Fehler - TU Clausthal/IEE

Fehler
Was passiert bei Fehlern in der Batterie?
1. Unzulässiger Strompfad – Isolationswiderstand
2. Kurzschluss
3. Temperaturunterschiede der Zellen
27. 1. 2007
Dr. Heinz Wenzl – Beratung für Batterien und Energietechnik; Am Bergwäldchen 27, 37520 Osterode; [email protected]
Auswirkungen von Fehlern
Ladegerät
Lasten
Zellverbinder
Interzellverbinder
+
Spannungsmessung
Polbrücke
und Pol
Spannungsmessung
4,2 V
2,1 V
2,1 V
0V
Elektrolyt
2,1 V
2,5 V
Zelle 1
Zelle 2
Block 1
2,1 V
0,4 V
Zelle 3
Zelle 4
Block 2
Spannungswerte: Ca. Werte für "stromlosen" Zustand
1. Welche Fehler können entstehen
2. Was passiert bei welchen Fehlern
3. Unterschiede zwischen Ladung und Entladung
4. Unterschiede zwischen Konstantstrom- und Konstantspannungsladung
27. 1. 2007
Dr. Heinz Wenzl – Beratung für Batterien und Energietechnik; Am Bergwäldchen 27, 37520 Osterode; [email protected]
Polarisationswiderstand
(Überspannung)
Elektrolyt- und
Elektrodenwiderstand
Spannungsquelle
Datum: 07.01.2003
Fehler
Unzulässiger Strompfad
Isolationswiderstand gegen andere Teile der Anlage ist zu gering (<100 Ohm/V)
bzw. Kurzschluss gegen Anlagenteile oder zwischen Zellen
1. Bei ungeerdeten Anlagenteilen:
Strom- und Spannungsverlauf bei Berührung erfolgt wie beim Laden eines
Kondensators!
2. Bei geerdeten Anlagenteilen und freier Batteriespannung:
Potential der Batterie wird festgelegt, Strom- und Spannungsverlauf an der Kontaktstelle
wie beim Laden eines Kondensators aber ggf. Kurzschlüsse in angeschlossenen Geräten
3. Bei geerdeten Anlagenteilen und festgelegter Batteriespannung:
I = V/R, Spannung ist vom Fehlerort abhängig, Leistung P = I²R (kann zu langsamen
Absinken des Widerstands mit entsprechenden Folgen (Entladung, Feuer, etc.) führen.
4. Kurzschluss zwischen Zellen
I = V/R, Spannung ist von der Zahl der Zellen abhängig.
Im echten Kurzschlussfall können mehrere 1000 A für einige Sekunden fließen und einen
Brand auslösen
(Leistungsabgabe einer üblichen Starterbatterie deutlich über 2 kW für mindestens 10
Sekunden)
27. 1. 2007
Dr. Heinz Wenzl – Beratung für Batterien und Energietechnik; Am Bergwäldchen 27, 37520 Osterode; [email protected]
Fehler
Unzulässiger Strompfad – Messmethoden und Schutz
1. Isolationswiderstand: Batterieoberfläche muss sauber und trocken sein!
2. Isolierte Werkzeuge, Bediener isoliert gegen Umgebung (Schutzkleidung)
3. Gleichstromsicherungen
Nur wenn Batterie nicht für Hochstromanwendungen wie z.B. dem Starten
von Motoren benutzt wird.
4. Vergleich der Zellenspannungen untereinander:
Die Entladung einer Zelle mit dem Strom I führt zu den aus den
Entladekennkurven bekannten Entladespannungen. Fehler wird erst
angezeigt, wenn die mindestens Spannungsabweichung 100 mV x √n
beträgt. Die Fehlererkennung ist somit abhängig von der
Ladeerhaltungsspannung: Bei 2,4 V/Zelle viel einfacher als be 2,23 V/Zelle!
27. 1. 2007
Dr. Heinz Wenzl – Beratung für Batterien und Energietechnik; Am Bergwäldchen 27, 37520 Osterode; [email protected]
Fehler
Kurzschluss
Kurzschluss in einer Zelle
1. Hochohmiger Kurzschluss:
Zelle wird entladen und von außen messbare Spannung sinkt!
2. Niederohmiger Kurzschluss
Es fließen sehr hohe Ströme (I = 2V/R)!! :
Zelle wird entladen, von außen messbare Spannung 0V.
