet, um eine gute thermische
Leitfähigkeit zu erzielen, andererseits aber auch Kunststoffgehäuse wegen der guten
Isolation und des geringen Gewichts. Der positive Kontakt ist auf der Oberseite zu finden, an
der sich auch das Überdruckventil befindet. Das H2-Gas kann bei den meisten prismatischen
Zellen aus der Batterie austreten, wodurch die Batterie vor einer Explosion geschützt ist. [6]
Chemische Reaktionen für den Fall der Entladung
Die NiMH-Batterie verwendet als Kathodenmaterial Nickel (Ni), als Anodenmaterial
Metallhydrid (MH). Daher rührt auch der Name der Batterie. Die Reaktionen [6] lauten:
Oxidation
(1)
(
Reduktion
(
Redoxreaktion
)
(2)
)
(3)
Diese Reaktionen gelten nur für den Fall der Entladung. Für den Fall der Ladung müssen
lediglich die Reaktionspfeile umgedreht werden. Im geladenen Zustand ist in der Anode
Wasserstoff gespeichert, welches beim Entladen mit den
(s. Oxidationsreaktion). Beim Laden muss das
-Ionen zu Wasser reagiert
-Gas wieder von der Elektrode
aufgenommen werden. Im Falle einer Überladung kann dies jedoch nicht geschehen.
Das Zeichen
steht für Standardpotential der elektrochemischen Spannungsreihe. In der
elektrochemischen Spannungsreihe sind unterschiedliche Elektrodenpotentiale gegen eine
beliebige Bezugselektrode, deren Potential gleich Null gesetzt wird, aufgelistet. Als
Bezugselektrode
wird
die
[6].
„Normal
Das
Wasserstoff
Standardpotential
Elektrode“
dieser
gewählt:
Reaktion
ist
definitionsgemäß Null. Anhand des Standardpotentials kann auf das Redoxverhalten eines
Stoffes geschlossen werden. Je höher das Standardpotential, desto eher nehmen die Ionen
Elektronen auf. Eine negative Zahl bedeutet, dass die Ionen Elektronen abgeben. In der
Oxidationsreaktion der NiMH-Batterie (s. oben) wird ein Elektron abgegeben. Das
Standardpotential ist negativ (
). Bei der Reduktion wird ein Elektron
aufgenommen. Das Standardpotential ist positiv (
). Die Differenz der beiden
11 | S e i t e
2 Grundlagen
Teilreaktionen ergibt das Standardpotential der Redoxreaktion (
). Dieses
Standardpotential entspricht gleich der Leerlaufspannung4 der NiMH-Batterie. [7]
2.2.1 Entladen von NiMH-Batterien
Beim Entladen wird die chemische Energie, die in der Batterie gespeichert wird, in
elektrische Energie umgewandelt. Der Wirkungsgrad dieser Reaktion hängt wie beim Laden
von der Temperatur und dem Entlade- bzw. Ladestrom ab. Bei niedrigen C-Raten (s. 2.4.4 CRate (S. 18)) ist die bei gleicher Entladeschlussspannung entnommene Kapazität größer. Die
optimale Entladetemperatur liegt bei NiMH-Zellen zwischen
Entladeschlussspannung bei etwa
°C und
°C, die
V/Zelle [6].
Die Selbstentladung von NiMH-Batterien, also die Entladung der Zellen während der
Lagerung, ist stark temperaturabhängig. Je höher die Temperatur, desto höher ist auch die
Selbstentladung.
Die
Abhängigkeit
folgt
in
etwa
folgender
Faustformel:
„
°C
Temperaturerhöhung führen zur Verdoppelung der Selbstentladerate“ [4]. Die optimale
Lagertemperatur liegt zwischen
°C und
°C [6]. Um Tiefentladung zu vermeiden sollte
sichergestellt werden, dass alle Zellen etwa mit der gleichen Kapazität geladen sind. Die Zelle
mit der niedrigsten Kapazität würde sonst beim Entladevorgang zu tief entladen werden,
während die anderen Zellen noch geladen sind. [4] [6]
2.2.2 Laden von NiMH-Batterien
Beim Laden wird die elektrische Energie wieder zurück in chemische Energie umgewandelt.
Wie bereits in 2.1 Batterie allgemein (S. 7) erwähnt, können nur Sekundärzellen
wiederaufgeladen werden, da deren Reaktion reversibel ist. NiMH-Batterien sind sehr
empfindlich was die Überladung der Zellen angeht. Deshalb verfügen Ladegeräte über eine
spezielle Ladekontrolle. Es gibt mehrere Möglichkeiten um festzustellen, dass die Batterie
geladen ist:

Zeit
Abbruch des Ladevorgangs nach Ablauf einer bestimmten Zeit

Spannungsdifferenz
Die Spannung erreicht während des Ladens ein Maximum und fällt danach wieder ab.
Die Spannungsdifferenz
nach dem Extremum legt hier die Abbruchbedingung
fest. Dieser Spannungsabfall kann jedoch bei sehr kleinen C-Raten und hohen
Temperaturen unter Umständen nicht auftreten.
4
Spannung die zwischen den Polen gemessen wird, wenn kein Verbraucher angeschlossen ist
12 | S e i t e

2 Grundlagen
Spannungsmaximum
Die Steigung der Ladekurve ist an ihrem Maximum Null. Fällt dann die Spannung
etwas ab, wird der Ladevorgang abgebrochen. Diese Methode ist sicherer als das
Differenzkriterium.

Temperatur
Die chemische Reaktion ist für den Fall der Ladung bei NiMH-Batterien exotherm,
was zu einem Temperaturanstieg in der Zelle führt. Ein weiteres Abbruchkriterium
stellt aus diesem Grund die Temperatur dar. Bei der Temperatur, die charakteristisch
für den Übergang Laden – Entladen ist, oder bei Messung einer errechneten
Temperaturdifferenz gegenüber der Umgebung, wird der Ladevorgang abgebrochen.
Diese Abschaltkriterien erweisen sich als äußerst ungenau, da es wegen der
unterschiedlichen Anzahl an Zellen und des Batteriedesigns schwierig ist, die
Temperatur exakt zu bestimmen.

nach
Dieses Kriterium ist eine Kombination aus Temperatur und Zeit, mit welcher der
Einfluss der Umgebungstemperatur weitgehend eliminiert werden kann. Diese
Lademethode verspricht eine hohe Zyklen-Lebensdauer und wird deshalb bevorzugt.
Abbildung 4: Vergleich verschiedener Abbruchkriterien des Ladevorgangs bei NiMH-Batterien [6]
In Abbildung 4 sind die Abbruchkriterien Spannungsdifferenz, Temperatur und
nach
grafisch dargestellt. Die Marke „TCO“ beim Temperaturkriterium steht für „Temperature Cut
Off“. Hier wird der Ladevorgang beim Erreichen einer bestimmten Temperatur abgebrochen.
[6]
13 | S e i t e
2 Grundlagen
2.3 NiMH-Batterie des Prius II
Der „Prius“ ist das erste serienmäßig hergestellte Hybridfahrzeug des japanischen
Automobilherstellers
Toyota.
Ein
Hybridantrieb
nutzt
über
den
konventionellen
Verbrennungsmotor hinaus einen Elektromotor, der von der Traktionsbatterie versorgt wird.
Beim Bremsvorgang wird Energie in der Batterie gespeichert, die beim Beschleunigen
genutzt werden kann. Durch diese Technik ist es möglich, die lokale CO2 Emission und den
Kraftstoffverbrauch erheblich zu senken.
Abbildung 5: Traktionsbatterie des Prius NHW20 – Die Batterie besteht aus 28 Modulen á sechs Zellen
Die NHW20-Serie des Prius wird seit September 2003 [8] verkauft und wird auch außerhalb
von Japan als „Prius II“ bezeichnet. Das Hybridsystem des Prius II, welches von Toyota als
„Hybrid Synergy Drive“ System bezeichnet wird, nutzt eine
Ah NiMH-Batterie
(s. Abbildung 5) als elektrischen Energiespeicher. Mit einem Verbrauch von
hebt sich der Prius II deutlich von anderen PKWs ab.
Technische Daten der Traktionsbatterie
Typ
NiMH
Hersteller
Panasonic
Bauart
Prismatisch
Nennspannung
Kapazität
V
Ah
Anzahl Zellen
Nennspannung pro Zelle
V
Anzahl Module
Zellen pro Modul
Spezifische Energie
Wh/kg
l/100km [9]
14 | S e i t e
2 Grundlagen
Spezifische Leistung
kW/kg
Maximale Leistung
kW
Entladeschlussspannung (Batterie)
V
Gewicht (mit Anschlüssen etc.)
kg
Tabelle 1: Technische Daten der Hybridbatterie [10]
Die Kapazität der Batterie fällt mit
Ah vergleichsweise gering aus. Zu beachten ist jedoch
die relativ hohe Spannung und der Einsatzzweck der Batterie. Das Datenblatt des Prius II ist
am Ende der Arbeit angehängt (Anhang2).
2.4 Kenngrößen in der Batterietechnik
Die Kenngrößen beschreiben den Zustand einer Batterie und sind daher in vielerlei Hinsicht
von Bedeutung. Beispielsweise ist der aktuelle Ladezustand einer Batterie interessant, wenn
die Reichweite eines Elektrostraßenfahrzeugs abgeschätzt werden soll. Kenngrößen wie
Leistungsdichte sind dagegen von Bedeutung, um festzustellen, wie viel Bremsenergie in die
Batterie zurückgespeist werden kann. Eine ständige Überwachung der Kenngrößen ist
unabdingbar, um eine hohe Lebensdauer der Batterie zu garantieren und den Fahrer auf
eventuelle Störungen aufmerksam zu machen. [4]
Batterien sind im Allgemeinen sehr „komplexe Wesen“, weshalb die Bestimmung der
Kenngrößen nicht immer leicht fällt. Folgender Vergleich soll helfen, den Zusammenhang der
Batteriekenngrößen besser zu verstehen: In einem alten Weinkeller werden Weinfässer
gelagert. Das Fass an sich repräsentiert den Energiespeicher Batterie. Der Wein dagegen den
Energieinhalt. Um den fertig gegorenen Wein in Flaschen abfüllen zu können, befindet sich
am Boden des Fasses ein Auslasshahn. Das Abfüllen repräsentiert den Entladevorgang. Im
Deckel des Fasses befindet sich ein Loch, über das das Fass gefüllt werden kann. Die Batterie
wird geladen. Aufgrund des Innenwiderstands kann die Batterie nicht mit beliebig hohen CRaten geladen, bzw. entladen werden. In Analogie zum Weinfass können Ein- und Auslass
auch keinen unendlich großen Durchmesser haben. Das aktuelle Füllvolumen entspricht dem
Ladezustand oder auch SOC der Batterie. Ein neues Fass, welches randvoll gefüllt ist, kann
mit der Nennkapazität verglichen werden. Ein Holzfass das leckt, repräsentiert dagegen die
Selbstentladung. Mit zunehmendem Alter des Fasses verändern sich die physikalischen
Eigenschaften: Am Boden des Fasses bildet sich Weinstein, die Kapazität der Batterie sinkt.
Da sich der Weinstein auch im Auslass absetzt, kann der Wein auch nicht mehr so schnell
abgelassen werden wie zuvor. Der Innenwiderstand steigt. Außerdem wird das Fass mit
zunehmendem Alter undichter, was die Zunahme der Selbstentladung begründet. Diese
15 | S e i t e
2 Grundlagen
Parameter sind alle auf den Gesundheitszustand oder auch SOH5 der Batterie
zurückzuführen. [4]
2.4.1 Nennspannung
Die Zellspannung einer Batterie ist während des Entladevorgangs nicht konstant und hängt
im Wesentlichen von der Temperatur und der C-Rate ab. Definiert ist die Nennspannung als
die mittlere Spannung beim Entladevorgang unter Nennbedingungen. Die Nennbedingungen
unterscheiden sich viel mehr von der Anwendung, als von der Art der Batterie und sind in
Normen festgelegt. Da die Nennspannung von den verwendeten Aktivmaterialien abhängt,
existieren bei Li-Ionenbatterien für jeden Typ unterschiedliche Nennspannungen. Da bei
NiMH-Batterien ausschließlich Nickel und Metallhydrid als Aktivmaterial verwendet wird,
existiert nur eine Nennspannung:
V/Zelle.
(4)
Bei Serienschaltung mehrerer Zellen ergibt sich die Nennspannung
Produkt der Anzahl der Zellen
und der Nennspannung pro Zelle
aus dem
. [4]
2.4.2 Energie und Leistungsdichte
Traktionsbatterien werden sowohl auf Energie-, als auch auf Leistungsdichte optimiert. Bei
Elektrostraßenfahrzeugen, die eine hohe Reichweite erfordern, kommen Traktionsbatterien
zum Einsatz, die auf Energiedichte optimiert sind (typisch ca.
Wh/kg für NiMH-Batterien
[6]). Hohe Leistungsdichten haben Batterien, die beispielsweise in Hybridfahrzeugen
eingesetzt werden. Die Energie, die beim Bremsvorgang in die Batterie gespeichert wird, soll
beim Beschleunigen schnell zur Verfügung stehen.
Der nutzbare Energieinhalt einer Batterie
Nennkapazität
ergibt sich aus der Nennspannung
und der
.
(5)
Die NiMH-Batterie kann demzufolge
abgeben. Wird der
Energieinhalt auf die Masse der Batterie bezogen, spricht man von Energiedichte. Mit einem
Gewicht von
kg hat die Priusbatterie eine Energiedichte von
und liegt damit nur geringfügig höher als der Bleiakkumulator
(s. Abbildung 6). [4]
5
engl.: State Of Health = Ladezustand
16 | S e i t e
2 Grundlagen
Abbildung 6: Energiedichte verschiedener Akkumulator Typen, Daten aus [11]
Li-Ionen Akkumulatoren liefern eine wesentlich höhere Energiedichte als NiMH-Batterien
und werden deshalb zunehmend in Elektrostraßenfahrzeugen eingesetzt. Neben der
Energiedichte weisen Li-Ionen Batterien außerdem eine höhere Leistungsdichte und ein
geringeres Gewicht auf.
Die maximale Leistung
der Batterie berechnet sich aus der Nennspannung
maximalen Stromstärke
.
und der
(6)
Die Hybridbatterie kann
abgeben. Bezieht man die maximale
Leistung auf das Gewicht der Batterie, erhält man die maximale Leistungsdichte:
.
leistungsoptimierte Batterien bei etwa
Typischerweise
lag
die
Leistungsdichte
W/kg im Jahr 1995 [6]. Mit
für
kW/kg hatte die
Priusbatterie 2004 die höchste Ausgangsleistung pro Gewicht und Volumen weltweit [12].
17 | S e i t e
2 Grundlagen
2.4.3 Nennkapazität
Die Nennkapazität ist die maximal entnehmbare Ladungsmenge
vollgeladenen Batterie, die mit Nennstrom
und Nenntemperatur
einer neuen,
entladen wird. Die
Kapazität hängt sehr stark von der Vorgeschichte der Batterie ab. Eine ideale Batterie hat
unabhängig von Entladestrom und Temperatur immer die gleiche Kapazität.
Die in der Realität entnommene Kapazität wird jedoch mit höherem Entladestrom kleiner, da
die Transportvorgänge innerhalb der Elektroden nicht beliebig schnell ablaufen können. Dem
deutschen Ingenieur Wilhelm Peukert gelang es 1897 [4] den Zusammenhang mathematisch
zu beschreiben.
(7)
Wobei
gilt:
der Entladestrom,
und
die Zeit und
und
Parameter sind. Für eine ideale Batterie
. In der Praxis bewegt sich der Wert für
zwischen 1,01 und 1,40.
Für die Entladezeit gilt dann folgender Zusammenhang:
(8)
Wobei
der Nennstrom und
sich die Entladezeit aus
die Nennentladezeit sind. Für eine Ideale Batterie ergibt
, da für
und für
gilt. [4]
Die elektrochemischen Reaktionen in der Batterie laufen bei hohen Temperaturen schneller
ab. Dies hat zur Folge, dass die Leitfähigkeit des Elektrolyten steigt und hohe Temperaturen
zu einer Kapazitätserhöhung führen können. Allerdings laufen die ungewünschten
Nebenreaktionen der Batterie ebenfalls schneller ab, was zu einer schnelleren
Selbstentladung und Alterung der Zellen führt. Bei NiMH-Batterien nimmt die Kapazität
deshalb oberhalb von
°C wieder ab. Unterhalb der Nenntemperatur wird die
Temperaturabhängigkeit oft mit einem linearen Ansatz beschrieben:
( )
(
) (
Wobei ( ) die Kapazität bei der Temperatur , (
und
[4]
den Temperaturkoeffizienten beschreiben.
(
))
(9)
) die Kapazität bei Nenntemperatur
beträgt in den meisten Fällen
°C
18 | S e i t e
2 Grundlagen
2.4.4 C-Rate
Um Batterien mit unterschiedlicher Kapazität besser vergleichen zu können, werden Ladeund Entladestrom häufig in normierter Form angegeben. Der Strom wird auf die Kapazität
der Batterie bezogen und repräsentiert die Zeit, die benötigt wird, um die Batterie mit
diesem Strom vollständig zu entladen. Mit dem Strom
kann eine vollgeladene Batterie
bei Nenntemperatur in 10 Stunden entladen werden. Mit dem Strom
dauert die
Entladung 100 Stunden. Da die entnommene Kapazität vom Entladestrom abhängt, kann der
Strom nicht einfach umgerechnet werden.
(10)
Wird der Strom auf eine bestimmte Zeit bezogen, spricht man von der sogenannten C-Rate.
Eine Batterie mit der Nennkapazität von
Ah besitzt eine 1C-Rate von
A. Größere bzw.
kleinere Ströme werden durch einen Faktor angegeben. So beträgt die 0,5C-Rate der
Batterie beispielsweise
A und die 3C-Rate
A. [4]
Bei den Kapazitätstests mit der NiMH-Batterie des Prius NHW20 werden ausschließlich die
0,5C-, 1C- und 3C-Rate verwendet.
2.4.5 SOC
Der State Of Charge ist ein Maß für den Ladezustand einer Batterie und berechnet sich aus
der aktuellen Kapazität
und der maximalen Kapazität
.
ist die maximal
entnehmbare Kapazität des letzten Vollzyklus. Somit ist der SOC unabhängig von der
Alterung der Batterie. Ein SOC von 100% bedeutet demnach vollständig geladen, 0% SOC
bedeutet vollständig entladen.
(11)
Der komplementäre Wert des SOC ist der DOD6. Wenn die Batterie komplett entladen ist gilt
und
.
(12)
Die Summe aus SOC und DOD ergibt somit immer 100%.
6
engl.: Depth Of Discharge = Entladetiefe
19 | S e i t e
2 Grundlagen
Da die Lade- und Entladekapazität bei einer Batterie aufgrund des Wirkungsgrads nie gleich
groß sind, müsste eigentlich zwischen dem SOC im Falle eines Lade- und Entladevorgangs
unterschieden werden, da der SOC, wie er oben definiert ist, beim Laden Werte über 100%
annehmen kann.
2.4.6 SOH
Der State Of Health oder kurz SOH gibt dagegen den Gesundheitszustand einer Batterie an.
Er berechnet sich aus dem Quotienten der maximal entnehmbaren Kapazität
letzten Vollzyklus und der Nennkapazität
des
.
(13)
Bei einer neuen Batterie entspricht die maximal entnehmbare Kapazität bei Nennstrom und
Nenntemperatur der Nennkapazität und der SOH somit 100%. Ab einem SOH von 80% [4]
gilt eine Batterie als defekt und muss ausgetauscht werden.
7
Abbildung 7: Lebensdauer verschiedener Akkumulator Typen , Daten aus [13]
Abbildung 7 zeigt die Lebensdauer verschiedener Akkumulator-Typen. Li-Ionen Zellen haben
die höchste Lebensdauer und werden deshalb bevorzugt als Traktionsbatterien eingesetzt.
Aufgrund der hohen Herstellungskosten von Li-Ionen Akkumulatoren wird oft noch auf
NiMH-Batterien ausgewichen. Bleibatterien haben eine Lebensdauer von etwa vier bis sechs
Jahren und werden aufgrund ihres hohen Gewichts als Traktionsbatterien nicht eingesetzt.
7
bei wöchentlicher Ladung und unter Idealbedingungen
20 | S e i t e
3 Prüfstands Beschreibung
3 Prüfstandsbeschreibung
Der Batterieprüfstand der Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. dient dem Testen von
Traktionsbatterien.
Dabei
ist
eine
hochdynamische
und
leistungsstarke
DC-
Spannungsversorgung notwendig, die sowohl als Quelle als auch als Senke arbeiten kann.
Abbildung 8: Schematischer Aufbau des Batterieprüfstands [14]
In Abbildung 8 ist eine Schemazeichnung des Prüfstands an der Forschungsstelle zu sehen.
Der Prüfstand besteht aus fünf Schaltschränken, in denen die Hardwarekomponenten
untergebracht sind und einer Rückkühleinrichtung für das Kühlwasser. Die Klimakammer
befindet sich unter einem Carport. Der Bedien-PC kommuniziert mit dem Batterieprüfstand
und der Prüflingsbatterie in der Klimakammer.
21 | S e i t e
3 Prüfstands Beschreibung
3.1 Hardware
Der Prüfstand umfasst folgende Hardwarekomponenten:

