Elektrofahrzeuge (E-Fahrzeuge) und Hybridfahrzeuge stellen nun eine echte Alternative zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren dar. Jetzt muss nur noch der Strom grüner werden
Das Haus der Technik bietet zahlreiche Seminare und Tagungen zur Weiterbildung im Bereich E-Fahrzeug, Elektromobilität und Batterietechnik an:
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Besonders die Tagung Advanced Battery Powe r und der Batterietag NRW ziehen jedes Jahr mehr als 750 Teilnehmer nach Münster bzw. Aachen.hier .
Ganz neu íst das Thema Umgang mit Hochvoltfahrzeugen bei Rettungsarbeiten .
Elektromobilität meint die Nutzung von Elektrofahrzeugen für die unterschiedlichen Verkehrsbedürfnisse. „Elektromobil“ sind wir bereits seit fast zweihundert Jahren mit der Eisenbahn und der Straßenbahn. Heute sprechen wir von Elektromobilität, wenn wir die Nutzung von Fahrzeugen (Elektroauto) mit elektrischem Antrieb (Elektromotor) beschreiben. Neben dem rein elektrischen Fahrbetrieb kommen auch Mischformen mit Hybridantrieb in Frage. Elektromobilität hat also wesentliche Auswirkungen auf die technischen, fahrzeugbezogenen Aspekte unserer Fahrzeuge. Als Elektroauto (E-Auto) wird ein durch einen Elektromotor angetriebenes Auto bezeichnet. Auch Wasserstoffautos sind Elektrofahrzeuge. Aufgrund der schlechten Wirkungsgrade bei der Herstellung wird die Wasserstoffantrieb zuerst bei schweren Fahrzeugen (LKW) bzw. Schiffen eine wichtige Rolle spielen. Falls grüner Strom im Übermaß vorliegt, kommt auch der Wasserstoffantrieb schnellen. In den letzten Jahren erfährt das Elektroauto wieder gesteigerte Aufmerksamkeit. Elektroautos werden vor allem nach dem Konzept kategorisiert und benannt, wie dem Elektroantrieb die notwendige elektrische Energie zur Verfügung gestellt wird. Fast immer wird die Antriebsenergie in Form von aufladbaren Akkumulatoren im Fahrzeug mitgeführt.
Für Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge und elektrische Antriebssysteme sind Energiespeicher eine zentrale Komponente in Bezug auf Kosten, Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit. Ein grundlegendes Verständnis über Batterietechnologien, Super-Caps und Brennstoffzellen sowie Managementsysteme und Simulationsmodelle ist die Grundlage für erfolgreiche Produktentwicklungen. Die Anforderungen an Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit des elektrischen Bordnetzes von modernen Autos steigen kontinuierlich. Im Gesamtkonzept spielt der Speicher für elektrische Energie die zentrale Rolle. Während vollelektrische Konzepte immer stärker an Bedeutung gewinnen (besonders Dank der strengeren weltweiten Umweltauflagen hinsichtlich CO2 Flottenverbrauch) ergeben sich durch teil- und vollhybride Antriebssysteme ebenfalls neue Anforderungen für die Energiespeicher.
Der Klimawandel hat die Mobilität mit Personenkraftfahrzeugen in einen massiven Umbruch getrieben. Die Verringerung des Energieverbrauchs und die Verringerung von Kohlenstoffdioxid-Emissionen haben für zukünftige Verkehrskonzepte eine immense Bedeutung erlangt. Neue Mobilitätskonzepte für die Urbanisierung und geänderte Nutzungsprofile finden große Beachtung in der Öffentlichkeit. Die Elektromobilität ist das beherrschende Thema in der Diskussion um die Zukunft der Mobilität in Ballungsgebieten, der Ausrichtung der Automobilindustrie und der Energiewirtschaft. Das Interesse an und die Bereitschaft zur Nutzung von flexiblen Geschäftsmodellen für Mobilität in der Bevölkerung der Großstädte haben laut neuesten Studien einen Anteil von bis zu 80 % erreicht. Die Voraussetzungen für den Kauf von Hybrid- oder Elektrofahrzeugen sind primär mit den Erwartungen verbunden, dass diese Fahrzeuge insgesamt günstiger sind als solche mit herkömmlichen Antrieben. Weitere Voraussetzungen sind eine ausreichende Verfügbarkeit von Ladestationen, eine größere Reichweite als heute und vergleichbare Standards zu heutigen herkömmlichen Fahrzeugen hinsichtlich Komfort und Sicherheit. Dabei nehmen die Kunden durchaus höhere Anschaffungskosten für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge in Kauf, erwarten aber in Summe eine günstigere Bilanz durch Kostenvorteile, etwa in Bezug auf geringere Betriebs- und Energiekosten.