Kurzschluss über dem Elektrolytspiegel: Akute Explosionsgefahr
Kurzschluss unter dem Elektrolytspiegel: Die während des Kurzschlussfalles entstehende
Leistung kann ggf. den Kurzschluss "wegbrennen". Explosionsgefahr nicht vorhanden,
weil "kein" Wasserstoff vorhanden ist
Ladegerät/Last RL
Kurzschluss RK
NR
Zelle
27. 1. 2007
HR
1. Entladung:
Aufteilung der Ströme im Verhältnis der
Widerstände, Gesamtstrom entsprechend V/R
mit R = RLRK/(RL+RK), ohne Berücksichtigung
des Innenwiderstands der Zelle;
2. Konstantspannungsladung
Zelle bleibt geladen, Strom steigt
3. Konstantstromladung
Zelle wird nicht richtig geladen bzw. entlädt sich
je nach Verteilung der Ströme bzw. Verhältnis
der Widerstände
Dr. Heinz Wenzl – Beratung für Batterien und Energietechnik; Am Bergwäldchen 27, 37520 Osterode; [email protected]
Fehler
Auswirkung eines Zellenkurzschlusses auf die anderen Zellen des
Batteriestrangs
Entladung
1. Zelle wird zusätzlich mit einem Strom von V/R (V ~ 2V) entladen
2. Die Zelle ist schneller entladen, so dass die Batteriespannung am Ende
schneller abfällt (kaum merklich, wenn die Nennspannung hoch ist, es sei denn
es wird eine Überwachung auf 2 V Sprünge durchgeführt).
3. Erhöhung der Temperatur um die vom Kurzschluss verbrauchten Leistung
während der gesamten Entladezeit.
27. 1. 2007
Dr. Heinz Wenzl – Beratung für Batterien und Energietechnik; Am Bergwäldchen 27, 37520 Osterode; [email protected]
Fehler
Auswirkung eines Zellenkurzschlusses auf die anderen Zellen des
Batteriestrangs
Konstantspannungsladung
Spannung der Zelle mit Kurzschluss RK verringert sich, weil der insgesamt fließende7
Strom IBatterie sich auf den Kurzschluss und die spannungsbildende Reaktion so verteilt,
dass die beiden Spannungen der Strompfade in der Zelle gleich sind (Kirchhoffsche
Gesetze).
Spannungsbildende Reaktion (Butler-Vollmer):
Zelle mit Kurzschluss:
IBatterie – IK = Io x exp[k(IKRK – Eo)]
Zellen ohne Kurzschluss:
IBatterie = Io x exp[k(E – Eo)]
Spannungsdifferenz: ΔV = E - IKRK
Auswirkungen
1. Diese Spannungsdifferenz verteilt sich gleichmäßig auf alle anderen Zellen und
erhöht deren Einzelspannung entsprechend und als Folge auch den Batteriestrom,
wodurch sich wiederum die Temperatur dieser Zellen erhöht. Wie verändert sich die
Temperatur der kurzgeschlossenen Zelle unter Berücksichtigung der reversiblen
Wärmeeffekte?????
2. Während der Ladung vom entladenen Zustand aus ist der Strom bei gleicher
Gesamtspannung der Batterie höher, die Zellen ohne Kurzschluss werden dadurch
schneller vollgeladen, die kurzgeschlossene Batterie dagegen wird langsamer
geladen. Die Volladung dauert lang, sofern die kurzgeschlossene Batterie überhaupt
7
vollgeladen werden kann (IBatterie – IK muss größer als der Selbstendladestrom sein).
27. 1. 2007
Dr. Heinz Wenzl – Beratung für Batterien und Energietechnik; Am Bergwäldchen 27, 37520 Osterode; [email protected]
Fehler
Auswirkung eines Zellenkurzschlusses auf die anderen Zellen des
Batteriestrangs
Konstantstromladung
Die Aufteilung des Stroms in der Zelle mit Kurzschluss auf die spannungsbildende Reaktion
und den Kurzschluss ist wie bei der Konstantspannungsladung.
Auswirkungen:
1. Weil der Strom eingeprägt ist, gibt es keine direkten Auswirkungen auf die Zellen
ohne Kurzschluss, die wie üblich geladen werden. Da die Gesamtspannung der
Batterie aber sinkt, wird die Spannungsgrenze zum Umschalten auf eine
Konstantspannungsladung später erreicht wird. Die Zellen mit normaler Temperatur
werden dadurch mit dem Ladestrom noch bei höheren Einzelspannungen betrieben,
die Gasung steigt und ihre Temperatur nimmt schnell zu. Die Zellen werden dadurch
mit Auswirkung auf die Lebensdauer belastet.