Fahrzeugenergiesystem
Das Fahrzeugenergiesystem (VES8) ist das Herzstück des Prüfstands und dient der
Kontrolle des Lade- und Entladevorgangs der Traktionsbatterien. Zur Versorgung
bzw. Rückspeisung von DC Lasten bzw. Quellen dient ein Rückspeisestromrichter. Das
VES enthält ein DC-Umrichter-System, welches hohe Anforderungen bezüglich
Stellbereich und Dynamik erfüllt.

Isolationsüberwachung

Kühlwasser-Rückkühleinrichtung
Die Rückkühleinrichtung zur Kühlwasseraufbereitung stellt das Kühlwasser für das
VES zu Verfügung. Es ist auf eine Kälteleistung von
kW ausgelegt, damit
ausreichend Reserve für ein zweites System geringerer Leistung geschaffen ist.
Betrieben wird die Rückkühleinrichtung mit Drehstrom. Verwendet wird dabei das
Kältemittel R407c. Die Kühlwasserpumpe leistet einen Volumendurchsatz von
l/min.

Messsystem
Für die Erfassung messtechnischer Größen werden Messverstärker der Firma
Beckhoff mit EtherCat Anschluss verwendet.

Feldbus Schnittstellen
Die PAtools Hardwarestruktur besteht aus einem Prozessführungsrechner (PFR) für
Echtzeitaufgaben und einem Bedien-PC. Auf dem PFR läuft das Echtzeit Betriebssystem QNX,
um eine hohe Performance und Stabilität zu erzielen. Der Bedien-PC läuft unter Windows
und dient der Visualisierung und Versuchsparametrierung. Der PFR wird über den Bedien-PC
gesteuert und verfügt deshalb nicht über eigene Peripheriegeräte wie Bildschirm, Tastatur
und Maus. Dem PFR ist eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) untergeordnet, die
im Wesentlichen Sicherheitsabfragen ausführt, Sensoren ausliest und Aktuatoren steuert.
Über 32 digitale Ein- und Ausgänge werden die Zustände von Prüfstandskomponenten wie
z.B. Gasdetektion oder Fahrzeugenergiesystem erfasst, ausgewertet und gesteuert. Ein
Thermosensor, der ebenfalls an die SPS angeschlossen ist, dient der Überwachung der
Klimakammertemperatur. Die Vorgabe von Sollwerten, Überwachung von Grenzwerten,
Messungen und Datenablage sind ebenfalls Aufgaben des PFR. Die Messdaten aus den
8
engl.: Vehicle Energy System = Fahrzeugenergiesystem
22 | S e i t e
3 Prüfstands Beschreibung
verteilten Messsystemen werden im PFR zentralisiert. Als Grundlage für Sicherheitsabfragen
dienen Messwerte und verschiedene digitale Eingänge. So kann der PFR in Echtzeit auf
kritische Zustände reagieren. Das Messsystem der Firma Beckhoff ist über EtherCat direkt an
den PFR angebunden. [15]
3.1.1 Technische Daten
Im Folgenden sind technische Daten bezüglich des Stellbereichs und der dynamischen
Parameter angegeben.
Spannung
min.
V, max.
V
Strom
min.
A, max.
A
Leistung
max.
Überlastfähigkeit
max. 15% für
kW
s
Tabelle 2: Stellbereich des VES [15]
Spannungsänderung
max.
Stromänderung
max.
Spannungsänderung bei Sprung des
V/ms
A/ms
vom Endwert für
ms
Laststroms 10% - 90% - 10%
Tabelle 3: Dynamische Parameter des VES [15]
3.1.2 Genauigkeit
Statische Regelgenauigkeit und Messgenauigkeit:
Spannung
vom Endwert
Strom
vom Messwert oder
vom
Endwert
Tabelle 4: Genauigkeit des VES [15]
Die Werte werden über einen Zeitraum von einem Jahr ab Kalibrierung gehalten. Die Firma
KRATZER empfiehlt also die Rekalibrierung des Systems nach jeweils einem Jahr. [15]
23 | S e i t e
3 Prüfstands Beschreibung
3.2 Software
Die Software PAtools wurde von der Firma KRATZER AUTOMATION AG entwickelt und dient
dem Konfigurieren, Verwalten und Steuern von industriellen Abläufen. Jeder Größe wird ein
Normname zugeteilt, über den die Größe im Programm angesprochen werden kann. Die
Software setzt sich im Wesentlichen aus den beiden Bausteinen PAconfigurator und
PAcontroller zusammen.
Der PAconfigurator dient dem Konfigurieren und Verwalten von Versuchen. Die
Bedienoberfläche des PAconfigurators ist dem Windows Explorer nachempfunden. Für jeden
Versuch existiert ein Versuchsordner, der weitere Ordner enthält, in denen die
Eigenschaften des Versuchs festgelegt sind. Der Programmablauf wird über Ablauftabellen
definiert. In die Ablauftabelle können Befehle eingetragen werden, die dann Zeile für Zeile
abgearbeitet werden. Es können auch Unterprogramme wie PAbasic (C ähnliche
Programmiersprache), Berechnungen und Fortschaltbedingungen implementiert werden.
Über die Einstellungen im Ordner Ansichten kann das Design der Oberfläche im PAcontroller
bestimmt werden.
Zur Speicherung der Messdaten stehen verschiedene Speicherungsarten zur Verfügung. Für
jede Speicherungsart ist eine Tabelle angelegt, in der festgelegt ist, welche Normnamen
abgespeichert werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden folgende Speicherungsarten
verwendet:

Dynamische Speicherung
Diese Art von Speicherung wird verwendet, um markante Stellen im Versuch besser
aufzulösen und an Stellen geringer Änderung keine überflüssigen Messwerte zu
erhalten. Die dynamische Speicherung ist an eine Speicherbedingung geknüpft, die
vom Benutzer individuell eingestellt werden kann. Für diese Versuche wird eine
Bedingung gewählt, die bei jeder
V Spannungs- und
A Stromänderung die
Normnamen abspeichert, die in der Tabelle eingetragen sind.

Hz Speicherung
An manchen Stellen ist die dynamische Speicherung jedoch zu ungenau. Deshalb wird
an bestimmten Stellen zusätzlich die
Hz Speicherung verwendet, bei der
kontinuierlich jede Sekunde die Normnamen abgespeichert werden, die in der
Tabelle der
Hz Speicherung eingetragen sind. Das Programm erlaubt auch
Speicherungen höherer Auflösung, wie z.B.
Hz. Diese sind jedoch für die Versuche
24 | S e i t e
3 Prüfstands Beschreibung
im Rahmen der Arbeit überflüssig, da die Ergebnisdateien sonst zu groß werden
würden.

Speicherung in eine Trenddatei
Die Speicherung in eine Trenddatei wird verwendet, um an bestimmten Stellen in der
Ablauftabelle die eingetragenen Normnamen einmalig abzuspeichern. Sinnvoll ist
dies beispielsweise am Ende einer Ablauftabelle, um die Resultate festzuhalten.
Außerdem dient die Trendspeicherung der Übersichtlichkeit bei der Auswertung.
Im PAcontroller wird die Durchführung des Versuchs gesteuert. Die Oberfläche kann vom
Benutzer durch Aktivieren und Deaktivieren von Fenstern individuell auf den jeweiligen
Versuch angepasst werden.

Zustandsgrößen
Im Fenster Zustandsgrößen werden die Zustände verschiedener Normnamen
angezeigt. Damit kann der Benutzer die jeweiligen Größen im Auge behalten und hat
die Möglichkeit nachzuvollziehen, an welcher Stelle sich das Programm gerade
befindet.

Grafik
Das Grafikfenster zeigt die Verläufe der verschiedenen Versuchsgrößen und kann
beliebig skaliert und verändert werden. Die Kurvenverläufe werden dabei wie bei
einem Schieberegister von rechts nach links durchgeschoben.

Meldungen
Das Meldungsfenster hat die Aufgabe eines Versuchslogbuchs. Die meisten
Meldungen sind vom Programm vorgegeben, es können aber auch eigene
Meldungen generiert werden.
Im Fenster Messgrößen werden elementare Größen wie Spannung und Strom überwacht.
Die Überwachung könnte auch im Fenster Zustandsgrößen vorgenommen werden, allerdings
wird dieses Fenster häufig vom Benutzer verändert, um es auf den jeweiligen Versuch
anzupassen.
25 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
4 Planung und praktische Umsetzung des Prüfkonzepts
Dieses Kapitel beschreibt die Schritte, die notwendig sind, um die NiMH-Traktionsbatterie
auf dem Prüfstand in Betrieb zu nehmen. Dabei sind die Vorbereitung des Prüflings und die
Entwicklung der Temperaturregelung genauso von Bedeutung, wie die Beschreibung und
Implementierung des Prüfprogramms. Zur besseren Übersicht ist die Implementierung der
Prüfprogramme in derselben Reihenfolge beschrieben, in der auch auf die Prüfprogramme
eingegangen wird.
4.1 Vorbereitung des Prüflings
Um die Batterie auf dem Prüfstand testen zu können, werden folgende Änderungen
vorgenommen: Auf der Ober- und Unterseite der Batterie befinden sich insgesamt drei
digitale Temperatursensoren, die die Batterietemperatur im Betrieb überwachen. Da die
digitalen Sensoren nicht mit dem Prüfstand kompatibel sind, werden diese durch analoge
PT100 Temperatursensoren ersetzt. Ein Sensor wird im Schnittpunkt der Raumdiagonalen
der Batterie positioniert. Dank den etwa
mm breiten Lüftungsschlitzen zwischen den
Batteriemodulen kann der Sensor einfach in die Batterie hineingesteckt werden. Ein anderer
Sensor wird am Rand der Batterie in einem Lüftungsschlitz positioniert. Der Mittelwert der
beiden Sensoren repräsentiert die Batterietemperatur und wird im PAtools Programm jede
Sekunde gemessen. Aufgrund der ungleichmäßigen Strömungsgeschwindigkeit des
Luftstroms durch die Batterie ist es sinnvoll, die Temperatur in der Mitte und am Rand der
Batterie zu messen. Da die Luft am Rand der Batterie weniger schnell strömt, ist hier mit
etwas höheren Temperaturen zu rechnen. Auf der Oberseite der Batterie wird ein Sensor
angebracht, der die Temperatur der Ansaugluft misst, um bei Temperaturschwankungen die
Temperatur im Prüfcontainer entsprechend anpassen zu können. Abgesehen von den
Temperatursensoren befinden sich an jedem zweiten Batteriemodul Spannungssensoren,
die die Spannung von je zwei Modulen überwachen. Die Temperatursensoren und die
Spannungssensoren sind im Prius mit dem Batterie ECU9 [16] verbunden. Im Fahrzeug
existieren mehrere Steuereinheiten, die verschiedene Aufgaben erfüllen. Das Batterie ECU
dient der Überwachung der batteriespezifischen Zustandsgrößen im Betrieb, um eine
möglichst hohe Lebensdauer gewährleisten zu können. Die Spannungssensoren sind in
einem Stecker zusammengefasst, welcher mit dem ECU verbunden ist. Für die Tests wird der
Stecker entfernt und an die Kabelenden jeweils eine
A Sicherung angebracht, um die
Messtechnik des Prüfstands zu schützen. Pro Spannungssensor wird eine Nennspannung von
9
engl.: Engine Control Unit = Steuereinheit
26 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
V abgegriffen, da pro Modul sechs Zellen vorhanden sind und die Spannung von jeweils
zwei Modulen gemessen wird. Relevant sind die Modulspannungen im Hinblick auf die
Entladeschlussspannung. Da NiMH-Zellen bei Tiefentladung beschädigt werden können, wird
der Entladevorgang beendet, wenn die Module mit der geringsten Spannung die
Entladeschlussspannung von
V/Zelle, d.h.
V/Sensor erreichen.
4.1.1 Konstruktion der Thermobox
Um die Temperatur während der Tests konstant halten zu können, wird eine Thermobox für
die Batterie konstruiert und gefertigt. Das Prinzip der Kühlung ist dem im Fahrzeug
verwendeten nachempfunden: Die Batterie steht auf vier Winkeln (s. Abbildung 9) und wird
von oben nach unten durch die kleinen Spalte zwischen den Modulen durchströmt. Um die
Batterie herum ist Schaumstoff angebracht um sicherzustellen, dass die Luft ausschließlich
durch die Lüftungsschlitze strömt. In der Bodenplatte der Thermobox befindet sich ein Loch
zum Anschließen des Lüfters. An der Oberseite ist die Thermobox offen, damit die Luft
hineinströmen kann.
Abbildung 9: Thermobox zur Regelung der Batterietemperatur – (a) geschlossen, (b) offen
Etwa
cm über der Öffnung ist ein Metallgitter angebracht, welches im Falle eines Brands
als Löschsystem dient. Direkt auf dem Gitter befindet sich eine Lage Frischhaltefolie. Die
Frischhaltefolie ist großzügig mit Spielsand bedeckt. Im Falle eines Feuers wird der Ventilator
abgeschaltet und das Feuer brennt nach oben. Die Frischhaltefolie schmilzt schon bei sehr
geringen Temperaturen und der herabrieselnde Sand löscht das Feuer. Trotz Brandgefahr
wird die Thermobox vollständig aus Holz gefertigt, da sich Holz einfach bearbeiten lässt.
Ein Bild des Versuchsaufbaus befindet sich im Anhang (Anhang1).
27 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
4.1.2 Entwicklung der Temperaturregelung
Zur Kühlung wird der SDB 250L Lüfter der Firma CasaFan verwendet, der über ein
Aluminiumrohr an die Bodenplatte der Thermobox angeschlossen wird. Der Ventilator ist in
einem doppelwandigen Stahlgehäuse untergebracht, welches mit schalldämmenden
Materialien ausgekleidet ist, um für einen geringen Geräuschpegel zu sorgen. Am Ventilator
ist druckseitig ebenfalls ein Aluminiumrohr angebracht, welches die Abluft aus dem
Container an die Umgebung abgibt. Der Lüfter hat eine Leistung von
einer statischen Druckerhöhung von
Volumenstrom von über
W und erreicht bei
Pa (entspricht dem Betrieb ohne Last) einen
3
m /h [17]. Für die im Rahmen der Bachelorarbeit
verwendeten C-Raten und Temperaturen reicht die Leistung des Lüfters aus. Höhere C-Raten
erfordern jedoch eine bessere Kühlleistung, da sich die Batterie gegen Ende des
Ladevorgangs stark erwärmt und diese Wärmemenge mit der oben beschriebenen Leistung
nicht mehr ausreichend abgeführt werden kann. Die Frequenz des Lüfters wird über eine
Phasenanschnitt-Steuerung geregelt. Über den Prüfstand wird ein Steuersignal von
(
) mA auf die Phasenanschnitt-Steuerung gelegt, welche die Spannungspeaks der
Eingangsspannung entsprechend moduliert. Durch die unterschiedlich hohen Drehzahlen
des Lüfters wird eine unterschiedlich hohe Kühlleistung erreicht. Die Regelung der
Temperatur erfolgt über eine schrittweise Erhöhung der Frequenz bei größer werdenden
Temperaturen. Für eine Soll-Temperatur von
°C haben sich folgende Schritte als geeignet
erwiesen:

0% der Leistung, d.h. eine Frequenz von

25% der Leistung, d.h. eine Frequenz von

50% der Leistung, d.h. eine Frequenz von
Hz bei
°C

75% der Leistung, d.h. eine Frequenz von
Hz bei
°C und

100% der Leistung, d.h. eine Frequenz von
Hz bei
°C
Hz bei
Hz bei
°C
°C.
Die Parameter hängen im Wesentlichen von der Temperatur im Prüfcontainer, welche in
erster Linie durch die Umgebungstemperatur hervorgerufen wird, und der gefahrenen
C-Rate ab. Ein PID Regler würde bei weniger trägen Systemen durchaus Sinn ergeben und sei
deshalb im Folgenden kurz erwähnt.
Über die Software des Prüfstands kann ein vorprogrammierter Regler ausgewählt werden.
Beim Konfigurieren des Reglers ist darauf zu achten, dass Ist- und Sollwert des Reglers
vertauscht werden müssen (s. Abbildung 10), da diese Art von Temperaturregelung nur
kühlen kann. Bei Ansteuerung eines Heizelements würde das Problem nicht auftreten.
28 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
Abbildung 10: Vertauschte Parameter beim Einstellen des PID Reglers
Die Verstärkung
, die Nachstellzeit
und die Vorhaltezeit
der Regelstrecke werden mit
Hilfe der Schwingungsmethode ermittelt. Dabei werden die Verstärkung
Differenzier-Beiwert
zunächst Null gesetzt. Die Verstärkung
und der
wird solange erhöht, bis
das System seine Stabilitätsgrenze erreicht und anfängt periodische Dauerschwingungen zu
vollführen. Dieser Wert für
heißt dann
. Mit der Periodendauer
dieser
Schwingung können die anderen Parameter mit Hilfe von Tabelle 5 gefunden werden.
Regler
P
---
---
PI
---
PID
Tabelle 5: Regelparameter für Optimierung mit der Schwingungsmethode [18]
Der Zusammenhang von
mit
sowie
mit
und
ist folgender Formel zu entnehmen:
(14)
Anfangs wurde die Temperaturregelung mit dem PID Regler noch verfolgt. Da sich jedoch
das System als extrem träge erwiesen hat und sich die Optimierung der Regelparameter als
problematisch herausstellte, wurde dieses Konzept verworfen und das oben beschriebene
verfolgt.
29 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
4.2 Beschreibung des Prüfprogramms
Dieses Kapitel, sowie das Folgende beschäftigen sich mit der Beschreibung (Kapitel 4.2) und
der Implementierung (Kapitel 4.3) der Prüfprogramme. In diesem Kapitel wird ausschließlich
auf die Funktion der Programme und deren wissenschaftlichen Nutzen eingegangen,
während im folgenden Kapitel beschrieben wird, wie die Implementierung dieser
Programme gelingt.
Das Original Prüfprogramm, auf welchem die Tests basieren, wird von der „EUCAR Traction
Battery Working Group“ bereitgestellt. Die EUCAR-Gruppe ist ein Zusammenschluss
verschiedener europäischer Automobilhersteller und Testinstitute, die sich auf die
Entwicklung von Testprozeduren für Traktionsbatterien spezialisiert haben, die für Hybridund Elektrostraßenfahrzeuge eingesetzt werden. Die Prozeduren wurden im Rahmen eines
europäischen Forschungsprogramms entwickelt, welches zum Teil im Auftrag europäischer
Gemeinden
gegründet
wurde.
Mit
der
Prozedur
Energiespeichersystemen wie Batterien und Supercaps
10
sollen
Bezugsdaten
von
in Abhängigkeit des Speichertyps
und der Testeinrichtung gewonnen werden. Das Programm erlaubt einen einfachen und
fairen Vergleich der gemessenen Daten bei unterschiedlichen Teststandorten. [19]
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wird die EUCAR-Testprozedur jedoch in vereinfachter
Form verwendet, da das Originalprogramm weit über die Aufgabenstellung hinaus ragt.
Die hier verwendete Testprozedur beinhaltet folgende Programme:
1. Formierung
2. Initialisierung
3. Detaillierte Kapazitätsmessung
4. Selbstentladung
5. Zyklenfestigkeit gesamt
Den zentralen Ablauf der Prozedur stellt der Vollzyklus dar.
10
Kondensatoren mit hoher Kapazität
30 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
Vollzyklus
Das Programm Vollzyklus besteht aus einer kompletten Entladung gefolgt von einer
kompletten Ladung der Batterie.
Abbildung 11: Flussdiagramm des Programms "Vollzyklus" – Entladeströme sind im Allgemeinen negativ,
Ladeströme positiv
Direkt nach dem Entladen, bzw. Laden ist es notwendig den Ablauf für eine bestimmte Zeit
zu pausieren. Da sich die einzelnen Batteriemodule im Ladezustand immer geringfügig
voneinander unterscheiden, wird der Lade- bzw. Entladezustand nicht bei allen Zellen
gleichzeitig erreicht. Dies führt zum Auseinanderdriften der Modulspannungen und zu einer
unterschiedlich starken Erwärmung der Zellen. Ein großes Moduldelta führt unteranderem
dazu, dass die Entladeschlussspannung, bzw. die maximale Ladespannung der Batterie
früher erreicht wird und die Batterie nicht vollständig entladen, bzw. geladen wird. In der
Pause können der Spannungsunterschied sowie die Temperaturdifferenz wieder etwas
abklingen. Die Länge der Pause ist allein durch den Spannungsverlauf bestimmt. In einem
Zeitfenster von je
min wird der letzte Spannungswert mit dem am Anfang des
Zeitfensters gemessenen Spannungswert verglichen. Falls sich die Spannung in diesem
Zeitraum nicht stabilisiert hat, werden
min gewartet und erneut die beiden Spannungen
verglichen. Falls die Stabilisierung nach einer Stunde immer noch nicht gelingt, wird
fortgeschalten. Nach der Pause werden die Zähler für die gesamten im Versuch geladenen
und entladenen Ampere- und Wattstunden Null gesetzt. Da immer mehr Ampere- bzw.
Wattstunden geladen werden können, als entladen, würden sonst die beiden Zähler immer
größere Werte annehmen. Grund hierfür ist der Wirkungsgrad der bei realen Batterien
immer
ist. Durch Gasung und Selbstentladung entstehen Ladungsverluste, welche zur
Folge haben, dass die Kapazität nach einem Vollzyklus nie wieder auf
Ah sinkt [4]. Die
31 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
entladenen und geladenen Amperestunden, bzw. Wattstunden sind außerdem im Hinblick
auf Temperatur und C-Rate von Interesse. Bei hohen Temperaturen, sowie hohen C-Raten
kann weniger Kapazität und Energie entnommen werden.
In 4.2.5 Zyklenfestigkeit gesamt (S. 35) ist ein Programm zur Bestimmung der Lebensdauer der
Batterie beschrieben. Hier sind die entladenen und geladenen Amperestunden der im
Programm enthaltenen Vollzyklen von großem Interesse. Darüber hinaus ist die im letzten
Vollzyklus entladene Kapazität
für die Bestimmung des SOH und SOC interessant.
Nach dem Nullsetzen der beiden Variablen folgt die Ladeperiode. Dabei sollte die maximale
Ladespannung der Batterie nicht überschritten werden. Entladen und geladen werden
NiMH-Batterien mit Konstant-Strom. Die Entlademethode Konstant-Strom ist bei allen
Batteriearten üblich, da die Last (z.B. das Elektrostraßenfahrzeug) einen konstanten Strom
benötigt. Beim Laden kann sich die Methode von Batterieart zu Batterieart jedoch
unterscheiden. Während des Versuchs werden Amperestunden, Wattstunden und die Zeit,
die für den jeweiligen Vorgang benötigt wird geloggt. Die Entlade- und Ladezeit hängt im
Wesentlichen von Temperatur und C-Rate ab. Hohe Temperaturen haben allerdings zur
Folge, dass die Nebenreaktionen der Batterie schneller ablaufen und die entnehmbare
Kapazität dadurch sinkt.
Bei einer C-Rate von 1C dauert ein Entlade- bzw. Ladevorgang bei Normaltemperatur laut
Definition der C-Rate (s. 2.4.4 C-Rate (S. 18)) exakt eine Stunde. Damit ist für einen
kompletten Durchgang dieses Programms bei 1C mit einer Dauer von zwei Stunden und
min zu rechnen, wenn eine Pausenlänge von je
min angenommen wird.
4.2.1 Formierung
Vor Beginn des Prüfprogramms, sollten neue Batterien einigen Vollzyklen unterzogen
werden, um eine angemessene Stabilisation der Batteriechemie zu erreichen. Da die NiMHBatterie des Prius II bereits vom Hersteller formiert wurde, wird hier nur zwecks der
Vollständigkeit auf diese Prozedur eingegangen. Die Implementierung in PATools, sowie die
Auswertung sind hier nicht aufgeführt.
Bei einer C-Rate von C/2 werden etwa drei bis fünf Zyklen gefahren und die
Entladekapazitäten erfasst. Da sich die Elektrochemie bei neuen Zellen vorerst noch
einstellen muss, steigen anfangs die gemessenen Entladekapazitäten. Als formiert gelten die
Zellen, wenn die Entladekapazität des aktuellen Zyklus im Vergleich zum Vorherigen um
32 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
weniger als 3% abweicht. Wird diese Bedingung nach fünf Zyklen nicht erreicht sollten die
betroffenen Zellen ausgetauscht werden. [19]
4.2.2 Initialisierung
Da manche Berechnungen im Rahmen des Prüfprogramms ohne vorherige Initialisierung der
Variablen nicht möglich sind, ist es notwendig, diesen Variablen zu Beginn der Prozedur
einen
entsprechenden
Wert
zuzuweisen.
Unter
anderem
kann
es
zu
einem
Programmabbruch führen, wenn beispielsweise Lade- und Entladeströme vor einem
Vollzyklus nicht definiert sind. Durch die Definition der Variablen ist es außerdem möglich
eine individuelle Parametrierung des Prüfprogramms vorzunehmen. Wird beispielsweise
eine Batterie mit einer anderen Nennkapazität verwendet, ändern sich die Parameter für die
verschiedenen C-Raten. Im Programm Initialisierung können dann die Ströme speziell auf
den verwendeten Prüfling abgestimmt werden. Das Rücksetzen der im Programm
verwendeten Zähler, wird ebenfalls in dieser Ablauftabelle vorgenommen. Aufgerufen wird
die Initialisierung vor Beginn des Prüfprogramms. Auch wenn nur einzelne Ausschnitte des
Prüfprogramms gefahren werden, ist eine Initialisierung vorab notwendig.
4.2.3 Detaillierte Kapazitätsmessung
Das
Programm
detaillierte
Kapazitätsmessung
dient
dem
Bestimmen
der
Entladekapazitäten, sowie der entnommenen Energien bei unterschiedlich hohen C-Raten.
Je höher die C-Rate, desto niedriger ist der Verlauf der Entladespannung und letzten Endes
die entnehmbare Kapazität und Energie. Da diese Größen ebenfalls von der gefahrenen
Temperatur abhängen, werden die Tests bei nur einer Temperatur gefahren um ein
temperaturneutrales Ergebnis zu erhalten.
33 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
Abbildung 12: Flussdiagramm des Programms "detaillierte Kapazitätsmessung" – vor jedem Vollzyklus mit
variabler C-Rate wird ein Vollzyklus bei 1C gefahren
Um die in 4.1.2 Entwicklung der Temperaturregelung (S. 27) beschriebene Temperaturregelung
nicht laufend neu parametrieren zu müssen, wird hier auch das Prüfprogramm detaillierte
Kapazitätsmessung mit einer Temperatur von
°C gefahren. Dabei sollten die Tests jedoch
auf der Temperatur basieren, die beim Betrieb der Batterie auch dominiert. Gefahren
werden drei Zyklen bei einer C-Rate von 0,5C, 1C und 3C. Vor diesen Zyklen wird jedoch je
ein Vollzyklus mit 1C gefahren um stets die gleichen Anfangsbedingungen zur Verfügung zu
stellen. Die Reihenfolge der C-Raten hat keinen Einfluss auf das Ergebnis. Bei
Normaltemperatur dauert dieser Programmablauf laut Definition der C-Rate 16 Stunden
und
min. Davon acht Stunden für die drei Vollzyklen bei 1C und acht Stunden und
min
für die Vollzyklen bei den jeweiligen C-Raten.
Die Ergebnisse dieser Prozedur sind für Traktionsbatterien, welche in Hybrid- und
Elektrostraßenfahrzeugen verwendet werden von großer Bedeutung. Schnelle Ladezeiten
sind vielleicht für den Anwender von Vorteil, senken aber die entnehmbare Kapazität und
Energiemenge. Dagegen haben Traktionsbatterien, welche mit niedrigen Strömen geladen
werden, größere Reichweiten und eine höhere Leistung. Der Amperestundenwirkungsgrad
(Definition s. 5.1 Vollzyklus (S. 55)) steigt zwar mit der C-Rate, jedoch kann bei hohen
Strömen auch weniger geladen werden.
34 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
4.2.4 Selbstentladung
Die Selbstentladung beschreibt den irreversiblen Kapazitätsverlust bei Lagerung der Zellen
und tritt grundsätzlich bei allen Batteriearten auf. Je höher die Temperatur und je länger die
Lagerungszeit, desto größer der Kapazitätsverlust. Außerdem hängt die Selbstentladung vom
Ladezustand ab, bei dem die Zellen gelagert werden. Um die im Alltag verwendeten Zellen
zu schonen, wird der Ladevorgang bereits bei einem SOC von etwa 70% abgebrochen, was
bedeutet, dass diese Batterien bei diesem SOC als vollständig geladen gelten. Um ein
aussagekräftigeres Ergebnis zu erhalten, müsste die Selbstentladung bei verschiedenen
Ladezustanden untersucht werden. Da jedoch die hier vorgesehene Zeit dies nicht zulässt,
wird die Prüflingsbatterie ausgehend vom Volladezustand auf jeweils 70% SOC entladen und
für eine bestimmte Zeit am offenen Stromkreis belassen. Dieser Ladezustand wird im
Übrigen auch oft bei anderen Tests als Referenz verwendet.
Abbildung 13: Flussdiagramm des Programms "Selbstentladung" – es folgen die Lagerungszeiten 1 Tag, 2 Tage
und 5 Tage
Gemessen wird die Entladekapazität
Abbildung 13), die Entladekapazität
im Vollzyklus zu
Beginn des Programms (s.
bei Entladung auf 70% SOC und die Entladekapazität
der kompletten Entladung nach der jeweiligen Lagerungszeit. Die Selbstentladung
berechnet sich aus
|
werden folgende Abstufungen gewählt:

1 Stunde

6 Stunden

1 Tag

2 Tage und

5 Tage
|
|
|
|
|. Für die jeweiligen Lagerungszeiten
35 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
Mit Hilfe dieser Standzeiten kann der physikalische Effekt der Selbstentladung bei den
meisten Batterietypen gut veranschaulicht werden, ohne bei den Messungen viel Zeit
einbüßen zu müssen.
Da die Selbstentladung jedoch nicht allein von der Lagerungszeit, sondern auch von der
Temperatur abhängt, wird die Testprozedur bei drei verschiedenen Temperaturen
durchlaufen. Diese sind °C,
°C und
°C. Da mit Temperaturen kleiner °C und höher
°C im Normalbetrieb nicht zu rechnen ist, ist diese Temperaturspanne also ausreichend,
um verwendbare Ergebnisse zu erhalten. Aufgrund der Länge des Programms (allein neun
Tage an Pausenzeit) werden nur Messpunkte bei drei verschiedenen Temperaturen
aufgenommen. Eine beliebig genauere Auflösung ist jedoch auch nur bedingt möglich, da die
Alterung der Zellen sonst das Messergebnis verfälschen könnte.
Relevant ist die Selbstentladung im Bereich der Elektromobilität beispielsweise in Hinsicht
auf das Parken des Fahrzeugs. Wird das Fahrzeug in der Sonne abgestellt, haben die hohen
Temperaturen zur Folge, dass die Selbstentladung der Traktionsbatterie stark zunimmt. Bei
ausreichend langer Standzeit und genügend hoher Temperatur könnte die Batterie bei der
Rückkehr zum Fahrzeug bereits entladen sein. Außerdem sollte ein Elektrostraßenfahrzeug
erst unmittelbar vor Gebrauch geladen werden. Macht ein Fahrzeug bereits mittags von der
Ladeinfrastruktur gebrauch, obwohl es erst am nächsten Morgen gebraucht wird, verliert die
Batterie in dieser Zeit an Kapazität. Dies ist im Wesentlichen der Grund weshalb
Traktionsbatterien entladen gelagert- und erst kurz vor dem Gebrauch geladen werden
sollten.
4.2.5 Zyklenfestigkeit gesamt
Zur Bestimmung der Lebensdauer einer Traktionsbatterie ist neben der Selbstentladung die
Alterung durch Zyklisieren für die Elektromobilität ebenfalls von großer Bedeutung. Wie
schnell eine Batterie im Betrieb altert hängt im Wesentlichen von der Temperatur, der CRate und der Entladetiefe ab. Da in diesem Prüfprogramm ausschließlich Vollzyklen gefahren
werden, bei denen die Batterie bis 0% SOC entladen und bis 100% SOC geladen wird, entfällt
hier der Einfluss der Entladetiefe. Allgemein gilt jedoch, je tiefer eine Batterie entladen und
je voller sie geladen wird, desto schneller altert sie. Aus diesem Grund verfügen
Batterieladegeräte über eine spezielle Steuerung des Ladevorgangs. Die Alterung wird hier
also alleine in Abhängigkeit der Temperatur und der C-Rate untersucht. Die
ausschlaggebende Größe zur Bestimmung der Alterung ist der „State Of Health“ oder kurz
SOH, welcher in 2.4.6 SOH (S. 19) beschrieben ist und das Verhältnis der maximalen
36 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
entladenen Kapazität des letzten Vollzyklus zur Nennkapazität angibt. Je weniger also
entladen werden kann, desto niedriger der SOH.
Abbildung 14: Flussdiagramm des Programms „Zyklenfestigkeit“ – In diesem Programm werden die beiden
Unterprogramme „Zyklenfestigkeit pro Temperatur“ und „Zyklenfestigkeit pro Stromhöhe“ aufgerufen
Das Programm Zyklenfestigkeit gesamt, welches sich aus den beiden Unterprogrammen
Zyklenfestigkeit pro Temperatur und Zyklenfestigkeit pro Stromhöhe zusammensetzt
Abbildung 14) wird für drei verschiedene Temperaturen ( °C,
°C, und
(s.
°C) und drei
verschiedene C-Raten (0,5C, 1C und 3C) durchlaufen. Im Allgemeinen gilt: je höher
Temperatur und C-Rate desto schneller altert die Batterie. Nach dem Programmteil
Zyklenfestigkeit pro Temperatur erfolgt eine Messung des Innenwiderstands, um auf die
Alterung der Batterie schließen zu können. Um genauere Ergebnisse zu erhalten wird der
gesamte Programmteil Zyklenfestigkeit gesamt (s. Abbildung 14 links) drei Mal durchlaufen
und der arithmetische Mittelwert der Ergebnisse berechnet.
37 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
4.2.5.1 Zyklenfestigkeit pro Temperatur
Im Programm Zyklenfestigkeit pro Temperatur wird die Einstellung der jeweiligen C-Rate
vorgenommen und das Programm Zyklenfestigkeit pro Stromhöhe aufgerufen. Um die Ladeund Entladekapazitäten nach dem Zyklisieren qualitativ beurteilen zu können, wird nach
diesem Programmteil eine einfache Kapazitätsmessung gefahren, bei der die geladenen und
entladenen Kapazitäten bei einem Referenzstrom von 1C und einer Referenztemperatur von
°C gemessen werden. Nach den ersten beiden Kapazitätsmessungen wird die Batterie,
welche sich durch den Vollzyklus erwärmt hat, wieder auf
°C temperiert. Bei der letzten C-
Rate entfällt jedoch das anschließende Temperieren.
4.2.5.2 Zyklenfestigkeit pro Stromhöhe
In diesem Programmabschnitt wird die Batterie bei der jeweiligen C-Rate und Temperatur so
lange zyklisiert, bis sie um 1,5% gealtert ist. Zu Beginn wird das Unterprogramm SOH Start
aufgerufen, welches aus drei Vollzyklen besteht und den Mittelwert der geladenen
Amperestunden berechnet. Anschließend werden drei weitere Vollzyklen gefahren und das
Unterprogramm SOH Ende aufgerufen. Dieses Programm berechnet kontinuierlich den
Mittelwert der drei letzten Ladekapazitäten. Nun werden die drei ersten Ladekapazitäten
mit den drei letzten verglichen. Sind die Ladekapazitäten des Unterprogramms SOH Ende um
1,5% kleiner als die drei ersten, ist die Alterungsbedingung erfüllt. Ist dies nicht der Fall wird
ein weiterer Vollzyklus gefahren und die Alterungsbedingung erneut überprüft. Dabei
werden jedoch immer die drei letzten Ladekapazitäten mit den drei ersten verglichen. Um
eine Alterung festzustellen, müssen also mindestens sechs Zyklen gefahren werden. Wie
viele Zyklen bis zum Erreichen der Fortschaltbedingung nötig sind, ist jedoch von vielen
Batteriekenngrößen sowie der Vorgeschichte der Batterie abhängig und kann nicht
vorhergesagt werden. Nach dem Zyklisieren wird das Unterprogramm Sprungzyklus
aufgerufen.
4.2.5.3 Sprungzyklus
Durchgeführt wird der Sprungzyklus, um die Verläufe der Leerlaufspannungen11 während
des Ladens und Entladens zu ermitteln. Die Leerlaufspannung ist nach dem Entladen deutlich
niedriger, als nach dem Laden. Dies ist auch nach längeren Lagerungszeiten der Fall und ist
auf die positive Elektrode zurückzuführen [20]. Diese hysterese Kurve ist zum Parametrieren
von Ersatzschaltbildern von Batterien notwendig und wird für den weiteren Projektverlauf
im Rahmen einer Simulation gebraucht. Um auf die Leerlaufspannungskurven schließen zu
11
in der Fachliteratur wird auch häufig der Begriff „Ruhespannung“ oder „OCV“ (Open Circuit Voltage)
verwendet
38 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
können, werden Schritt für Schritt jeweils 10% der Nennkapazität der Batterie entladen und
anschließend wieder geladen. Nach einem Entlade- sowie Ladevorgang wird der Ablauf für
eine bestimmte Zeit pausiert. Dabei wird dieselbe Pause verwendet, die beim Vollzyklus
Anwendung findet. In der Pause nach dem Entladevorgang steigt die Spannung etwas an und
stabilisiert sich schließlich (s. Abbildung 15).
Abbildung 15: Schemazeichnung der Spannungsverläufe im Programm "Sprungzyklus" während des
Entladens
Der Punkt, an dem die Spannung genügend stabil ist, kann zur Messung der
Leerlaufspannung herangezogen werden. Nach Erreichen der Leerlaufspannung wird die
Batterie wieder um
Ah (entspricht 10% der Nennkapazität) entladen. Es ergibt sich in
etwa ein Spannungsverlauf gemäß Abbildung 15 (blau dargestellt). Insgesamt wird die
Batterie in zehn Schritten entladen und wieder geladen. Bei einer Batterie, die bereits etwas
gealtert ist und nicht mehr die volle Nennkapazität zur Verfügung stellt, fallen die letzten
Entladeschritte kapazitätsmäßig geringer aus. Diese Messpunkte können zur Ermittlung der
Leerlaufspannungskurve nicht verwendet werden, da die Spannung die Entladespannung nur
bei genügend großen Entladeschritten erreicht.
Um die Leerlaufspannungskurve während des Ladevorgangs zu ermitteln, wird die Batterie
nach Erreichen des Entladezustands von 100% DOD wieder in zehn Schritten geladen.
39 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
4.2.5.4 Ri-Messung
Da der Innenwiderstand einer Batterie mit zunehmendem Alter steigt, wird dieses
Programm zur Bestimmung des Alterungsprozesses verwendet. Aus diesem Grund erfolgt
nach jedem Programmdurchlauf Zyklenfestigkeit pro Temperatur eine Messung des
Innenwiderstands. Da dieser Programmablauf nicht vereinfacht werden kann, wird er eins zu
eins von der EUCAR-Testprozedur übernommen.
Im Test werden acht verschiedene Innenwiderstände, Leerlaufspannungen und vier
verschiedene Spitzenleistungen in Abhängigkeit des Ladezustands der Batterie gemessen.
Zunächst wird ein Vollzyklus bei Raumtemperatur gefahren. Danach wird die Batterie auf
diejenige Temperatur temperiert, die im Programm zuvor definiert wurde und nochmals ein
Vollzyklus gefahren. Nach einer Pause, von maximal einer Stunde, welche zur Messung der
Leerlaufspannung benötigt wird, folgen die Stromimpulse (s. Abbildung 16). Innerhalb einer
Stromimpulsabfolge, erfolgt eine Entladung der Batterie um 10% der Nennkapazität im
Vergleich zu Beginn der Abfolge. Ausgehend von einem SOC von 100% erfolgt also bei jeder
Stromimpulsabfolge eine Entladung um jeweils 10% SOC. Die Abfolge wird solange
wiederholt, bis die kleinste Modulspannung den Wert von
V unterschreitet. Nachdem
die Batterie durch die Stromimpulse soweit entladen ist, wird sie mit 1C wieder auf 100%
SOC geladen.
Die Leerlaufspannungen werden am Ende der Pause, bzw. zu Beginn einer jeden
Stromimpulsabfolge gemessen. Dabei wird dieselbe Pause verwendet, von der bereits im
Vollzyklus Gebrauch gemacht wurde. Dadurch, dass die Batterie in jedem Schritt um 10% der
Nennkapazität entladen wird, können also maximal zehn Leerlaufspannungen bei
unterschiedlichen SOC Werten gemessen werden. [19]
Während der Stromimpulse werden 13 verschiedene Spannungen gemessen, die zur
Berechnung der acht verschiedenen Innenwiderstände benötigt werden. Die Stellen, an
denen die Spannungswerte aufgenommen werden, sind in Abbildung 16 durch schwarze
Pfeile gekennzeichnet. Dabei bedeuten die beiden Pfeile am Ende des ersten Stromimpulses
beispielsweise, dass die Spannung
kurz vor- und die Spannung
Beendigung des Stromimpulses gemessen werden.
kurz nach
40 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
Abbildung 16: Schemazeichnung einer kompletten Stromimpulsabfolge im Programm "Ri Messung"
Der erste Impuls ist ein
s langer Entladestromimpuls mit 1C. Nach einer Pause von
s
folgt ein Ladestromimpuls gleicher C-Rate und Dauer. Da die beiden Stromimpulse von
gleicher Dauer sind, wird im zweiten Impuls genauso viel Kapazität geladen wie im ersten
Impuls entladen wurde. Nach einer weiteren
dem Strom
12
und der Dauer
von
Batteriehersteller, erlaubte Strom und darf
s langen Pause wird ein Stromimpuls mit
s gefahren. Dieser ist der höchste, vom
A nicht überschreiten. Dabei darf die
Entladeschlussspannung nicht unterschritten werden. Nach einer weiteren
s langen
Pause wird die Batterie solange mit 0,5C entladen, bis 10% der Nennkapazität im Vergleich
zu Beginn der Stromimpulsfolge entladen sind. Die Dauer dieses Stromimpulses hängt in
diesem Fall von der Nennkapazität der Batterie ab. Nach weiteren
13
s folgt ein
s langer
Stromimpuls. Der Ladestrom für diesen Stromimpuls ist der höchste, für diese
Zeitspanne, erlaubte Strom mit einer oberen Begrenzung von
A. Hierbei darf die
maximale Ladespannung nicht überschritten werden. Ein Entladeimpuls mit 0,5C folgt nach
einer letzten
s langen Pause, bei dem so viel Kapazität entladen wird, wie zuvor beim
Stromimpuls geladen wurde. Abschließend folgt die Pause zur Bestimmung der
Leerlaufspannung bei 90% SOC. [19]
Bei der Stromimpulsabfolge werden aufgrund des ersten Entladestromimpulses mit 0,5C
jeweils 10% der Nennkapazität entladen. Der Verlauf der Kapazität ähnelt deshalb stark dem
ersten Teil des Sprungzyklus.
12
13
engl.: High Discharge Current = hoher Entladestrom
engl.: High Charge Current = hoher Ladestrom
41 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
Während den beiden Hochstromimpulsen mit den Strömen
und
werden vier
verschiedene Spitzenleistungen bestimmt. [19]

High Current Discharge Power,
die mittlere Entladeleistung während des IHDC Stromimpulses

High Current Discharge End Power,
die Entladeleistung am Ende des IHDC Stromimpulses

High Current Charge Power,
die mittlere Ladeleistung während des IHCC Stromimpulses

High Current Charge End Power,
die Ladeleistung am Ende des IHCC Stromimpulses.
Im Bereich der Elektromobilität wird der Innenwiderstand häufig zur Bestimmung des
Ladezustands verwendet, da er neben der Alterung auch eine charakteristische Größe für
den SOC darstellt.
42 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
4.3 Implementierung in PAtools
Die in 4.2 Beschreibung des Prüfprogramms (S. 29) beschriebenen Programme werden im
Wesentlichen
mithilfe
von
Ablauftabellen
in
der
Prüfstands-
Software
PAtools
implementiert. In Ablauftabellen können Anweisungen eingetragen werden, die dann Zeile
für Zeile abgearbeitet werden. Dabei ist es auch möglich andere Ablauftabellen oder PAbasic
Programme zu integrieren. In folgendem Abschnitt werden noch weitere Programme
beschrieben, die für die Überwachung und Berechnung verschiedener Größen zuständig sind
und neben den Ablauftabellen zur Vollständigkeit des oben beschriebenen Prüfprogramms
beitragen.
Allgemeine Programme
Die Überwachung des Moduldeltas, welches in 4.1 Vorbereitung des Prüflings (S. 25)
beschrieben ist, erfolgt auf die Obergrenze von
V, was durchschnittlich
V/Zelle an
Spannungsunterschied entspricht, da jeder Spannungssensor zwei Module á sechs Zellen
überwacht. Da das Moduldelta gegen Ende des Entladevorgangs rasch ansteigt, sollte die
Überwachung mindestens jede Sekunde durchgeführt werden. Wird das Moduldelta von
V
überschritten erfolgt der sofortige Abbruch des Versuchs mit Ausgabe einer Meldung im
Meldungsfenster des PAcontrollers. Die Berechnung der kleinsten- und der größten
Modulspannung, sowie des Moduldeltas wird in einem PAbasic Programm realisiert. Durch
IF Schleifen werden die einzelnen Spannungen miteinander verglichen und der kleinste und
größte Wert ermittelt. Am Ende des Programms wird die Differenz aus dem Maximum und
dem Minimum, das Moduldelta berechnet.
Die Batterietemperatur wird ebenfalls überwacht. Hierbei empfiehlt sich eine Obergrenze
von
°C, da diese Temperatur noch genügend Spielraum für die Versuche bei
Temperaturen über
°C zulässt.
°C sind korrosionsfördernd und schaden dem Separator. Außerdem
kann bei hohen Temperaturen und Druckzuständen Wasserstoff aus der Batterie austreten.
Im Allgemeinen ist das Batteriegehäuse relativ gut Isoliert, Wasserstoff kann jedoch
aufgrund seiner minimalen Molekülgröße leicht hindurchdiffundieren. Es empfiehlt sich
ebenfalls eine Überwachung jede Sekunde da die Temperatur gegen Ende des Ladevorgangs
stark ansteigt. Bei Überschreitung des Grenzwertes wird, wie bei der Überwachung des
Moduldeltas, der Versuch gestoppt und eine Meldung ausgegeben. [20]
Um dem Anwender die Bedienung im PAcontroller komfortabler zu gestalten, werden zu
Beginn eines jeden Programms, sowie an markanten Stellen Meldungen über das
Meldungsfenster
im
PAcontroller
ausgegeben.
Auf
die
Implementierung
des
43 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
Meldungssystems zu Beginn einer Ablauftabelle wird im Folgenden nicht mehr explizit
eingegangen. Der Meldungstext ist im PAconfigurator als Wert einer Variablen zugeordnet
und kann individuell auf das jeweilige Prüfprogramm angepasst werden. Beim Ausführen
eines PAbasic Programms wird eine entsprechende Meldung ausgegeben, dessen Inhalt
zuvor über eine Meldungsnummer festgelegt wird.
Die Temperaturregelung, welche in 4.1.2 Entwicklung der Temperaturregelung (S. 27)
beschrieben ist, wird mittels IF Schleifen in eine Berechnung integriert. Der Regelausgang
mit (
) Hz ist dabei die zu berechnende Größe, welche je nach Ist-Temperatur
unterschiedliche Werte annimmt.
Die hier verwendeten Lade- und Entladeströme sind im Vergleich zur Leistung des Prüfstands
relativ gering. Da ein leichtes Rauschen im Stromverlauf zu erkennen ist, wird zusätzlich in
einer Variablen der Mittelwert über einen Zeitraum von zehn Sekunden jede Sekunde
berechnet und im Grafikfenster des PAcontrollers angezeigt. Für schnellere Änderungen des
Stroms muss die Mittelwertberechnung entsprechend angepasst werden. Für die Tests ist
diese Parametrierung jedoch vollkommen ausreichend.
Die folgenden Programme zählen zum eigentlichen Prüfprogramm und werden allesamt
über Ablauftabellen implementiert.
4.3.1 Vollzyklus
Der Vollzyklus setzt sich aus einer Entlade- und einer Ladeperiode zusammen und fungiert
als Grundlage für die folgenden Programme. Die ersten beiden Einträge der Ablauftabelle
(s. Abbildung 17) erzeugen die Meldung „Starte mit Vollzyklus“ im Meldungsfenster. Um
festzustellen, wie viel Kapazität und Energie beim Entladevorgang entladen wird, werden die
beiden Zählvariablen
und
zu Beginn des Entladevorgangs Null gesetzt und
anschließend ausgewertet.
Abbildung 17: Ausschnitt aus der Ablauftabelle "Vollzyklus"
44 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
Der Eintrag in Zeile sechs setzt einen Timer zurück, welcher in der nächsten Zeile durch
setzen der Variablen
auf den Wert
zu zählen beginnt. Der Timer ist als zu
berechnende Größe definiert, welche jede Sekunde berechnet und kontinuierlich um eins
erweitert wird. Das Entladeverfahren Konstant-Strom kann im Pull-down Menü in Spalte fünf
ausgewählt werden. Der Entladestrom wird über eine Variable (hier
) im
Programm zuvor definiert. In der neunten Spalte der Tabelle ist die dynamische
Speicherbedingung
eingetragen. Diese Ziffer bedeutet in diesem Fall, dass bei allen
Spannungsänderung und allen
V
A Stromänderung ein Messwert aufgenommen wird.
Beendet wird der Entladevorgang wenn die Fortschaltbedingung
erfüllt (d.h.
) ist.
Für den Entladevorgang wird fortgeschalten, wenn…