Das Haus der Technik bündelt auf dieser Seite seine Seminare zum Thema Batterie. Bereits seit vielen Jahren zählt das Haus der Technik mit seinem Seminarangebot im Bereich Batterietechnik zur ersten Adresse in Deutschland. Besonderen Wert wurde dabei immer auf einen hohen Praxisbezug gelegt. Für die weitere Elektrifizierung des KFZ sind Batterien und damit die Entscheidung mit welcher Spannung das zukünftige Bordnetz versorgt (12V oder 48V) wird, von entscheidender Bedeutung. Aber auch für die weitere Entwicklung der Elektrofahrzeuge ist die Verbesserung der Kapazität und die Reduzierung der Kosten ganz wesentlich. Egal ob sie Basiswissen zur Batterie suchen oder aber bereits sehr im Detail sich auskennen, bei uns finden sie stets das richtige Seminar. Holen Sie sich Batterie Know-how bei unseren Batterieseminaren (auch als Webseminare online).
Hier die Vorteile auf einen Blick:
seit mehr als 30 Jahren Erfahrung im Bereich Batterietechnik erfahrene Referenten aus der Praxis positives Feedback der anderen Seminarteilnehmer speziale Angebote für Einsteiger und für Fortgeschrittene Praxisseminare mit Besichtigung eines der führenden Batterieforschungszentren, dem ISEA in Aachen und dem MEET in Münster. Kooperation mit den wichtigsten Partnern aus der Batterieforschung in Deutschland Ausrichter der größten Batterietagung in Deutschland, der Tagung Kraftwerk Batterie (www.battery-power.eu) Spezialangebote wie Impedanzspektroskopie an Batterien, Simulation in der Batterietechnik, Lithium Schwefel Batterie u. a. Batterie Know-how Im allgemeinen Sprachgebrauch werden auch Einzelzellen als Batterie bezeichnet. Physikalisch werden Batterietypen in Primärelemente und Sekundärelemente unterschieden. Primärelemente nutzen die Erscheinung der Redoxreaktion und sind nach Ablauf der inneren chemischen Reaktion, bei der die elektrische Energie frei-gesetzt wird, prinzipiell nicht wiederaufladbar. Eine wiederaufladbare Batterie ist ein "Sekundärelement" und wird üblicherweise als Akku (von Akkumulator) bezeichnet. Industriell sehr wichtig sind die Bleiakkumulatoren, die in Autos verwendet werden. Die Einsatzfelder von Batterien wachsen ständig. Die steigenden Anforderungen von Computern und Maschinen an die Qualität der Stromversorgung, die potentiell riesigen Kosten beim Ausfall von Stromversorgungen und die Markteinführung von Hybridfahrzeugen mit elektrischem Zusatzantrieb lassen ein weiteres überdurchschnittliches Wachstum erwarten. Außerdem steigt die Zahl batterie-gestützter autonomer Energiesysteme auf Basis erneuerbarer Energiequellen weiter an. Die durch frühzeitigen oder unerwarteten Ausfall von Batterien verursachten Folgekosten und Kosten der Ersatzbeschaffung sind hoch. Bleibatterien sind in industriellen Anwendungen mengen- und umsatzmäßig führend.
Wiederaufladbare Lithium-Batterien setzen sich aufgrund ihrer hohen spezifischen Energie und der auch hohen spezifischen Leistungen im Bereich mobiler Anwendungen immer mehr durch. Durch die Verwendung verschiedener Materialien können die Eigenschaften in einem weiten Bereich verändert werden. Hierdurch werden Lithium-Batterien immer weiter optimiert und es ist davon auszugehen, dass sie in den nächsten zwei Jahren auch zunehmend im Automobil zum Einsatz kommen. Wirkungsgrad
Im Allgemeinen wird der Wirkungsgrad einer Energieumwandlung bzw. –speicherung immer als Quotient von verfügbarer und gespeicherter Energie angegeben. Bei Batterien unterscheidet man den coulombschen (η_(Ah)), den voltaischen (η_U) und den energetischen Wirkungsgrad. (η_(Wh)) (1)
Treten zusätzliche Nebenreaktionen wie interne Kurzschlüsse (auch Mikrokurz-schlüsse genannt) oder eine Zunahme der Gasungsreaktionen, die ein Abfließen des Stroms verursachen, auf, so sinkt der coulombsche Wirkungsgrad. Er berücksichtigt jedoch keine Spannungsverluste, welche beispielsweise durch den ohmschen Innenwiderstand oder die Durchtrittsspannung verursacht werden. (2)
Der energetische Wirkungsgrad (η_(Wh)) hingegen bezieht sich auf den Quotienten von entnehmbarer und geladener Energie, falls diese Größen in Wattstunden angegeben sind.