2. Der Zelle mit Kurzschluss steht ein deutlich geringerer Strom (geringer als bei einer
Konstantspannungsladung) zum Laden der aktiven Massen zur Verfügung. Das
Risiko, dass die Zelle überhaupt vollgeladen wird, steigt.
3. Ist die Erwärmung der kurzgeschlossenen Zelle wegen des Kurschlusses höher oder
ist sie wegen der geringeren Spannung niedriger?
27. 1. 2007
Dr. Heinz Wenzl – Beratung für Batterien und Energietechnik; Am Bergwäldchen 27, 37520 Osterode; [email protected]
Fehler
Kurzschluss
Elektrolytkurzschluss zwischen zwei benachbarten Zellen
1. Spannungsdifferenz entspricht Zellspannung
2. Widerstand hängt von den Dimensionen der Elektrolytverbindung ab: Abstand
zwischen den beiden Elektroden in den benachbarten Zellen und Querschnitt des
Elektrolyten (Benetzungsschicht und Riß in Zwischenwand oberhalb des
Elektrolytstandes oder Loch in Zwischenwand unterhalb des Elektrolytstandes)
3. Wirkung hängt von Kontakt des Elektrolyten mit Interzellverbinder ab.
Elektrolyt
1. Elektrolytwiderstand wirkt wie Kurzschluss
zwischen zwei Elektroden – allerdings
Elektroden benachbarter Zellen
27. 1. 2007
2. Zusätzlich: Hohe Korrosionsspannung am
Interzellverbinder, wenn die Elektrolytbrücke in
Kontakt mit dem Interzellverbinder steht.
Wenn Interzellverbinder unter Belastung bricht,
dann kann das im explosionsgefährdeten
Bereich der Zelle sein und einen Lichtbogen
verursachen!
Dr. Heinz Wenzl – Beratung für Batterien und Energietechnik; Am Bergwäldchen 27, 37520 Osterode; [email protected]
Fehler
Auswirkung eines "hochohmigen" Fehlers in einer Zelle bzw. zwischen den
Zellen, Batterieverbindern etc. – kein unterschiedliches Ersatzschaltbild, weil
der zusätzliche Widerstand immer in Reihe ist.
Lasten
Zellverbinder
Interzellverbinder
+
-
Elektrolyt
Polbrücke
und Pol
Zelle 1
Zelle 2
Zelle 3
Zelle 4
Datum: 07.01.2003
27. 1. 2007
Dr. Heinz Wenzl – Beratung für Batterien und Energietechnik; Am Bergwäldchen 27, 37520 Osterode; [email protected]
Fehler
Entladung
Spannung wird um den Faktor IRZusatz vermindert, im Zusatzwiderstand wird die Leistung
I²RZusatz in Zusatzwärme umgewandelt.
Spezialfall Hochstromentladung beim Starten
1. Widerstand des Startermotor RStarter: Ca.10 mOhm, entsprechend 1000A
2. Hoher Strom kann nur fließen wenn RZusatz und RStarter zusammen klein sind.
3. Verteilung des Spannungsabfalls über RStarter und RZusatz ist im Verhältnis der
Widerstände.
4. Startleistung sinkt entsprechend
5. Wenn RZusatz innerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs ist, dann werden dort
während der Hochstromentladung sentsprechend hohe Spannungen erzeugt.
Einfache Fehlererkennung durch Messen des Spannungsabfalls und des Stroms bei
Hochstromentladungen.
Konstantstromladung
Keine Veränderungen bzgl. der Ladung. Die extern angelegte Spannung des
Ladegeräts muss steigen und über den Zusatzwiderstand wird Wärme erzeugt. Diese
erwärmt die Zellen in der unmittelbaren Umgebung und beeinflusst sie indirekt.
27. 1. 2007
Dr. Heinz Wenzl – Beratung für Batterien und Energietechnik; Am Bergwäldchen 27, 37520 Osterode; [email protected]
Fehler
Konstantspannungsladung
Ladespannung der Zellen wird um den Faktor IRZusatz vermindert, die Differenz teilt sich auf
alle Zellen gleichermaßen auf. Im Zusatzwiderstand wird die Leistung I²RZusatz in
Zusatzwärme umgewandelt.
1. Zu Beginn einer Konstantspannungsladung nach Konstantstromladung haben die
Zellen einen niedrigeren Ladezustand.
2. Der Spannungsabfall über den Zusatzwiderstand wird immer geringer, wenn der
Ladestrom in der Konstantspannungsladung sinkt.
3. Unter ungünstigen Bedingungen reicht der Ladestrom nicht mehr aus, um die
Zellen vollzuladen und die Selbstentladung zu kompensieren..