der Entladevorgang mehr als

die Entladeschlussspannung der Batterie von

die kleinste Modulspannung den Wert von
h dauert,
V unterschritten wird,
V unterschreitet.
Dabei genügt es, wenn eine der drei Bedingungen erfüllt wird. Die erste Fortschaltbedingung
wird dabei bei jedem Lade- bzw. Entladevorgang implementiert und dient der Sicherheit, da
ein Vorgang aufgrund der kleinsten verwendeten C-Rate von 0,5C nur maximal
h dauern
kann. Definiert werden die Fortschaltbedingungen als zu berechnende Größen, die durch IF
Schleifen entweder den Wert
(Fortschaltbedingung nicht erfüllt) oder einen anderen Wert
> 0 (Fortschaltbedingung erfüllt) haben können. Die gesamte Ablauftabelle Vollzyklus sowie
die Fortschaltbedingung für den Entladevorgang ist dem Anhang (Anhang3) zu entnehmen.
Nach dem Entladen wird der Timer ausgewertet und dessen Wert in der Variablen
abgespeichert (s. Abbildung 17). Um den Zähler zu stoppen, wird die
Variable
wieder zurückgesetzt. Nach dem Entladevorgang folgt eine Pause
zur Spannungsstabilisierung. Da die für die Pause benötigte Zeit ebenfalls von Interesse ist,
wird zu Beginn der Pause, analog zum Entladevorgang, ein Zähler gestartet und nach
Beendigung der Pause ausgewertet. Das Programm Stabilisierungspause wird aufgrund
seiner Länge in einer eigenen Ablauftabelle implementiert, um die Übersichtlichkeit zu
bewahren.
Zu Beginn des Programms wird ein Spannungswert aufgenommen und
s gewartet. Nach
dieser Zeit wird erneut ein Spannungswert abgespeichert. Diese Prozedur wird solange
wiederholt bis insgesamt fünf Spannungswerte gemessen sind. Anschließend wird die
45 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
Differenz aus der letzten und ersten gemessenen Spannung berechnet. Weicht die letzte
Spannung um weniger als 1% von der ersten Spannung ab, kann die Spannung als stabil
angenommen werden und es wird mit der Ablauftabelle Vollzyklus fortgefahren. Die
Überprüfung dieser Bedingung wird mittels IF Schleife umgesetzt, die Beendigung des
Programms mit einer Sprunganweisung zum Ende der Ablauftabelle. Wird die Bedingung
nicht erfüllt, werden weitere
s gewartet und nun der letzte Messwert mit dem vor
min verglichen. Falls die Stabilisierung der Spannung nach einer Stunde immer noch nicht
gelingt wird fortgeschalten. Die minimale Länge der Pause beträgt also
min. Am Ende der
Ablauftabelle wird eine Meldung ausgegeben, um dem Benutzer einen besseren Überblick
zu verschaffen.
Nach dieser Pause folgt die Auswertung der beiden Zählvariablen
und
, indem
deren Werte in einer separaten Variablen abgespeichert werden. Um festzustellen, wie viel
Kapazität, bzw. Energie im gesamten Versuch bereits entladen ist, wird eine entsprechende
Zählvariable durch den Betrag der entladenen Amperestunden, bzw. Wattstunden erweitert.
Nach Berechnung dieser Größen erfolgt eine Speicherung in die Trenddatei.
Da in den folgenden Programmen die Implementierung der Entlade- bzw. Ladevorgänge
analog erfolgt, werden diese nicht mehr so intensiv behandelt.
An dieser Stelle ist bekannt, dass die Batterie komplett entladen ist. Deshalb werden die
beiden Zählvariablen
und
, welche die gesamte Kapazität, bzw. Energie seit Beginn
des Versuchs repräsentieren, Null gesetzt. Vor allem das Rücksetzen der Variablen
ist in
der späteren Auswertung im Kurvenverlauf zu erkennen.
Die Implementierung des anschließenden Ladevorgangs erfolgt analog zum Entladevorgang.
Dabei werden die geladenen Ampere- und Wattstunden sowohl im Ladevorgang, als auch im
gesamten Versuch gespeichert. Fortgeschalten wird für den Ladevorgang, wenn die
maximale Ladespannung von
V überschritten wird.
Nach dem Ladevorgang erfolgt die oben beschriebene Pause zur Spannungsstabilisierung. In
den letzten Zeilen der Ablauftabelle Vollzyklus erfolgt nochmals eine Speicherung in die
Trenddatei und die Erhöhung des Zählers für die Anzahl der Zyklen um den Wert eins.
Auf die Speicherung in die Trenddatei wird in den folgenden Programmen ebenfalls nicht
mehr eingegangen. Sie dient ausschließlich dazu, um dem Benutzer die Auswertung
übersichtlicher zu gestalten und erfolgt an geeigneten Stellen im Programm.
46 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
4.3.2 Detaillierte Kapazitätsmessung
Die Implementierung des Programms detaillierte Kapazitätsmessung gestaltet sich
verhältnismäßig einfach, da es im Wesentlichen auf der Ablauftabelle Vollzyklus basiert. Bei
drei unterschiedlichen C-Raten (0,5C, 1C und 3C) wird jeweils ein Vollzyklus bei
°C
gefahren. Zuvor wird jeweils ein Vollzyklus mit 1C vorangestellt, um stets die gleichen
Ausgangsbedingungen zur Verfügung zu stellen. Das Einstellen der Raumtemperatur erfolgt
in einer separaten Ablauftabelle, um die Übersicht im Programm zu bewahren.
Zu Beginn der Ablauftabelle Temperieren erfolgt die Ausgabe einer Meldung und das
anschließende Starten eines Timers, da die für das Temperieren benötigte Zeit von Interesse
ist. Nach einer Pause von
s wird der Quotient aus Soll- und Ist-Temperatur in einer dafür
vorgesehenen Variablen berechnet. Die Soll-Temperatur muss dabei im Programm zuvor
definiert werden, die Ist-Temperatur wird jede Sekunde gemessen. Mittels IF Schleifen wird
nun abgefragt, ob der Quotient kleiner als
und größer als
ist. Ist dies der Fall
weichen Soll- und Ist-Temperatur noch zu stark voneinander ab und es erfolgt eine
Sprunganweisung zur Pause von
s. Nach dieser Pause erfolgt erneut die Berechnung des
Quotienten. Liegt der Wert nun innerhalb des Intervalls wird der zu Beginn der Ablauftabelle
gestartete Zähler angehalten, dessen Wert in einer Variablen gespeichert und mit der
Ablauftabelle detaillierte Kapazitätsmessung fortgefahren.
Zur Übersichtlichkeit für den Anwender wird vor jedem Vollzyklus mit variabler C-Rate eine
entsprechende Meldung ausgegeben. Nach Abarbeitung des Vollzyklus bei 3C ist das
Programm beendet.
4.3.3 Selbstentladung
Da die Selbstentladung in Abhängigkeit der Temperatur bestimmt werden soll, wird zunächst
die Soll-Temperatur gesetzt und das oben beschriebene Programm Temperieren aufgerufen.
Nach einstellen der ersten Temperatur wird zur Initialisierung des Programms ein Vollzyklus
mit 1C gefahren. Dazu werden die Variablen für den Lade- und Entladestrom auf
A
(entspricht hier 1C) gesetzt und die Ablauftabelle Vollzyklus aufgerufen. Nach dem Vollzyklus
ist die Batterie vollständig geladen. Um nun auf die Entladekapazität schließen zu können
wird der Zähler für die Amperestunden Null gesetzt und die Batterie mit dem zuvor
definierten Strom vollständig entladen. Als Fortschaltbedingung wird für den Entladevorgang
diejenige verwendet, die in 4.3.1 Vollzyklus (S. 43) beschrieben ist. Nach dem Entladen erfolgt
die oben beschriebene Pause zur Spannungsstabilisierung. Nach der Pause wird der Wert der
Entladekapazität in der Variablen
gespeichert, die zur Berechnung der Selbstentladung
47 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
notwendig ist. Anschließend folgt eine vollständige Ladung der Batterie mit der
Fortschaltbedingung, wie sie beim Vollzyklus verwendet wird. Nach dem Ladevorgang wird
wieder die Ablauftabelle Stabilisierungspause aufgerufen. Im folgendem Schritt soll die
Batterie nun auf 70% SOC entladen werden. Dies kann folgendermaßen implementiert
werden: Zu Beginn des Entladevorgangs wird die Zählvariable für die Amperestunden
zurückgesetzt. In der nächsten Zeile werden durch die Rechenoperation Multiplikation, 30%
der Variablen
berechnet. Danach folgt der Entladevorgang der abgebrochen wird
sobald…

die Entladeschlussspannung der Batterie von

die kleinste Modulspannung den Wert von

der Absolut Wert der Variablen
V unterschritten wird,
V unterschreitet,
größer wird als 30% von
.
Nach der Pause nach dem Entladevorgang werden die entladenen Amperestunden in der
Variablen
gespeichert. Danach folgt die erste Pause mit einer Dauer von einer Stunde.
Um besser nachvollziehen zu können, an welcher Stelle sich das Programm befindet, wird an
dieser Stelle eine Meldung ausgegeben. Während der Pause hat die Batterie durch
Selbstentladung an Kapazität verloren. Um herauszufinden, wie groß der Kapazitätsverlust
bei dieser Lagerungszeit ist, muss die Batterie ausgehend vom Lagerungszustand wieder auf
0% SOC Entladen werden. Die Messung der Entladekapazität erfolgt analog zu oben durch
Rücksetzen der Variablen
. Aus
,
und
mit anschließender Speicherung des Wertes in die Variable
kann nun die Selbstentladung für die erste Lagerungszeit
berechnet werden. Danach wird die Batterie wieder vollständig geladen und anschließend
durch die oben beschriebene Fortschaltbedingung wieder auf 70% SOC entladen. An dieser
Stelle folgt die zweite Pause mit sechs Stunden Länge. Mit den restlichen Lagerungszeiten
ein Tag und fünf Tage wird analog verfahren. Nachdem die Batterie nach der letzten Pause
wieder vollständig entladen ist, erfolgt eine Ladung auf 100% SOC mit anschließender Pause
zur Spannungsstabilisierung.
48 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
4.3.4 Zyklenfestigkeit
Das Programm Zyklenfestigkeit setzt sich aus den Unterprogrammen Zyklenfestigkeit pro
Temperatur und Zyklenfestigkeit pro Stromhöhe zusammen, deren Implementierung im
Folgenden beschrieben wird.
Zu Beginn des Programms Zyklenfestigkeit wird die Batterie auf °C temperiert. Dies erfolgt
durch Setzen der Soll-Temperatur und dem anschließendem Aufruf der Ablauftabelle
Temperieren (s. 4.3.2 Detaillierte Kapazitätsmessung (S. 45)). Nach Einstellen der ersten
Temperatur wird die Ablauftabelle Zyklenfestigkeit pro Temperatur aufgerufen. Danach
erfolgt eine Messung des Innenwiderstands, die aufgrund ihrer Länge und Komplexität in
eine separate Ablauftabelle integriert wird (s. 4.3.6 Ri-Messung (S. 51)). Der bis hier
beschriebene Programmablauf wird nun noch für
°C und
°C implementiert. Um
genauere Messwerte zu erhalten wird die komplette Ablauftabelle Zyklenfestigkeit
insgesamt drei Mal wiederholt und anschließend der arithmetische Mittelwert gebildet.
Umgesetzt ist diese Wiederholung mittels Zählvariable, die pro Durchlauf um den Wert
erhöht wird. Zu Beginn eines jeden Durchlaufs wird mittels IF Schleife der Wert dieser
Variablen abgefragt. Ist dieser Wert > 3 erfolgt ein Sprung zum Ende der Ablauftabelle.
In der Ablauftabelle Zyklenfestigkeit pro Temperatur werden zunächst Lade- und
Entladestrom gesetzt. Direkt danach folgt die Abarbeitung der Ablauftabelle Zyklenfestigkeit
pro Stromhöhe. Ist diese Ablauftabelle beendet, erfolgt eine einfache Kapazitätsmessung,
welche der Übersichtlichkeit halber in einer eigenen Ablauftabelle implementiert wird.
Die einfache Kapazitätsmessung besteht aus einem Vollzyklus mit 1C bei
°C. Zunächst
erfolgt also das Setzen der Soll-Temperatur und der Aufruf der Ablauftabelle Temperieren.
Nachdem die gewünschte Temperatur eingestellt ist, werden Lade- und Entladestrom
definiert und das Programm Vollzyklus aufgerufen. Da sich die Temperatur durch den
Vollzyklus verändert haben könnte, wird am Ende der Ablauftabelle erneut das Programm
Temperieren aufgerufen.
Die Implementierung der anderen beiden C-Raten in das Programm Zyklenfestigkeit pro
Temperatur erfolgt analog.
Im Programm Zyklenfestigkeit pro Stromhöhe wird die Batterie so lange zyklisiert, bis sie um
1,5% gealtert ist. Aus den ersten- (SOH Start) und den letzten drei Zyklen (SOH Ende) werden
die Mittelwerte der geladenen Kapazitäten berechnet und miteinander verglichen. Das
Programm beginnt mit dem Aufruf des Unterprogramms SOH Start. In dieser Ablauftabelle
49 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
wird eine Zählvariable für die Anzahl der gefahrenen Vollzyklen im Programm
Zyklenfestigkeit zurückgesetzt und anschließend das Programm Vollzyklus aufgerufen. Nach
dem Vollzyklus wird die Zählvariable um
erweitert und der Wert der geladenen
Amperestunden im Vollzyklus der Variablen
zugeordnet. Nach dem eben
beschriebenen Schema folgen zwei weitere Vollzyklen, nach denen die Variablen
und
belegt sind. Am Schluss der Ablauftabelle SOH Start erfolgt die
Berechnung des Mittelwerts aus den drei Variablen. Wieder zurück in der Ablauftabelle
Zyklenfestigkeit pro Stromhöhe wird ein Vollzyklus gefahren und dessen Ladekapazität in der
Variablen
abgelegt. Nach einem weiteren Vollzyklus erfolgt die Belegung der
Variablen
. In den nächsten Zeilen der Ablauftabelle werden die Programme
Vollzyklus und SOH Ende aufgerufen.
Abbildung 18: Funktionsweise der Programme „SOH Start“ und „SOH Ende“
Das Unterprogramm SOH Ende nimmt folgende Veränderungen vor: Die Variable
wird umbenannt zu
, die Variable
wird umbenannt zu
und die Ladekapazität des letzten Vollzyklus wird in der Variablen
gespeichert. Anschließend berechnet das Programm den Mittelwert dieser drei
Ladekapazitäten. Durch die Definitionen im Programm SOH Ende ist es möglich den
Mittelwert
der
letzten
drei
Ladekapazitäten
zu
berechnen,
selbst
wenn
die
Alterungsbedingung nicht nach sechs Zyklen erfüllt wird und noch ein weiterer Vollzyklus
gefahren werden muss.
In der nächsten Zeile der Ablauftabelle Zyklenfestigkeit pro Stromhöhe erfolgt die
Überprüfung ob die Batterie bereits um 1,5% gealtert ist. Dazu wird in einer Variablen das
Produkt aus dem Mittelwert der drei ersten Ladekapazitäten und
(entspricht
) berechnet. Über eine IF-Schleife wird nun abgefragt, ob der Mittelwert der
letzten Ladekapazitäten größer ist, als dieses Produkt. Ist dies der Fall, ist die Batterie noch
nicht genügend gealtert und es erfolgt ein Sprung zum Vollzyklus vor dem Aufruf der
Ablauftabelle SOH Ende. Der Sprung an diese Stelle bewirkt, dass erneut ein Vollzyklus
gefahren wird und die oben beschriebenen Änderungen durchgeführt werden. Somit ist die
50 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
kontinuierliche Berechnung der drei letzten Ladekapazitäten gewährleistet. Zum Schluss des
Unterprogramms Zyklenfestigkeit pro Stromhöhe wird der im Folgenden beschriebene
Sprungzyklus aufgerufen.
4.3.5 Sprungzyklus
Im diesem Programm wird die Batterie in zehn Schritten entladen und anschließend wieder
geladen, um auf die Leerlaufspannungskurven während des Entladens und Ladens schließen
zu können. Dabei sollen pro Schritt jeweils 10% der Nennkapazität
entladen bzw. geladen
werden. In der Ablauftabelle erfolgt zunächst das Setzen des Lade- und Entladestroms auf
1C. In der nächsten Zeile wird eine Variable, die die Anzahl der gefahrenen Sprünge
repräsentiert, zurückgesetzt und anschließend um
erhöht. Um sicherzustellen, dass jeweils
nur 10% der Nennkapazität entladen werden, wird zu Beginn des Entladevorgangs die
Zählvariable
Null gesetzt. Danach folgt der Ladevorgang, für den fortgeschalten wird,
falls…