Je kleiner der Wirkungsgrad wird, desto ineffizienter arbeitet die Batterie und desto mehr Wärme wird emittiert. Dies hat zur Folge, dass eine aufwändigere Kühlung gewährleistet werden muss und die spezifischen Kosten der Batterie ansteigen. (1) Da die Batterie-Charakteristiken nicht linear ablaufen sind die beiden Wirkungsgrade nicht identisch. (3)
Der Ladefaktor ist ein dimensionsloser Wert, welcher den Wirkungsgrad beim La-den einer Batterie darstellt. (4)
Der voltaische Wirkungsgrad, oder auch Spannungswirkungsgrad genannt, berücksichtigt ausschließlich die auftretenden Spannungsverluste in der Batterie. (2) An der Veränderung des Wirkungsgrades kann abgelesen werden, wie sich die Leistungsfähigkeit der Batterie über die Zeit verändert. (1)
Abhängigkeit des Wirkungsgrades
Im Allgemeinen kann man sagen, dass der Wirkungsgrad immer abhängig von der Spannungslage, dem verwendeten Ladeverfahren sowie dem Entladestrom ist. Durch beispielsweise höhere Stromstärken, tiefere Temperaturen oder zunehmen-dem Alter der Batterie werden größere Ohmsche Verluste in der Batterie bewirkt. Aus diesem Grund werden bei der Entladung niedrigere und bei der Aufladung höhere Spannungswerte erzielt, welche zu einer Abnahme des Wirkungsgrads führe. (1) (2)
Literaturverzeichnis
Theoretische und praktische Energiedichte
Die Energiedichte ist ein Maß für die in einer Batterie oder Zelle gespeicherten Energiemenge. Sie ist ein bedeutsames und zentrales Bewertungskriterium für elektrochemische Energiespeicher, insbesondere für den mobilen Einsatz wie bei Elektrofahrzeugen oder Laptopakkumulatoren, da sie Gewicht und Volumen der einzusetzenden Batterie wesentlich beeinflusst. Es wird die volumetrische und die gravimetrische Energiedichte unterschieden. (1) (2)Theoretische Energiedichte
Es existiert ein theoretischer maximaler Grenzwert für die Energiedichte, der durch die Potentialdifferenz und die maximal in einem Molekül bzw. Atom speicherbare Ladungsmenge bestimmt wird. Jedes Molekül bzw. Atom kann nur eine begrenzte Anzahl an Elektronen, also Elementarladungen, aufnehmen. Die theoretische Obergrenze der Energiedichte definiert sich demnach aus dem Produkt von der Lademenge, bestimmt durch das Produkt von Anzahl n an Elementarladungen und der Elementarladung selbst, pro Molekül und der Spannung. Das Ergebnis wird dann in Verhältnis zu dem Gewicht des entsprechenden Moleküls gesetzt. Dieses Verhältnis ergibt genau die spezifische gravimetrische Energiedichte. (3)
In der Praxis kann jedoch dieser theoretische Maximalwert nicht erreicht werden, sondern die tatsächliche praktische Energiedichte ist deutlich geringer. Begründet werden kann dies dadurch, dass zu dem eigentlichen Gewicht des Materials zusätzlich das Gewicht bzw. Volumen der passiven Materialien, wie Stromsammler, Elektrolyt, Separator, Gehäuse usw. aufaddiert werden muss. Diese passiven Materialien tragen zwar zum Gewicht bzw. Volumen der Batterie bei, jedoch nicht zur eigentlichen Energiespeicherung. Außerdem wird in der Regel nur ca. 50% der ge-samten Aktivmasse für die eigentliche Energiespeicherung verwendet. Der restliche Anteil wird als Matrix benötigt. Eine Faustformel zur Bestimmung der praktischen Energiedichte besagt, dass diese im Durchschnitt ungefähr ein Drittel der theoretischen Energiedichte entspricht. Dies ist jedoch kein konstanter Wert, sondern ist stark anhängig von den jeweils verwendeten Materialen. So kann bei einer LithiumIonen Batterie von einer praktischen Energiedichte bis zu 50% der theoretischen Energiedichte ausgegangen werden, bei einer Bleibatterie jedoch nur von ca. 25%. (3)