Einfache Fehlererkennung durch Vergleich der Spannungen in zwei Batteriehälften bzw.
Überprüfen, dass mindestens ein Strom von XmA/100Ah fließt.
Die Überprüfung der Spannung alleine ist nicht aussagekräftig, weil sie lediglich die
Funktion des Ladegeräts überprüft.
Berücksichtigung des Widerstands der Ladekabel!
27. 1. 2007
Dr. Heinz Wenzl – Beratung für Batterien und Energietechnik; Am Bergwäldchen 27, 37520 Osterode; [email protected]
Fehler
Einfluss unterschiedlicher Temperaturen
Abhängigkeit von der Temperatur:
1. Elektrolytwiderstand: Bei sehr tiefen Temperaturen wie ein Zusatzwiderstand mit
entsprechenden Wirkungen je nach Konstantstrom- oder Konstantspannungsladung.
2. Ruhespannung: Vernachlässigbar
3. Alle anderen ohmschen Widerstände: vernachlässigbar
4. Überspannung gemäß Butler-Vollmer-Gleichung: Entscheidender Term
27. 1. 2007
Dr. Heinz Wenzl – Beratung für Batterien und Energietechnik; Am Bergwäldchen 27, 37520 Osterode; [email protected]
Fehler
Butler Volmer Gleichung:
I = io ( exp(αnF/RT)(E-Eo) – exp (-(1- α)nF/RT)(E-Eo))
Bei Vernachlässigung ohmscher Effekte entspricht E – Eo der Abweichung der
Klemmenspannung von der Ruhespannungl Diese Vernachlässigung kann bei kleinen
Strömen (Ladeerhaltung) gemacht werden.
Austauschstrom io = nF x A x c x k
nF: Umrechnungsfaktor von Coulumb/Sekunde auf Mole/Sekunde
A: Reaktionsfläche
c: Konzentration der Reaktanden (cA x cB x cC x cD)
k: Reaktionskonstante
Bei einer Temperaturerhöhung um 10 K verdoppelt sich die Reaktionskonstante
(Arheniussches Gesetz) und damit die Austauschstromdichte.
Der Term im Exponenten verringert sich bei einer Temperaturerhöhung je nachdem wie
hoch die anderen Faktoren sind.
1. Für eine bestimmte Batterie (n = konstant) verringert sich der Term in Abhängigkeit
von der Spannungsabweichung vom Ruhezustand.
2. Bei Änderung der betrachteten Reaktion (z.B. Hauptreaktion, n = 2, Nebenreaktion
n =4) verringert sich der Term auch bei konstanter Spannungsabweichung vom
Ruhezustand unterschiedlich.
Wirkung der Reaktionskonstante überwiegt bei kleinen Spannungsabweichungen!
27. 1. 2007
Dr. Heinz Wenzl – Beratung für Batterien und Energietechnik; Am Bergwäldchen 27, 37520 Osterode; [email protected]
Fehler
Auswirkung, wenn eine Zelle eine unterschiedliche Temperatur hat
Konstantspannungsladung:
Weil die Spannungslage der Zellen mit Normaltemperatur höher ist, muss auch der Strom
höher sein. Dies führt zu einer schnelleren Ladung aber auch höheren Überladung,
größerer Gasung und schnellerer Temperaturzunahme.
Die Zelle mit erhöhter Temperatur erfährt einen höheren Ladestrom, der aber
überwiegend in die Nebenreaktion fließt, so dass die Volladung im Vergleich zu den
anderen Zellen langsamer wird. Unter bestimmten Bedingungen ist trotz höherem
Batteriestrom keine Volladung mehr möglich.
Konsequenz
1. Zellen mit normaler Temperatur werden überladen und erleiden dadurch eine
Schädigung, insbesondere auch wegen der höheren Wärmeentwicklung
2. Zelle mit höherer Temperatur wird ggf. nicht mehr vollgeladen, hat einen höheren
Wasserverlust und wird neben der Temperatur durch die hohe Gasungsrate
geschädigt.
27. 1. 2007
Dr. Heinz Wenzl – Beratung für Batterien und Energietechnik; Am Bergwäldchen 27, 37520 Osterode; [email protected]
Fehler
Auswirkung, wenn eine Zelle eine unterschiedliche Temperatur hat
Konstantstromladung:
Die Spannungslage der Zellen mit Normaltemperatur bleibt erhalten, außer der
Auswirkung einer davor liegenden Konstantspannungsladung gibt es keine
Auswirkungen.
Die Zelle mit erhöhter Temperatur erhält den gleichen Ladestrom wie alle anderen Zellen.