die Entladeschlussspannung der Batterie unterschritten wird,

die kleinste Modulspannung den Wert von

der Absolut Wert der Variablen
V unterschreitet,
größer wird als 10% von
.
In den ersten Schritten wird der Entladevorgang durch die letzte Fortschaltbedingung
beendet. Da die letzten Entladeschritte bei einer älteren Batterie kapazitätsmäßig geringer
ausfallen, wird der Entladevorgang gegen Ende im Wesentlichen durch Unterschreitung der
kleinsten Modulspannung abgebrochen. Zwischen den Lade- und Entladeschritten wird der
Ablauf solange pausiert, bis die Entladespannung kurzzeitig auf den Wert der
Leerlaufspannung steigt. Die hierzu verwendete Pause gleicht der in der Ablauftabelle
Vollzyklus verwendeten. Nach der Pause wird mittels IF-Schleifen abgefragt, ob die zu Beginn
des Programms zurückgesetzte Variable
ist. Ist dies der Fall erfolgt ein Sprung an die
Stelle der Ablauftabelle, an der die Zählvariable für die Anzahl der Sprünge um
erweitert
wird. Ist dieser Teil des Programms insgesamt zehn Mal durchlaufen worden, folgt der Teil in
dem die Batterie wieder stufenweise geladen wird.
Dieselbe Variable, die für die Anzahl der Stufen beim Entladevorgang verwendet wird, findet
auch beim Ladevorgang Verwendung und wird zunächst Null gesetzt. Anschließend wird die
Variable um
hochgezählt. Um nun sicherzustellen, dass wie oben pro Schritt 10% der
Nennkapazität geladen werden wird die Variable
vor dem Laden wieder zurückgesetzt.
Danach folgt der Ladevorgang, für den fortgeschalten wird, falls…
51 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung

die maximale Ladespannung überschritten wird,

der Absolut-Wert der Variablen
größer wird als 10% von
.
Nach jeder Ladestufe wird der Ablauf ebenfalls pausiert, damit die Ladespannung kurzzeitig
auf den Wert der Leerlaufspannung abfallen kann.
Analog zu oben wird nach der Pause in einer IF-Schleife der Wert der Zählvariablen für die
Anzahl der Stufen abgefragt. Das Programm Stufenzyklus ist beendet, wenn die Batterie
durch die sprunghaften Ladeschritte wieder vollständig geladen ist, bzw. zehn Ladeschritte á
10% der Nennkapazität durchgeführt sind.
4.3.6 Ri-Messung
Die Implementierung des Programms Ri-Messung gestaltet sich aufgrund der Stromimpulse
verhältnismäßig schwierig. Zunächst wird die Batterie auf Raumtemperatur gebracht. Dies
geschieht durch Setzen der Soll-Temperatur auf
°C und dem anschließenden Aufruf der
Ablauftabelle Temperieren. Danach wird ein Vollzyklus bei 1C gefahren. Nach Abarbeitung
der Ablauftabelle Vollzyklus wird die Batterie auf diejenige Temperatur temperiert, die durch
das Programm Zyklenfestigkeit vorgegeben ist und nochmals ein Vollzyklus gefahren. Die
Pause nach dem Ladevorgang im Vollzyklus, welche zur Spannungsstabilisierung verwendet
wird, wird hier zur Messung der Leerlaufspannung verwendet, indem nach Beendigung
dieser Ablauftabelle der Wert der Spannung in einer dafür vorgesehenen Variablen
abgespeichert wird. Nach dieser Pause folgen die Stromimpulse. Zu Beginn der ersten
Stromimpulsabfolge wird die aktuelle Kapazität in der Variablen
Danach folgt ein
gespeichert.
s langer Entladestromimpuls mit 1C. Für diesen Stromimpuls existiert
keine Fortschaltbedingung, da die Batterie genügend vollgeladen ist, um eine Tiefentladung
zu erreichen. Die einzige Begrenzung des Ladevorgangs ist also die Zeit. Da sich während des
Impulses die Spannung und der Strom schnell ändern, wird eine
implementiert, die eine exaktere Auflösung des Impulses ermöglicht.
Stromimpuls wird die
Hz Dauermessung
s vor- und nach dem
Hz Dauermessung dazu geschalten, indem diese Speicherungsart in
einer dafür vorgesehenen Spalte gestartet- und
s nach dem Impuls wieder gestoppt wird.
52 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung
Abbildung 19: Ausschnitt aus der Ablauftabelle "Ri Messung"
Da die anderen Stromimpulse ebenfalls eine genauere Auflösung erfordern, wird die
Hz
Speicherung bei ihnen analog zu oben implementiert. Eine Ausnahme stellt jedoch der erste
Entladeimpuls mit 0,5C dar, da dieser Impuls zu lange dauert und sonst zu viele Messwerte
anfallen würden. Diejenigen Stellen, an der die Dauermessung dazu geschalten wird, sind in
Abbildung 16 dargestellt. Wie in 4.2.5.4 Ri-Messung (S. 39) beschrieben ist, werden kurz vorund kurz nach Beendigung des Stromimpulses die Spannungen
Umgesetzt werden kann dies, indem der Impuls nach
und
aufgenommen.
s beendet und der erste
Spannungswert aufgenommen wird. Direkt danach wird der Stromimpuls wieder für
fortgefahren und unmittelbar danach die Spannung
dauert der Stromimpuls
s
aufgenommen. Mit dieser Methode
s, was aber keinen Unterschied bei der Berechnung der
Widerstände ausmacht. Nach dem ersten Stromimpuls wird der Ablauf für
s
unterbrochen. Danach wird erneut eine Spannung aufgenommen und der Wert in der
Variablen
gespeichert. Der jetzt folgende Ladestromimpuls wird nach dem oben
beschriebenen
Schema
implementiert.
Auch
hier
ist
die
Verwendung
einer
Fortschaltbedingung nicht notwendig, da in diesem Schritt durch die Dauer des
Stromimpulses genauso viel Kapazität geladen wird, wie beim ersten Impuls entladen wurde.
Nach weiteren
lange
s Pause erfolgt die Aufnahme des Spannungswertes
und der
s
Stromimpuls. Dabei wird die Batterie mit dem höchsten, vom Hersteller
erlaubten Strom entladen. Da die Batterie hier zu tief entladen werden könnte, ist die
Implementierung einer Fortschaltbedingung an dieser Stelle unabdingbar. Da sich der
Impuls außer in der C-Rate von einem normalen Entladeverfahren nicht unterscheidet, kann
hier die Entladefortschaltbedingung des Vollzyklus verwendet werden. Nach dem
Hochstromimpuls folgen weitere
s Pause und der erste Entladestromimpuls mit 0,5C.
Bei diesem Stromimpuls sollen exakt 10% der Nennkapazität entladen werden. Realisiert
wird dies durch eine spezielle Fortschaltbedingung, die den Entladevorgang abbricht falls…
53 | S e i t e
4 Planung und Umsetzung

die Entladeschlussspannung der Batterie unterschritten wird,

der Zähler für die Amperestunden
Die Variable
(
repräsentiert hierbei die Kapazität zu Beginn einer jeden
Stromimpulsabfolge. Nachdem in diesem Fall
der
).
Ah entladen sind, folgt nach
s Pause
Stromimpuls, dessen geladene Kapazität für den zweiten Stromimpuls mit 0,5C
interessant ist. Um auf die geladene Kapazität schließen zu können, wird die Variable
zu Beginn Null gesetzt und dann der Ladevorgang mit einer entsprechenden
Fortschaltbedingung (s. 4.3.1 Vollzyklus (S. 43) gestartet. Abgebrochen werden kann der
Ladevorgang also entweder durch Überschreitung der maximalen Ladespannung oder die
Dauer des Impulses von
geladene Kapazität
Nach dem
s. Direkt nach Beendigung des Hochstromimpulses wird die
in einer Variablen gespeichert.
Impuls folgen weitere
s Pause und der letzte Stromimpuls der Abfolge.
In diesem Schritt soll genau so viel Kapazität entladen werden, wie beim
Impuls geladen
wurde. Dies geschieht durch eine entsprechende Fortschaltbedingung, die den
Entladeimpuls abbricht, wenn…