Literaturverzeichnis
Entladung und Entladungsregime
Während der Entladung fließen Elektronen von der Anode über den Verbraucher zu der Kathode der Batterie. Auf Grund der Oxidation des Anodenmaterials werden permanent Elektronen nachgeliefert. An der Kathode werden die ankommenden Elektronen von den positiven Ionen der Elektrolytlösung angezogen und reduzieren diese dann. Der Stromfluss in der Batterie wird auf Grund des Ionenaustauschs über den Elektrolyten ermöglicht. (1)
Die Konstantstromentladung bedingt, wie der Name schon sagt, eine Entladung mit gleich bleibender Stromstärke. Die Spannung nimmt dabei mit fortschreitender Entladung ab. Auf Grund der Gesetzmäßigkeit der Leistungsdefinition P=U*I verringert sich daher auch die Leistung. (2)
Literaturverzeichnis
Ruhespannung
Die Ruhespannung beschreibt die Spannung einer Batterie, welche an den Batterieklemmen gemessen werden kann, wenn gerade kein Strom anliegt und alle inneren Ausgleichsvorgänge beendet sind. (1) (2) Im vollgeladenen Zustand ist diese Spannung am größten. Beginnt nun die Entladung und ein Strom wird angelegt, so resultiert ein direktes sprunghaftes Absinken der Spannung auf Grund der Spannungsverluste, die durch die ohmschen Anteile einer Batterie verursacht werden. Wird der Strom nach der Entladung wieder abgeschaltet, so vergrößert sich die Spannung wieder sprunghaft und die Ruhespannung im entladenen Zustand ist er-reicht.
Allgemein kann demnach definiert werden, dass die Ruhespannung eine gewisse Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie aufweist. Je weiter die Entladung der Batterie fortschreitet, desto mehr sinkt die Ruhespannung U=f(DOD) der Batterie ab. Da die in der Batterie speicherbaren Energiemenge von der Spannung der Batterie bestimmt wird, definiert die Ruhespannung also genau die maximal entnehmbare Energiemenge. Jedoch wird in der Realität auf Grund der bereits erwähnten ohmschen Spannungsverluste nur ein geringerer Wert erzielt. (3)
Literaturverzeichnis
Kapazität einer Batterie
Die Kapazität definiert die entnehmbare Strommenge einer Batterie in Amperestunden, welche durch den Quotienten aus der konstanten Entladestromstärke I [A] und der Entladezeit t [h] mit K=I*t [Ah] bestimmt wird. (1) Sie ist also ein Indikator für die in einer Batterie gespeicherte Lademenge. (2) Die Entladezeit ergibt sich aus der Zeitspanne zwischen Entladebeginn und dem Erreichen der Entladegrenze. Die Entladegrenze wird durch eine definierte Entladeschlussspannung festgelegt. Ist diese erreicht, wird der Batterie keine Kapazität mehr entnommen. (3)
Mit der Nennkapazität wird die Batterie vom Hersteller ausgezeichnet. (3) Diese er-gibt sich bei der Entladung unter bestimmten Normbedingungen, nachdem die Bat-terie bei 20°C ± 0,5 vorschriftsmäßig vollgeladen wurde. Die genauen Ent- und Beladebedingungen sind in verschiedenen Normen definiert und müssen für die Bestimmung der Nennkapazität streng eingehalten werden. (1) Oftmals wird die Nenn-kapazität direkt mit definierten Entladebedingungen angegeben wie beispielsweise mit der ZeitdauerK_5=100Ah, welches eine Entladung von 5 Stunden mit 20 Ampere beschreibt. (2) Die Nennkapazität bleibt während der Lebensdauer einer Batterie nicht konstant, sondern nimmt auf Grund von Alterung und anderen Einflüssen ab. Wird der Ladezustand demnach in Bezug auf die Nennkapazität angegeben, so ist es möglich, dass mit zunehmendem Alter einer Batterie auf Grund der sinkenden Nennkapazität ein Ladezustand von „null Prozent“ nicht mehr erreicht werden kann. (3)
Literaturverzeichnis
Batterieklemmspannung