Der Ladestrom fließt aber überwiegend in die Nebenreaktion, so dass die Volladung im
Vergleich zu den anderen Zellen viel langsamer wird. Unter bestimmten Bedingungen ist
keine Volladung mehr möglich.
Konsequenz
1. Zelle mit höherer Temperatur wird ggf. nicht mehr vollgeladen, hat deshalb einen
höheren Wasserverlust und wird neben der Temperatur durch die hohe Gasungsrate
geschädigt.
27. 1. 2007
Dr. Heinz Wenzl – Beratung für Batterien und Energietechnik; Am Bergwäldchen 27, 37520 Osterode; [email protected]
Fehler
Andere Temperatur, Zellenkurzschluss oder hochohmiger Fehler
Eine Zelle
Andere Zellen im Verbund
Kurzschluss
Konstantstrom
Spannung sinkt, weil der Strom für
die Ladereaktionen geringer wird.
Risiko einer Mangelladung
Keine direkten Auswirkung auf die anderen Zellen; ggf.
indirekte Wirkung weil Spannungsgrenzwert später
erreicht wird (mehr Gasung, höhere Temperatur)
Kurzschluss
Konstantspannung
Strom steigt, weil zwei Strompfade
parallel sind. Temperatur steigt
wegen der höheren Verlustleistungen
Spannung der betroffenen Zelle niedriger, Spannung
der anderen Zellen höher und damit auch der gesamte
Batteriestrom. Risiko einer Mangelladung der
kurzgeschlossenen Zelle bleibt trotz höherem
Batteriestrom erhalten.
Hochohmiger Fehler
Konstantstrom
Spannung steigt, aber keine
Auswirkung auf Ladezustand der
Zelle
Keine direkte Auswirkung auf die anderen Zellen,
allerdings wird Spannungsgrenzwert früher erreicht
und Ladung dauert länger
Hochohmiger Fehler
Konstantspannung
Strom sinkt, Gefahr einer Mangelladung
Spannung aller Zellen sinkt um den gleichen Betrag,
Gefahr von Mangelladung aller Zellen
Temperatur zu hoch
Konstantstrom
Spannung sinkt, Nebenreaktionen
nehmen zu, Gefahr einer
Mangelladung
Keine Auswirkung
Temperatur zu hoch
Konstantspannung
Strom steigt, trotzdem Gefahr einer
Mangelladung
Spannung der anderen Zellen steigt wegen des
höheren Stroms, Spannung der betroffenen Zelle sinkt.
Das Risiko einer Mangelladung der zu warmen Zelle
steigt
Temperatur zu niedrig
Konstantstrom
Spannung steigt, Nebenreaktionen
nehmen ab
Keine Auswirkung
Temperatur zu niedrig
Konstantspannung
Strom sinkt, Gefahr einer
Mangelladung
Spannung der betroffenen Zelle steigt und Spannung
anderen Zellen im Verbund sinkt somit. Wegen des
geringeren Stroms langsamere Ladung.
27. 1. 2007
Dr. Heinz Wenzl – Beratung für Batterien und Energietechnik; Am Bergwäldchen 27, 37520 Osterode; [email protected]
Prüfungsvorbereitung
Was muss man für die Prüfung wissen!
Fähigkeit,
• Ersatzschaltbilder aufzuzeichnen, die der jeweiligen Problematik
angepasst sind,
• das Verhalten der Komponenten des Ersatzschalbildes in
Abhängigkeit von Stromrichtung, Ladezustand und Alterung
darzulegen und
• alle Effekte zusammen zu führen und damit die Eigenschaften unter
beliebigen Bedingungen zu beschreiben.
27. 1. 2007
Dr. Heinz Wenzl – Beratung für Batterien und Energietechnik; Am Bergwäldchen 27, 37520 Osterode; [email protected]
Ersatzschaltbild von Batterien
Ersatzschaltbild mit allen aktiven Elementen
Batterie: Spannungsquelle mit „variablem Innenwiderstand“
Last
Entladen
Gitter und Pole
Gitter und Pole
Dr. Heinz Wenzl – Beratung für Batterien und Energietechnik; Am Bergwäldchen 27, 37520 Osterode; [email protected]
Übergangswiderstand
27. 1. 2007
Aktive Masse
Polarisationsüberspannung
Spannungsquelle (negativ)
Elektrolyt
Spannungsquelle (positiv)
Polarisationsüberspannung
Aktive Masse
Übergangswiderstand
Zusätzliche Übergangswiderstände
bei verschlossenen Batterien