die Entladeschlussspannung der Batterie unterschritten wird,

die kleinste Modulspannung

der Absolut Wert der zuvor Null gesetzten Variablen
Betrag, der im
V unterschreitet,
größer wird, als der
Impuls geladenen Amperestunden.
Nach diesem Impuls folgt ein Sprung zur Pause am Anfang der Impulsabfolge, in der die
Leerlaufspannung gemessen wird. Um feststellen zu können, wann die Batterie durch die
Stromimpulse vollständig entladen ist, wird nach jedem Entladeimpuls eine IF-Schleife
implementiert, die den Wert der kleinsten Modulspannung abfragt. Ist der Wert
V
ist die Batterie genügend entladen und es erfolgt ein Sprung zum Ende der Ablauftabelle.
Dort wird die Batterie mit der Ladefortschaltbedingung des Vollzyklus und dem Strom von 1C
wieder auf 100% SOC geladen.
54 | S e i t e
5 Auswertung
5 Auswertung der Messergebnisse
Dieses Kapitel beschäftigt sich mit der Auswertung der oben beschriebenen Versuche, die an
der Traktionsbatterie des Prius II durchgeführt werden. Die Tests dienen der Verifikation der
Prüfabläufe und tragen darüber hinaus zum Verständnis der physikalisch-chemischen
Prozesse von Batterien bei.
Je nach Prüfling beansprucht das Prüfprogramm unterschiedlich viel Zeit. Ein kompletter
Durchlauf dauert mit dem NiMH-Akkumulator des Prius NHW20 beispielsweise knapp vier
Monate. Da das gesamte Prüfprogramm aus Zeitgründen nicht gefahren werden kann, wird
im Rahmen dieser Arbeit auf bestimmte Teile im Programm verzichtet. Die Kürzung wirkt
sich jedoch nicht auf die Richtigkeit und Funktion der Programme aus.
Die Auswertung der Versuche wird mit der Software MATLAB14 programmiert. Das
Programm ist ebenfalls Bestandteil der Arbeit und sei im Folgenden kurz erwähnt: Wie in 3.2
Software (S. 23) beschrieben, können drei verschiedene Speicherungsarten in die
Prüfstands-Software implementiert werden. Jede der einzelnen Speicherungsarten erzeugt
eine Ergebnisdatei auf dem Prozessführungsrechner. Zur grafischen Veranschaulichung der
Messergebnisse ist jedoch die Datenmenge aus nur einer Ergebnisdatei zu gering. Außerdem
werden in jeder Ergebnisdatei andere Variablen abgespeichert. Das MATLAB-Programm
kombiniert die Daten aus allen drei Ergebnisdateien und erlaubt somit die bestmögliche
Darstellung der Messwerte. Im Programm werden zunächst die Ergebnisdateien eingelesen
und deren Messwerte abgelegt. Dabei werden die Messwerte weitestgehend in Name,
Einheit, Offset usw. zerlegt, um das Programm so allgemein wie möglich zu halten. MATLAB
bietet die Möglichkeit, aus dem Startdatum sowie der Startzeit des Versuchs auf die absolute
Zeit zu rechnen. Die absolute Zeit ist als rationale Zahl codiert und erlaubt die Rückrechnung
auf ein konkretes Datum und eine konkrete Uhrzeit. In den folgenden Grafiken ist die
Ordinate als absolute Zeit formatiert. Im weiteren Verlauf des Programms wird jeder
gespeicherten
Variablen
eine
Kanalnummer
zugewiesen.
Bei
Kombination
der
Ergebnisdateien wird eine Tabelle erstellt, in der die verwendeten Namen und die
dazugehörigen Kanalnummern aufgelistet sind, wobei kein Name doppelt vorkommt.
Anhand dieser Liste kann zurückverfolgt werden, in welcher Ergebnisdatei und an welcher
Stelle die jeweilige Variable gespeichert ist. Zum Plotten einer Grafik muss dann nur noch
der entsprechende Name der Variablen eingegeben werden. Die Beschriftung der Achsen
(inklusive Einheit) und das Erstellen der Legendeneinträge erfolgt automatisch.
14
engl.: MATrix LABoratory
55 | S e i t e
5 Auswertung
5.1 Vollzyklus
In diesem Programm können keine Änderungen vorgenommen werden, da es als
elementarer Grundstein für die folgenden Programme fungiert. Der Vollzyklus gibt
Aufschluss über die geladenen und entladenen Ampere- und Wattstunden und erlaubt
dadurch die Berechnung verschiedener Wirkungsgrade.
Der Wirkungsgrad wird verwendet, um die Effizienz von Energiesystemen zu beschreiben. In
der Batterietechnik wird im Wesentlichen zwischen dem Amperestunden- und
Wattstundenwirkungsgrad unterschieden.
Der Ah-Wirkungsgrad
, welcher oft auch als coulombscher Wirkungsgrad bezeichnet
wird, beschreibt die Ladungsverluste, die beispielsweise durch Gasung oder Selbstentladung
entstehen können. Der reziproke Wert des Amperestundenwirkungsgrads wird als
Ladefaktor
bezeichnet. [4]
(15)
Wobei
für die entnommene Kapazität und
für die geladene Kapazität steht.
In Abbildung 20 ist der Verlauf der Kapazität und Energie während des Programms
dargestellt. Ausgehend von
Ah werden zunächst
Ah entladen und anschließend
Ah geladen. Der Ah-Wirkungsgrad berechnet sich demnach zu:
Für den Ladefaktor ergibt sich:
Der Wh-Wirkungsgrad
berücksichtigt
die
.
.
wird oft auch als Energiewirkungsgrad bezeichnet und
Spannungsverluste,
die
vom
ohmschen
Widerstand,
der
Durchtrittsspannung und den Polarisationseffekten herrühren. [4]
(16)
Mit
Da
= entnommene Energie und
Wh
entladen
Wattstundenwirkungsgrad zu:
und
= geladene Energie.
Wh
geladen
.
werden,
ergibt
sich
der
56 | S e i t e
5 Auswertung
Abbildung 20: Verlauf der Ampere- und Wattstunden im Programm „Vollzyklus“
Der Spannungswirkungsgrad
findet ebenfalls gelegentlich Anwendung, berücksichtigt
jedoch ausschließlich Spannungsverluste. [4]
(17)
Der Quotient aus dem Wh- und dem Ah-Wirkungsgrad, also der Spannungswirkungsgrad
beträgt in diesem Fall:
.
Ein Vergleich mit Literaturwerten zeigt, dass die NiMH-Batterie des Prius deutlich bessere
Werte erzielt. Allerdings ist der Wirkungsgrad bei NiMH- und NiCd-Zellen vom Ladestrom
abhängig. [20]
Ladefaktor
Ah-Wirkungsgrad
Wh-Wirkungsgrad
Abbildung 21: Literaturwerte für den Ladefaktor, Ah- und Wh-Wirkungsgrad von NiMH Zellen [4]
Um eine Beschädigung der Batterie zu vermeiden, werden die Spannungen der einzelnen
Batteriemodule überwacht. In Abbildung 22 ist der Verlauf des Moduldeltas (größte minus
kleinste Modulspannung) dargestellt. Kurz vor Beendigung des Entladevorgangs kommt es zu
einem Anstieg des Moduldeltas aufgrund von Kapazitätsstreuungen in der Batterie [20].
57 | S e i t e
5 Auswertung
Abbildung 22: Verlauf des Moduldeltas im Programm "Vollzyklus" - am Ende des Entladevorgangs steigt das
Moduldelta stark an
Grund des starken Anstiegs im Programm Vollzyklus ist außerdem der verhältnismäßig hohe
Strom von 1C am Ende des Entladevorgangs. Üblicherweise wird der Strom gegen Ende des
Entladevorgangs begrenzt, um dem starken Anstieg entgegen zu wirken. Hier soll die
Batterie jedoch bei durchgehend
A zyklisiert werden.
Im Folgenden wird die Funktion der Fortschaltbedingungen, wie sie in Kapitel 4.3
Implementierung in PAtools (S. 42) definiert sind, gezeigt. Für den Entladevorgang wird
fortgeschalten, wenn die Entladeschlussspannung der Batterie (
und die kleinste Modulspannung den Wert von
V erreicht.
V) unterschritten wird
58 | S e i t e
5 Auswertung
Abbildung 23: Verlauf der kleinsten Modulspannung im Programm "Vollzyklus"
Im Allgemeinen dominiert die letztere FSB15. Grund hierfür ist, dass die einzelnen
Spannungen der Batteriemodule immer etwas voneinander abweichen und die
Entladeschlussspannung der Batterie in etwa dem Mittelwert dieser Spannungen entspricht.
In Abbildung 23 ist zu erkennen, dass bei Unterschreitung des Grenzwertes für die kleinste
Modulspannung fortgeschalten wird. Bei schnellen Änderungen der Spannung kann es
durchaus vorkommen, dass der Grenzwert weiter unterschritten wird. Die kleinste
Modulspannung
ist lediglich in einem PAbasic Programm als zu berechnende
Größe definiert, welche jede Sekunde aktualisiert wird. Bei schnelleren Änderungen der
Spannung bzw. höheren C-Raten müsste die Frequenz der Berechnung entsprechend erhöht
werden.
15
FortSchaltBedingung
59 | S e i t e
5 Auswertung
Abbildung 24: Spannungs- und Stromverlauf im Programm "Vollzyklus"
Der Verlauf der Batteriespannung zeigt einen ähnlichen Verlauf (s. Abbildung 24). Hier ist
deutlich zu erkennen, dass der Entladevorgang durch die zweite genannte Bedingung
abgebrochen wird, da die Batteriespannung am Ende des Entladevorgangs gerade einmal
V beträgt. Für den Ladevorgang wird fortgeschalten, falls die maximale Ladespannung
der Batterie von
V überschritten wird. In der unten stehenden Abbildung ist dies
zwischen 14:30 Uhr und 15:00 Uhr zu erkennen. Auch hier kann es vorkommen, dass die
Fortschaltbedingung erst bei einer höheren Spannung erfüllt wird, da die Spannung ebenfalls
nur jede Sekunde aktualisiert wird. Auf den Temperaturverlauf während des Vollzyklus wird
im Abschnitt 5.4 Zyklenfestigkeit (S. 66) näher eingegangen.
60 | S e i t e
5 Auswertung
5.2 Detaillierte Kapazitätsmessung
Im Programm detaillierte Kapazitätsmessung müssen ebenfalls keine Änderungen zum oben
beschriebenen Programmablauf vorgenommen werden. Die EUCAR-Prozedur sieht zwar
noch Kapazitätsmessungen bei höheren C-Raten vor, dies ist jedoch aufgrund der
beschränkten Stromfestigkeit der NiMH-Batterie nicht möglich.
Abbildung 25: Kapazitätsverlauf im Programm "detaillierte Kapazitätsmessung" – die grau hinterlegten
Bereiche kennzeichnen die Vollzyklen bei 0,5C, 1C und 3C
Die Entladeperiode des ersten Vollzyklus mit 1C ist in Abbildung 25 bewusst weggelassen, da
der Zähler der gesamten im Versuch geladenen und entladenen Amperestunden bei der
Initialisierung zurückgesetzt wird und die Entladekapazität des ersten Vollzyklus sonst
negative Werte annehmen würde. In den grau hinterlegten Bereichen wird jeweils der
Vollzyklus mit variabler C-Rate gefahren. Um stets für gleiche Anfangsbedingungen zu
sorgen, wird zuvor je ein Vollzyklus bei 1C gefahren.
61 | S e i t e
5 Auswertung
Abbildung 26: Entladekapazitäten vs. C-Rate – je höher der Entladestrom, desto geringer die entnehmbare
Kapazität
Anhand der Entladekapazität des Vollzyklus bei 0,5C und der des Vollzyklus bei 3C fällt auf,
dass bei höheren C-Raten weniger Amperestunden entladen werden können. Dieser
Sachverhalt ist in Abbildung 26 näher dargestellt. Der Effekt ist im Wesentlichen auf den
Einfluss des Innenwiderstands zurückzuführen, der bei größer werdenden C-Raten steigt
[20]. Mithilfe einer Fitfunktion können die Entladekapazitäten bei kleineren C-Raten
qualitativ vorhergesagt werden. Da die Batterie jedoch bereits gealtert ist, kann die
Nennkapazität nur bei sehr geringen Entladeströmen oder sogar überhaupt nicht mehr
erreicht werden. Wie groß Nennstrom und Nenntemperatur zur Bestimmung der
Nennkapazität
gewählt werden hängt von der Anwendung ab. Bei Traktionsbatterien
liegt der Nennstrom bei ca. 0,2C, die Nenntemperatur bei ca.
°C [4]. D.h., dass die
Nennkapazität bei einer neuen Batterie beim Entladen mit 0,2C und einer Temperatur von
°C gerade noch entnommen werden kann. Es sei jedoch erwähnt, dass die entnehmbare
Kapazität immer von der Vorgeschichte bzw. dem letzten Vollzyklus abhängt.
62 | S e i t e
5 Auswertung
Abbildung 27: Temperaturverlauf im Programm "detaillierte Kapazitätsmessung" – Am Ende des
Ladevorgangs steigt die Temperatur vor allem bei 0,5C und 3C stark an
Abbildung 27 zeigt den Verlauf der Temperatur und des Stroms während des Versuchs.
Dabei ist deutlich zu erkennen, dass der erste Zyklus jeweils ein Vollzyklus bei 1C ist und der
nachfolgende bei entsprechender C-Rate gefahren wird. Zwischen 12:00 Uhr und ca. 17:00
Uhr ist zu erkennen, dass die Temperatur während des Entladens in etwa auf
°C konstant
gehalten werden kann. In der Pause nach dem Entladevorgang fällt die Temperatur ab und
steigt dann während des Ladevorgangs wieder an. Kurz vor Beendigung des Ladevorgangs
mit 0,5C ist ein starker Temperaturanstieg zu beobachten. Der Temperaturanstieg an sich
rührt daher, dass die Ladereaktion bei NiMH-Batterien exotherm ist und daher Energie in
Form von Wärme abgegeben wird. Weiter ist jedoch zu beobachten, dass der
Temperaturanstieg bei den Ladevorgängen mit 1C und 3C weniger stark ausfällt. Bei 0,5C
dauern sowohl Lade- als auch Entladevorgang zwei Stunden. Dadurch dass der Ladevorgang
auf eine größere Zeitspanne ausgedehnt wird, nimmt hier die Temperatur höhere Werte an.
Bei der Ladeperiode mit 3C ist hauptsächlich der hohe Energiefluss für den großen
Temperaturgradienten verantwortlich. Es existiert sozusagen ein Optimum, das in diesem
Fall bei etwa 1C liegt, da die Temperatur bei diesem Ladestrom am wenigsten stark ansteigt.
Hohe Temperaturen sind im Sinne von NiMH-Batterien jedoch nicht unbedingt von Nachteil.
Eine NiMH-Batterie kann als NTC16-Widerstand angesehen werden, dessen Innenwiderstand
mit steigender Temperatur sinkt [20].
16
engl.: Negative Temperature Coefficient = negativer Temperatur-Koeffizient
63 | S e i t e
5 Auswertung
Abbildung 28: Entladespannung bei verschiedenen C-Raten – je höher die C-Rate, desto niedriger der
Spannungsverlauf
Die C-Rate hängt, wie oben beschrieben, mit dem Innenwiderstand der Batterie zusammen.
Da bei hohen C-Raten der Innenwiderstand steigt, sinkt dadurch die Entladespannung.
Dieser Zusammenhang ist in Abbildung 28 dargestellt. Auf der Ordinate ist der
Entladezustand DOD in % aufgetragen. Bei 100% DOD ist die Batterie also vollständig
entladen. Die Kurven werden erzeugt, indem der gemessene Spannungsverlauf zwischen
Beginn und Ende des Entladevorgangs auf die Länge der x-Achse ausgedehnt wird.
5.3 Selbstentladung
Nach der Beschreibung im Abschnitt 4.2.4 Selbstentladung (S. 34) soll dieses Programm für
drei Temperaturen ( °C,
°C und
°C) durchlaufen werden. Hier wird aus Zeitgründen
jedoch auf die Durchläufe bei °C und Raumtemperatur verzichtet. Außerdem kann das
Programm im Grunde bei einer Lagerungszeit von
h abgebrochen werden, da die ersten
drei Messwerte schon aussagekräftige Ergebnisse liefern. Abbildung 29 zeigt den Verlauf der
Kapazität im Versuch vom 4. bis 7. Juli. Für die Dauer des Programms sind hauptsächlich die
langen Pausen verantwortlich. In der unten stehenden Grafik ist zu erkennen, dass die
Kapazität von Zyklus zu Zyklus steigt. Dies ist jedoch ausschließlich darin begründet, dass der
Zähler für die gesamten im Versuch geladenen und entladenen Amperestunden nicht
zurückgesetzt wird, wenn die Batterie laut Fortschaltbedingung entladen ist. Da der AhWirkungsgrad
bei realen Batterien stets kleiner
Amperestunden geladen als entladen.
ist, werden immer mehr
64 | S e i t e
5 Auswertung
Abbildung 29: Kapazitätsverlauf im Programm „Selbstentladung“ – bei der Lagerungszeit von 48 h wird das
Programm abgebrochen
Um vom Kapazitätsverlauf auf die Selbstentladung schließen zu können, sind folgende
Kapazitäten von Belang:

Die Entladekapazität des Vollzyklus vor den Lagerungszeiten,

Die Entladekapazität vom Vollladezustand auf 70% SOC,

Die Entladekapazität vom Lagerungszustand auf 0% SOC,
Die erste Kapazität wird zu Beginn des Programms einmalig gemessen und bleibt daher
immer gleich. Kapazität
hängt von der C-Rate des Entlade- und Ladevorgangs zuvor ab.
Da hier für das gesamte Programm ein Strom von 1C verwendet wird, bleibt diese Kapazität
ebenfalls immer gleich. Aufgrund der immer unterschiedlich ablaufenden chemischen
Reaktionen in der Batterie können aber auch geringfügige Unterschiede entstehen. Die
Entladekapazität
hängt allein von der Lagerungszeit ab und nimmt unterschiedliche
Werte an.
Mit Hilfe folgender Formel kann die Selbstentladung berechnet werden:
|
|
|
|
|
|
(18)
65 | S e i t e
5 Auswertung
Es ergeben sich folgende Werte:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
In Abbildung 30 sind die Selbstentladungen gegen die Lagerungszeit aufgetragen. Der Punkt
zur Lagerungszeit
h stellt dabei keinen Messwert dar. Er wird lediglich zum Erstellen der
Fitfunktion benötigt, da die Selbstentladung
Ah beträgt, falls die Batterie nicht gelagert
wurde.
Abbildung 30: Selbstentladung vs. Lagerungszeit – Die Messwerte folgen in etwa der Wurzelfunktion
Es fällt auf, dass die Messwerte in etwa der Wurzelfunktion folgen. Mit MATLAB werden die
Messwerte unter Verwendung folgender Funktion gefittet:
(19)
( )
Nach dem Fit dieser Gleichung ergeben sich für die beiden Parameter
Werte:
und
und
folgende
.
Abbildung 31 zeigt die Abhängigkeit der verbleibenden Kapazität gegenüber der
Lagerungszeit für verschiedene Temperaturen. Da jedoch in dieser Abbildung die restliche
Kapazität und nicht die Selbstentladung an sich gegeneinander aufgetragen sind, verläuft
diese Kurve nach unten. Anhand des Verlaufs kann jedoch darauf geschlossen werden, dass
sich die Annahme der Wurzelfunktion als richtig erwiesen hat.
66 | S e i t e
5 Auswertung
Abbildung 31: verbleibende Kapazität vs. Lagerungszeit von NiMH-Zellen [6]
Die grauen Bereiche in der Grafik zeigen außerdem, dass sich die Bestimmung der
Selbstentladung nicht beliebig genau gestalten lässt. Je höher die Temperatur, desto weiter
streuen die Werte.
5.4 Zyklenfestigkeit
Zu Beginn des in Abschnitt 4.2.5 Zyklenfestigkeit gesamt (S. 35) beschriebenen Prüfprogramms
wird der Prüfling bei °C,
°C und
°C zyklisiert. Dabei werden die C-Raten 0,5C, 1C und
3C gefahren. Da der Programmdurchlauf mit allen Temperaturen zu viel Zeit in Anspruch
nehmen würde, werden die folgenden Tests nur bei
°C durchgeführt.
Wie in 5.2 Detaillierte Kapazitätsmessung (S. 60) beschrieben ist, führen die C-Raten 0,5C
und 3C gegen Ende des Ladevorgangs zu einer starken Erwärmung der Batterie. Da sich die
Regelung der Temperatur bei dauerhaftem Zyklisieren mit diesen C-Raten als problematisch
erwiesen hat, wird sich im Folgenden ausschließlich auf die 1C-Rate beschränkt.
67 | S e i t e
5 Auswertung
Abbildung 32: Kapazitätsverlauf während des Prüfprogramms "Zyklenfestigkeit"
Um auf die Alterung durch das Zyklisieren schließen zu können, erfolgt zu Beginn des
Programms eine Innenwiderstandsmessung. Da auch die Leerlaufspannungskurven, die für
den weiteren Projektverlauf benötigt werden, vor und nach dem Zyklisieren interessant sind,
wird das Programm Sprungzyklus ebenfalls zuvor aufgerufen (s. Abbildung 32). Nachdem die
Alterungsbedingung erreicht ist, folgen der Sprungzyklus und eine anschließende einfache
Kapazitätsmessung. Nach dieser Kapazitätsmessung wird das Programm Ri-Messung erneut
aufgerufen, um aus den unterschiedlichen Widerstandsverläufen auf die Alterung schließen
zu können.
Abbildung 33: Batterietemperatur Tist und Containertemperatur T3 während des gesamten Ablaufs – die rot
umrandeten Bereiche kennzeichnen das Programm „Ri-Messung“
68 | S e i t e
5 Auswertung
Abbildung 33 zeigt den Temperaturverlauf der Batterietemperatur
und der Temperatur
im Prüfcontainer
. Im Allgemeinen gelingt die Regelung auf
°C. Ausnahme stellt das
Programm Ri-Messung dar. Der Temperatursturz ist auf die langen Pausen im Programm
zurückzuführen.
Dort
fällt
die
Batterietemperatur
wieder
auf
annähernd
Containertemperatur ab, da die Batterie bis auf den Ladevorgang zum Schluss nur entladen
wird und sich die Batterie dadurch nicht erwärmt.
Die Containertemperatur (in Abbildung 33 grün dargestellt) pendelt zwischen
°C und
°C
stark hin und her. Grund hierfür ist eine Heizung im Prüfcontainer, die installiert wird, um die
Regelung auf
°C besser zu ermöglichen. Ein Temperaturregler des Elektronikfachmarkts
Conrad regelt diese Temperatur, indem ein Heizelement im Container ein- bzw.
ausgeschaltet wird.
Abbildung 34 zeigt einen Ausschnitt des Temperaturverlaufs während des Zyklisierens
zwischen dem 30. Juni und dem 1. Juli. Im Mittel beträgt die Batterietemperatur etwa
°C.
Abbildung 34: Verlauf von Strom und Temperatur während des Zyklisierens
In der Nacht vom 1. auf den 2. Juli wird die Alterungsbedingung erfüllt. Aus den ersten drei
Zyklen des Abschnitts Zyklenfestigkeit in Abbildung 32 wird der Mittelwert der
Ladekapazitäten gebildet. Dies geschieht auch fortlaufend mit den drei letzten Zyklen. Die
Alterungsbedingung ist erfüllt, wenn der Mittelwert der letzten drei Ladekapazitäten um
1,5% kleiner ist, als der der drei ersten Zyklen. Zur grafischen Veranschaulichung ist dies in
Abbildung 35 dargestellt.
69 | S e i t e
5 Auswertung
Abbildung 35: SOH vs. Zyklenzahl – die Alterung der Batterie nimmt mit der Zyklenzahl zu
Indem die Ladekapazitäten auf die Nennkapazität
bezogen werden, können die
jeweiligen Werte des SOH berechnet werden. Der Mittelwert der ersten drei Messpunkte
ergibt den Start-SOH (in Abbildung 35 türkis dargestellt). Dazu kann der SOH ausgerechnet
werden, bei dem die Batterie um 1,5% gealtert ist. Dieser ist in der Abbildung oben grün
dargestellt. Aus den letzten drei Messwerten der blauen Kurve wird der End-SOH gebildet
(rote Linie). Die Alterungsbedingung wird also nach dem 13. Zyklus erfüllt.
70 | S e i t e
5 Auswertung
5.4.1 Sprungzyklus
Nach Erfüllen der Alterungsbedingung folgt das Programm Sprungzyklus zur Bestimmung der
Leerlaufspannungskurven. Die Batterie wird in 10%-Schritten der Nennkapazität vorerst
entladen und anschließend wieder geladen. Zwischen den Entlade- bzw. Ladeperioden wird
der Ablauf so lange unterbrochen, bis die Spannung den Wert der Leerlaufspannung
erreicht. Der Kapazitätsverlauf des Programms ist in Abbildung 36 dargestellt.
Abbildung 36: Kapazitätsverlauf im Programm "Sprungzyklus"
Es fällt auf, dass gegen Ende der Entladeschritte nicht mehr die vollen 10% der
Nennkapazität entladen werden können. Dies rührt daher, dass die Prüflingsbatterie bereits
etwas gealtert ist und nicht mehr die volle Nennkapazität zur Verfügung stellt. Außerdem
werden hier andere Ströme und Temperaturen verwendet, wie sie bei der Definition der
Nennkapazität definiert wurden. Während des Ladevorgangs besteht dieser Unterschied in
den Stufen nicht, da immer mehr Amperestunden geladen werden können als entladen und
sich die Nennkapazität außerdem aus der Entladekapazität berechnet.
71 | S e i t e
5 Auswertung
Abbildung 37: Spannungsverlauf im Programm "Sprungzyklus"
Der Verlauf der Spannung während des Verfahrens ist in Abbildung 37 dargestellt. Hier ist
deutlich zu erkennen, dass die Spannung während des Entladens niedriger ist als die
Leerlaufspannung. Nach Beendigung eines Entladeschritts steigt die Spannung dann in der
Pause wieder bis zur Leerlaufspannung an. In Abbildung 38 sind die Messpunkte, an denen
die Leerlaufspannung und diejenigen, an denen die Entladespannung erreicht wird, grafisch
aufgetragen:
Abbildung 38: Leerlaufspannung (entladen) und Entladespannung
Während des Ladens ist genau das Gegenteil der Fall. Die Ladespannung liegt deutlich über
der Leerlaufspannung und die Spannung fällt in der Pause nach dem Laden auf die
Leerlaufspannung ab.
72 | S e i t e
5 Auswertung
5.4.2 Ri-Messung
Im Programm Ri-Messung können keine Änderungen im Vergleich zur Originalprozedur
vorgenommen werden, da sonst andere Werte für die Innenwiderstände entstehen würden.
Der Kapazitätsverlauf der ersten Widerstandsmessung ist in Abbildung 39 dargestellt. Etwa
zwischen 2:00 Uhr und 8:00 Uhr ist mit dem oben beschriebenen Temperaturabfall zu
rechnen. Zu Beginn des Programms wird ein Vollzyklus gefahren, um den Vollladezustand zu
erreichen. Ausgehend von 100% SOC wird die Batterie in 10%-Schritten der Nennkapazität
analog zum Sprungzyklus entladen. Hier ist jedoch der Entladevorgang beendet, sobald die
Spannung den Grenzwert (
V) des kleinsten Moduldeltas unterschreitet. Aufgrund dieser
Bedingung und des fortgeschrittenen Alters der Batterie sind in diesem Fall nur acht
Entladeschritte möglich.
Abbildung 39: Kapazitätsverlauf der ersten Widerstandsmessung
Die Entladung um 10% der Nennkapazität
ist auf den ersten Entladestromimpuls mit 0,5C
zurückzuführen. Eine komplette Stromimpulsabfolge, wie sie in Abbildung 16 zu sehen ist, ist
in Abbildung 39 rot umrandet. Nachdem die Batterie durch die Stromimpulsabfolgen
genügend entladen ist, wird sie mit 1C wieder vollständig geladen.
Anhand der Stromimpulse und der Spannungen, die während der Stromimpulse gemessen
werden (
bis
), können acht verschiedene Innenwiderstände berechnet werden. Da
jede Stromimpulsabfolge bei einem anderen Ladezustand erfolgt, kann auch die
Abhängigkeit des Widerstands vom SOC dargestellt werden.
73 | S e i t e
5 Auswertung
Da die letzten vier Widerstände aus den Hochstromimpulsen berechnet werden und diese
nicht mit dem höchsten, vom Hersteller erlaubten Strom gefahren wurden, werden diese
Widerstände nicht ausgewertet. Auch die oben beschriebenen Spitzenleistungen können aus
diesem Grund nicht berechnet werden.
Die Stromimpulse, aus denen die Lade- und Entladewiderstände berechnet werden, wurden
jedoch nicht von der EUCAR-Prozedur geändert und können ausgewertet werden.
Zur Berechnung dieser Widerstände stehen folgende Formeln zur Verfügung:
Ohmic discharge resistance
(20)
Overall internal 1C-discharge resistance
(21)
Ohmic charge resistance
(22)
Overall internal 1C-charge resistance
(23)
Pro Stromimpulsabfolge entsteht also für jeden Widerstand ein Messpunkt. Durch den
unterschiedlich hohen Ladezustand der Stromimpulsabfolgen kann der Widerstand in
Abhängigkeit des SOC betrachtet werden:
74 | S e i t e
5 Auswertung
Abbildung 40: Widerstandsverläufe vor dem Lebensdauertest
Gegen Ende des Entladevorgangs (in Abbildung 40 von rechts nach links) steigt der 1CEntladewiderstand stark an. Grund hierfür ist die große Spannungsdifferenz zwischen
Entlade- und Leerlaufspannungskurve (s. Abbildung 38). Große Spannungsdifferenzen führen
laut Ohm’schen Gesetz zu einem hohen Widerstand:
(24)
Der Verlauf des 1C-Ladewiderstands ist durch den Unterschied zwischen Lade- und
Leerlaufspannungskurve bedingt. Da der Verlauf jedoch nicht eindeutig ist, sind in Abbildung
41 die Differenzen zwischen den beiden Kurven berechnet und als Historie grafisch
dargestellt. Der wannenartige Verlauf der vertikalen Linien ist auch in Abbildung 40 zu
erkennen.
75 | S e i t e
5 Auswertung
Abbildung 41: Leerlaufspannung (laden) und Ladespannung mit Historie
Die ohmschen Lade- und Entladewiderstände (in Abbildung 40 rot und blau dargestellt)
liegen deutlich unter den 1C-Widerständen, da die Spannungsdifferenzen zwischen
sowie
und
und
(s. Formeln 20 und 22) wesentlich kleiner sind als die bei den 1C-
Widerständen.
Die Widerstandsverläufe vor und nach dem Zyklisieren sind dem Anhang (Anhang4) zu
entnehmen.
76 | S e i t e
6 Zusammenfassung
6 Zusammenfassung und Ausblick
Das Ziel dieser Arbeit bestand aus der Planung und praktischen Umsetzung eines
Prüfkonzepts zur messtechnischen Erfassung batteriespezifischer Kenngrößen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die NiMH-Batterie des Hybridfahrzeugs Toyota Prius
getestet. Dabei stand die Alterung der Traktionsbatterie in Hinsicht auf den alltäglichen
Gebrauch im Vordergrund. Der neueste Prüfstand an der Forschungsstelle für
Energiewirtschaft
bietet
eine
hochdynamische
und
leistungsstarke
DC-
Spannungsversorgung, die sowohl als Quelle als auch als Senke arbeiten kann. Über einen
Bedien-PC
können
die
Versuche
konfiguriert
werden,
die
dann
über
einen
Prozessführungsrechner ausgeführt werden.
Die Testprozeduren konnten größtenteils von der „EUCAR Traction Battery Working Group“,
einem
Zusammenschluss
verschiedener
europäischer
Automobilhersteller
und
Testinstitutionen, übernommen werden. An manchen Stellen wurden jedoch Änderungen
am Originalprogramm vorgenommen, um es auf den jeweiligen Test anzupassen. Die
Prozedur beinhaltet eine Reihe von Programmen, die für den Lebensdauertest erforderlich
sind. Das Programm „Vollzyklus“ stellt dabei den zentralen Ablauf dar und besteht aus einer
kompletten
Entladung,
gefolgt
von
einer
kompletten
Ladung
der
Batterie.
Kapazitätsmessungen bei unterschiedlich hohen C-Raten17 sind im Programm „detaillierte
Kapazitätsmessung“ vorgesehen. Hier wurde die Auswirkung der Ladezeit auf die
entnehmbare Kapazität untersucht. Ein weiterer Test beschäftigt sich mit der
Selbstentladung
der
Batterie.
Die
Selbstentladung
beschreibt
den
irreversiblen
Kapazitätsverlust durch Lagerung der Zellen und tritt grundsätzlich bei allen Batteriearten
auf. Ausgehend von einem bestimmten Ladezustand wurde die Batterie bei verschiedenen
Lagerungszeiten und Temperaturen gelagert und anschließend die Selbstentladung
berechnet. Relevant ist dies im Hinblick auf das Parken des Fahrzeugs. Wird das Fahrzeug
über längere Zeit in der Sonne abgestellt, könnte die Traktionsbatterie durch die hohen
Temperaturen bei der Rückkehr entladen sein. Das Programm Zyklenfestigkeit misst dagegen
die Alterung durch Zyklisieren. Je mehr Zyklen mit einer Batterie gefahren werden, desto
weniger Kapazität stellt sie zur Verfügung. Die Bestimmung der Alterung erfolgte hierbei
über eine Messung des Innenwiderstands der Batterie.
17
Entladestrom bezogen auf die Zeit (s. auch 2.4.4 C-Rate (S. 18))
77 | S e i t e
6 Zusammenfassung
Da die Tests überwiegend bei konstanter Temperatur durchgeführt werden, wurde eine
Thermobox konstruiert und gefertigt, mit der die Batterietemperatur geregelt werden kann.
Ein
Lüfter
wurde
dabei
über
eine
Phasenanschnitt-Steuerung
vom
Prüfstand
drehzahlgeregelt und erzeugte somit verschiedene Kühlleistungen. Zur Überwachung der
Batterietemperatur wurden sowohl an der Batterie, als auch im Prüfcontainer
Temperatursensoren
installiert.
Da
die
Batterie
durch
Auseinanderdriften
der
Modulspannungen ebenfalls Schaden nehmen kann, wurden an jedem zweiten Modul
Spannungssensoren angebracht, die die Modulspannungen während des Betriebs
überwachen. Driften diese Spannungen zu weit auseinander wird der Versuch gestoppt.
Bei der Implementierung der Programme in die Prüfstands-Software PAtools ist stets
höchste Konzentration erforderlich, da oft einige Zeit verstreicht, bis feststeht, ob das
Prüfprogramm richtig implementiert wurde. Da bei der Programmierung die Anweisungen in
Ablauftabellen einzutragen waren, entfiel jedoch das Verfassen eines Quellcodes.
Ausgewertet wurden die Versuche mit Hilfe der Ingenieurssoftware MATLAB. Dabei wurden
die Daten aus den Ergebnisdateien eingelesen und verarbeitet. Da das Programm so
allgemein wie möglich gehalten wurde, musste zum Plotten einer Grafik nur noch der
entsprechende
Normname
eingegeben
werden.
Achsenbeschriftungen
und
Legendeneinträge wurden automatisch erzeugt. Bei der Auswertung der Wirkungsgrade in
Kapitel 5.1 Vollzyklus (S. 55) fiel auf, dass die NiMH-Batterie des Prius im Vergleich zu den
Literaturwerten deutlich bessere Werte erzielt. Der Wirkungsgrad ist jedoch bei NiMH- und
NiCd-Zellen stark vom Ladestrom abhängig. Die Fortschaltbedingungen der Lade- bzw.
Entladeperioden funktionieren einwandfrei. Auch das Moduldelta18 stieg beim Entladen mit
1C19 nicht über
V an. Die Auswertung des Versuchs „Detaillierte Kapazitätsmessung“ zeigt,
dass die entladene Kapazität bei höheren C-Raten sinkt. Grund hierfür ist der
Innenwiderstand der Batterie. Auch die Spannungsverläufe der Entladespannungen
verlaufen bei hohen C-Raten deutlich niedriger als bei kleinen. Wie zu erwarten nahm die
Selbstentladung mit der Lagerungszeit zu. Da die Messwerte in etwa der Wurzelfunktion
folgen, kann die Selbstentladung bei anderen Lagerungszeiten qualitativ vorausgesagt
werden. Bei NiMH-Batterien nimmt die Selbstentladung auch mit der Temperatur zu. Dieser
Sachverhalt wurde im Rahmen der Bachelorarbeit jedoch nicht weiter untersucht. In der
Auswertung des Programms „Zyklenfestigkeit“ wurde der SOH20 gegen die Zyklenzahl
18
Differenz zwischen der größten- und kleinsten Modulspannung
1C ist der Strom, den die Batterie konstant eine Stunde lang abgeben kann
20
engl.: State Of Health = Gesundheitszustand (s. auch 2.4.6 SOH (S. 19))
19
78 | S e i t e
6 Zusammenfassung
aufgetragen. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Alterung der Batterie mit der Zyklenzahl
zunimmt.
Das
Unterprogramm
„Sprungzyklus“
dient
der
Bestimmung
der
Leerlaufspannungskurven für den Fall der Ladung und Entladung. Diese Kurven werden im
weiteren Projektverlauf für eine Simulation gebraucht und dienen außerdem der
Begründung der Widerstandsverläufe.
Im Rahmen des Projekts AZE wird das Prüfprogramm für Lebensdauertests an einer
-Traktionsbatterie gebraucht. Dieser Batterietyp wird aufgrund seines geringen
Gewichts und der hohen Energiedichte die NiMH-Traktionsbatterien zunehmend ablösen
und ist daher politisch wie auch gesellschaftlich von großem Interesse. Allerdings macht der
hohe Preis den Käufern von Elektrostraßenfahrzeugen auf Lithiumtechnologie noch sehr zu
schaffen. Kostengünstige und damit auch einfache Modelle müssten daher schnell auf den
Markt kommen. Außerdem wäre es hilfreich, wenn der Staat Elektrostraßenfahrzeuge noch
mehr fördern würde, um bei den Kunden ein höheres Maß an Attraktivität zu erreichen.
Vielleicht schafft es das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi), den
Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität soweit voranzutreiben, dass bis 2020
tatsächlich eine Million Elektrostraßenfahrzeuge auf Deutschlands Straßen unterwegs sind.
Ich persönlich sehe dieses Ziel als etwas zu hoch gesteckt, da noch einiges an
Batterieforschung und Logistik notwendig ist. Zudem müsste das Streben nach einer
emissionsärmeren Zukunft noch stärker in das Bewusstsein der Menschen gelangen.
Bestimmt ist es aber – unter anderem auch durch diese Bachelorarbeit – nicht unmöglich,
diesen Meilenstein zu erreichen.
Als Student der Physikalischen Technik hat mich das Thema dieser Arbeit besonders
angesprochen, da Batterietechnik nicht zum Inhalt des Studiums zählt und ich die Physik des
Energiespeichers der Zukunft für außerordentlich bedeutend halte.
„Es ist keine Schande, nichts zu wissen,
wohl aber, nichts lernen zu wollen.“
SOKRATES
79 | S e i t e
7 Literaturverzeichnis
7 Literaturverzeichnis
[1] Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. (2011, Juli) Analysezentrum
Elektromobilität (AZE). [Online]. http://www.ffe.de/die-themen/mobilitaet/262
[2] Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi), Nationaler
Entwicklungsplan Elektromobilität der Bundesregierung. Deutschland, 2009.
[3] Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi). (2011, Juli)
Elektromobilität. [Online].
http://www.bmwi.de/BMWi/Navigation/Wirtschaft/Industrie/elektromobilitaet,did=3
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[4] Andreas Jossen and Wolfgang Weydanz, Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen, 1st
ed. München: Inge Reichardt Verlag, 2006.
[5] GP International Ltd., Technical Hand Book of Nickel Metal Hydride Batteries. Hong
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[6] David Linden and Thomas B. Reddy, Handbook of Batteries, 3rd ed. New York:
McGraw-Hill Companies Inc., 1995.
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[15] KRATZER Automation AG, DC-Spannungsversorgung, Messtechnik und Automatisierung
für einen Batterieprüfstand. München, Unterschleissheim, 2009.
[16] Prius Wiki. (2011, Juli) Prius. [Online].
http://www.priuswiki.de/wiki/Prius#Prius_NHW30_.28Prius_III.29
[17] Casa Fan Ventilatoren, Casa Fan Scilent Tube Datenblatt., 2011.
[18] RoboterNETZ - Roboter, Elektronik, Microcontroller. (2011, Juli) Regelungstechnik RNWissen. [Online]. http://www.rn-wissen.de/index.php/Regelungstechnik
[19] EUCAR Traction Battery Working Group, Specification of Test Procedures for High
Voltage Hybrid Electric Vehicle Traction Batteries - High Voltage HEV Traction Battery
Test Procedure. Brussels, Belgien, 2003.
[20] Ludwig Retzbach, Akkus und Ladetechniken. Poing, Bayern: Franzis Verlag GmbH, 2008.
81 | S e i t e
8 Anhang
Anhang1: Versuchsaufbau
Anhang
82 | S e i t e
Anhang2: Datenblatt des Toyota Prius NHW20
Anhang
83 | S e i t e
Anhang
Anhang3: Ablauftabelle Vollzyklus (oben) und Fortschaltbedingung Entladen (unten)
84 | S e i t e
Anhang4: Widerstandsverläufe vor- und nach dem Lebensdauertest
Anhang
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Erklärung
Erklärung
Hiermit erkläre ich gemäß §31 Abs. 4 der Rahmenprüfungsordnung, dass ich die vorliegende
Arbeit mit dem Titel „Planung und praktische Umsetzung eines Prüfkonzepts zur
messtechnischen Erfassung batteriespezifischer Kenngrößen“ selbstständig verfasst, noch
nicht anderweitig für Prüfungszwecke vorgelegt, keine anderen als die angegebenen Quellen
oder Hilfsmittel benutzt sowie wörtliche und sinngemäße Zitate als solche gekennzeichnet
habe.
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Ort, Datum
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Unterschrift