Die Batterieklemmspannung setzt sich aus der Gleichgewichts-, Widerstands-, Re-aktions- und Diffusionsspannung zusammen:
UBatterie = UGleichgewicht + UWiderstand + UReaktion + UDiffusion
Die Gleichgewichtsspannung (UGleichgewicht) ergibt sich aus der Potentialdifferenz der Aktivmassen und wird oft auch als Leerlaufspannung bezeichnet. (1) Sie stellt eine Funktion der Elektrolytkonzentration und der Temperatur dar und hängt stark vom Ladezustand der Batterie ab. (2) Diese Spannung ist, abgesehen von Nebenreaktionen, der Ruhespannung gleichzusetzen. Die Unterschiede sind in der Regel aber vernachlässigbar gering. (3)
Literaturverzeichnis
Aufbau Batteriezelle
Einleitung
Batterien sind elektrochemische Energiewandler bzw. Energiespeicher, dessen Funktionsweise auf die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie und umgekehrt basiert. (1)
Elektroden
In einer Batterie existieren ein Minuspol, die so genannte Anode, und ein Pluspol, die sogenannte Kathode. (3) Im Kern dieser beiden Elektroden befindet sich ein Stromableiter bzw. Stromsammler. Die Stromableiter sind dabei wichtige passive Systemelemente der Batterie, d.h. sie tragen keinen aktiven Beitrag zur Speiche-rung des Stroms in der Batterie bei, werden jedoch für den Aufbau benötigt. Wichtige Eigenschaften der Stromleiter sind vor allem chemische Stabilität und ein geringer Innenwiderstand, so dass ein verlustfreies leiten des Stroms gewährleistet wer-den kann. Die eigentliche Elektrode umgibt den jeweiligen Stromleiter. (4) Dieses Material wird als Aktivmasse bezeichnet in der die eigentlichen elektrochemischen Reaktionen ablaufen. Die beiden Elektroden in einer Batterie bestehen immer aus verschiedenen Materialien welche ungleiche Potentiale aufweisen. Nur so kann eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden resultieren, welche die Spannung an den Batteriepolen verursacht. (5)
Elektrolyt
Die Elektroden befinden sich, wie schon erwähnt, in einem Elektrolyten, dessen wesentliche Aufgabe der Transport von Ionen von der einen auf die andere Elektro-de ist. (4) Der Elektrolyt ist meistens ein flüssiges Medium, kann jedoch auch fest oder geliert sein. (6) Er bestimmt wesentlich die elektrischen Eigenschaften der Batterie. Der Widerstand des Elektrolyten steigt mit sinkender Temperatur erheblich an, welches zum Beispiel bei Startproblem des Automotors im Winter beobachtet wer-den kann. Auf Grund der Erhöhung des Widerstands kann kein Ionenaustausch mehr zwischen den Elektroden stattfinden und der Stromkreis ist so nicht geschlos-sen (4).
Separator
Das Systemelement Separator verhindert den elektrischen Kontakt zwischen den beiden Elektroden, denn würden diese sich berühren, hätte das einen Kurzschluss zur Folge und die Batterie würde sich schlagartig selbst entladen. Außerdem würde so gleiches Potential auf beiden Elektroden hergestellt werden, welches die Batte-rie unbrauchbar machen würde (4).
Helmholtzschicht
In einer Batterie entsteht nach Anlegen der Spannung ein elektrostatisches Feld zwischen den beiden Elektroden. Dieses bewirkt, dass die Anionen zur Arbeits-elektrode und die Kationen in die entgegengesetzte Richtung wandern bis das äu-ßere Feld kompensiert ist. (1) An der negativen Elektrodenoberfläche entsteht da-her eine Akkumulation der positiv geladenen Ionen. Somit entsteht an der Grenz-schicht zwischen Elektrolyt und Elektrode eine elektrische Doppelschicht aus zwei parallelen Ladungsschichten, der elektronischen Ladung in der Elektrode und der ionischen Ladung im Elektrolyt. (2) Diese elektrische Doppelschicht ist unter der Bezeichnung Helmholtzschicht bekannt.
Im Prinzip ist die Helmholtzschicht wie ein Kondensator aufgebaut, bei dem die eine Platte durch die elektronische Ladungsschicht und die andere durch die ionische Ladungsschicht dargestellt wird. Das sich dabei ausbildende elektrische Feld kann als konstant angenommen werden, da der Potentialverlauf zwischen den Plat-ten linear ist. Die Schicht ist relativ fest gebunden und wird daher auch als „starre Doppelschicht“ bezeichnet. Außerdem existiert eine enorme elektrische Feldstärke innerhalb der Schicht, weswegen sich diese wie ein Plattenkondensator mit sehr hoher Kapazität verhält. (1) (2)
Literaturverzeichnis
Gasung in der Batterie
Die Gasung ist eine in der Batterie ablaufende Nebenreaktion, welche stattfindet sobald ein flüssiger wässriger Elektrolyt vorliegt. Dies ist beispielsweise bei Blei-, NiCd- und NiMH-Akkumulatoren der Fall, gilt jedoch nicht für Lithium-Ionen Batterien. Sobald ein wässriger Elektrolyt in der Batterie vorhanden ist, wird das in der Batterie befindliche Wasser auf Grund gewisser Reaktionen zersetzt. An der negativen Elektrode nehmen die Protonen aus dem Elektrolyten Elektronen auf, welche dann Wasserstoffgas bilden. An der positiven Elektrode hingegen wird das Wasser zersetzt, woraus sich dann Sauerstoffgas bildet und Protonen freigesetzt werden. Diese Protonen diffundieren dann durch den Elektrolyten zur negativen Elektrode. Insgesamt wird in der Batterie also das Wasser unter Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt. Die ablaufenden Reaktionen sind in den folgenden Reaktions-gleichungen noch einmal dargestellt:
Die Reaktionen an der negativen und positiven Elektrode beginnen bereits ab einer Spannung von 1,23 V. Da diese Bedingungen in herkömmlichen Batterien schnell erreicht sind, müssen die Gasungsreaktionen durch die Wahl geeigneter Materialien reduziert werden. Die Probleme, welche die Gasung verursacht, sind sowohl der Energie- und Wasserverlust, als auch das Austreten des Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches. Dieses Gemisch stellt ein explosives Gasgemisch dar, wel-ches bei bestimmten Konzentrationen in der Luft zündfähig ist. (1)
Geschlossene Batterie
Aus diesen Gründen wurden in der Vergangenheit neben den geschlossenen Bat-terien auch verschlossene Batterien entwickelt. Die geschlossenen Batterien bein-halten einen flüssigen Elektrolyten und können als „offenes“ System angesehen werden. Dies bedeutet, dass in der Batterie gebildetes Gas diese verlassen kann und in die Umgebung austritt. Daher werden hohe Anforderungen an die Belüftung der Batterieräume gestellt, um eine Bildung von zu hohen Gaskonzentrationen zu vermeiden. Das Wasser in der Batterie wird manuell von Zeit zu Zeit nachgefüllt. Dieser Prozess verursacht zusätzliche Kosten für den Batteriebetrieb. Außerdem müssen für den Transport- und die Lagerung bestimmte Vorschriften und Anforderungen erfüllt werden. (2) (1)
Verschlossene Batterie
Die verschlossenen Batterien haben, wie der Name schon sagt, keine Öffnung durch die Gas in die Umgebung entweichen kann. Sie verfügen jedoch über ein Überdruckventil, welches sich bei einem Druck von ca. 100 mbar öffnet und danach wieder selbstständig schließt. (2) Des Weiteren beinhalten sie im Gegensatz zur geschlossenen Batterie keinen flüssigen Elektrolyten, sondern ein Gel oder Vlies. (1) Der an der positiven Elektrode entstehende Sauerstoff kann über Gaskanäle, gebildet durch Mikroporen, zur negativen Elektrode wandern und wird dort wieder zu Wasser reduziert. Dieser Prozess wird auch als „Sauerstoffkreislauf“ bezeichnet und ist im Bild unten dargestellt. (2)
In der Batterie wird somit also kein Gas gebildet, welches diese verlässt. Jedoch fin-det wie bei den geschlossenen Batterien ein gewisser Anteil an Energieverlusten statt, die durch die Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff verursacht wer-den. (1)
Literaturverzeichnis
Thermodynamisches Gleichgewicht
Die Thermodynamik beschreibt Systeme im Gleichgewichtszustand. Bei elektroche-mischen Systemen ist dies genau dann gegeben, wenn kein Stromfluss vorhanden ist, also wenn die Batterie nicht entladen noch geladen wird. Hier wird somit der Ruhezustand einer Batterie oder Zelle betrachtet, wenn die Selbstentladung der Batterie außer Acht gelassen wird. In diesem Zustand liegt an der Batterie eine ge-wisse Ruhespannung, auch Gleichgewichtsspannung und Leerlaufspannung genannt (engl.: Open Circuit Voltage OCV), an, welche sich aus den Grundgleichungen der Thermodynamik berechnen lässt. (1) (2)
Die Energie eines Systems in der Thermodynamik wird als Enthalpie H bezeichnet. Diese entspricht in elektrochemischen Systemen der in den chemischen Verbindungen gespeicherten Energie. Die freie Enthalpie G, oft auch als „Gibb’sche freie Energie“ bezeichnet, beschreibt genau die Energiemenge, welche maximal in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Wird nun eine Reaktion betrachtet, so sind gerade die Differenzen dieser beiden Größen von Bedeutung. Die Änderung der Enthalpie, als Reaktionsenthalpie ∆H bezeichnet, beschreibt die während der Reaktion abgegebene bzw. aufgenommene Energie. Sie ist bestimmbar aus den Eigenschaften der Reaktionsteilnehmer.
Die maximal umsetzbare elektrische Energie während der Reaktion wird durch die Änderung der freien Enthalpie, der freien Reaktionsenthalpie ∆G, definiert. Diese ist eine bedeutende Größe bei der Bestimmung der spezifischen Energie einer Batterie, da die freie Reaktionsenthalpie in einem direktem Zusammenhang mit der Ruhespannung steht.
Die letzte bedeutende thermodynamische Größe ist die Entropie ∆S, welche der Abweichung von Reaktionsenthalpie ∆H und freien Reaktionsenthalpie ∆G entspricht. Diese unterscheiden sich, da sich in einer realen Batterie auf Grund der aufgenommenen oder freigesetzten Wärme die elektrisch nutzbare Energie und die insgesamt umgesetzte Energie unterscheiden. Die Energiedifferenz ist dabei proportional zur Temperatur. Aus diesem Grund wird oft das Produkt von Temperatur und Reaktionsenthalpie ∆S∙T verwendet, welches genau der an die Umgebung ab-gegebenen oder aufgenommenen Wärme entspricht. Der Effekt der Wärmeabgabe bzw. –aufnahme ist vollständig umkehrbar und wird daher als „reversibler Wärme-effekt“ bezeichnet. (2) (1)
Der Hauptsatz der Thermodynamik wird genau durch diese drei Größen, also die Reaktionsenthalpie ∆H, die freie Reaktionsenthalpie ∆G und die Reaktionsenthal-pie ∆S gebildet:
Die Berechnung der theoretischen Ruhespannung ist über den Zusammenhang mit der Gibb’schen freien Reaktionsenthalpie und der Ladungsmenge möglich. Das Produkt aus Ladungsmenge und Gleichgewichtsspannung entspricht dabei genau der negativen freien Reaktionsenthalpie. Die Ladungsmenge ergibt sich aus dem Produkt der Anzahl an Elementarladungen n und der faradayschen Konstante F. Dieser Zusammenhang wird auch als „Faradaysches Gesetz“ bezeichnet.
∆G=-U_0∙Q=-U_0∙n∙F
daraus folgt für die Ruhespannung U_0=-∆G/(n∙F)
Da in diesem Fall die Entladung betrachtet wird und das System somit Energie ab-gibt, muss das Vorzeichen der Reaktionsenthalpie negativ sein. (2) (3)
Die hier berechnete Ruhespannung ist jedoch keine konstante Größe, sondern ab-hängig von verschiedenen Parametern wie der Temperatur oder der Konzentration der Reaktanten. Die Ruhespannung ist zwar nicht direkt proportional zu der Konzentration der Reaktanten, wird jedoch über den Zusammenhang mit der Reaktionsenthalpie und der freien Reaktionsenthalpie beeinflusst. Diese Abhängigkeit kann jedoch von Batteriesystem zu Batteriesystem sehr unterschiedlich sein, im All-gemeinen nimmt die Gleichgewichtsspannung aber mit fallendem Ladezustand ab. (3) (1)
Die Abhängigkeit von der Temperatur kann mit Hilfe eines Temperaturkoeffizienten beschrieben werden. Dieser wird mit folgender Formel bestimmt: α_(U_0 )=(dU_0)/dT=∆S/(n∙F). (1)
Ebenfalls die spezifische Energie E_(Th) kann über einen thermodynamischen Zu-sammenhang, nämlich dem Quotienten aus freier Reaktionsenthalpie und der Mol-masse M des umgesetzten Stoffes, berechnet werden: E_(Th)=-∆G/M. (1)
Die hier vorgestellten Definitionen für die spezifische Energie und die Ruhespan-nung der Batterie sind jedoch nur theoretische Werte unter Idealbedingungen. In der Realität sind diese verschiedensten Einflüssen ausgesetzt, weswegen dessen praktischen Größen stark von den theoretisch bestimmten abweichen. (1)
Literaturverzeichnis
Butler-Volmer-Gleichung
Der Zusammenhang zwischen Spannung und Strom an einer Elektrode ist in dem unten dargestellten Diagramm zu erkennen.
Auf der X-Achse ist die Potentialdifferenz in Volt, d.h. die Differenz zwischen Gleich-gewichtsspannung und tatsächlicher Spannung an der Batterie, aufgetragen. Die Y-Achse stellt die Stromdichte in Ampere dar. Die beiden Exponentiallinien, eine im positiven und eine im negativen Bereich, sind die Kennlinien der Lade- bzw. Entladereaktion an einer Elektrode. Diese beiden Reaktionen laufen parallel in der Batterie ab. Der Ruhezustand, bei welchem kein Stromfluss an der Batterie messbar ist, kann genau im Achsenschnittpunkt des Diagramms gefunden werden. Hier gleichen sich die Lade- und Entladereaktivität genau aus. Geht man auf der X-Achse vom Achsenschnittpunkt weg, erhöht sich der Betrag einer der beiden Kurven und die jeweils andere nähert sich null an. Die Differenz zwischen diesen beiden Wer-ten entspricht genau dem an der Batterie messbaren Strom. (2) (1)
Die Butler-Volmer-Gleichung beschreibt diesen Zusammenhang zwischen Span-nung und Strom mit Hilfe einer mathematischen Formel. Der Strom ist dabei, wie schon erwähnt, genau der Strom, welcher an den Polen der Batterie messbar ist. Dieser ist exponentiell abhängig von der Spannungsdifferenz zwischen Ruhespannung und der sich an den Elektroden einstellenden Spannung. Aus diesem Grund sind in der Formel zwei Exponentialfunktionen vorhanden, eine für den Lade- und die andere für den Entladevorgang.
Die in der Butler-Volmer-Gleichung und in dem Diagramm dargestellten Reaktionen laufen immer nur in einer Elektrode ab. In der jeweils anderen finden jedoch mit der gleichen Rate ebenfalls Reaktionen statt, da der Strom, welcher an den äußeren Polen messbar ist, durch beide Elektroden zwangsmäßig in der gleichen Menge fließen muss.
Die anderen in der Formel enthaltenen Parameter sind die aktive Oberfläche A, der Materialparameter i_0, die Temperatur T, der Symmetriefaktor ∝ und die Gaskonstante R. Je größer die aktive Oberfläche A in der Batterie ist, desto einfacher läuft die an der Elektrode stattfindende Reaktion ab. Dies bedeutet, dass der gleiche Stromfluss mit geringeren Spannungswerten erreicht werden kann. Der Symmetrie-faktor ∝ gibt an, in welchem Verhältnis die Lade- und Entladereaktionen stattfinden. Eine Lithium-Ionen Batterie verfügt in der Regel über einen Symmetriefaktor von ∝=0,5 was bedeutet, dass Lade- und Entladereaktionen in einem sehr ausbalancierten Verhältnis vorliegen. Bleibatterien hingegen erreichen meist nur einen Wert von ∝=0,3. Somit muss für den Ladevorgang deutlich mehr Spannung aufgewendet werden. (2)
Da die Handhabung einer Formel mit zwei Exponentialfunktionen sehr komplex wäre, existieren zwei Vereinfachungen der Butler-Volmer-Gleichungen. Fließen in der Batterie kleine Ströme, kann mit e^x=1+x die Butler-Volmer-Gleichung zu ∆U=(R∙T)/F∙I/(A∙i_0 ) vereinfacht werden. Die Näherung für große Ströme, oft auch als Tafel-Gleichung bezeichnet, ist folgende ∆U=(R∙T)/(α∙F)∙ln(|I/(A∙i_0 )|). Diese beiden Terme können so für weitere Berechnungen verwendet werden, da sie wesentlich handlicher als die ursprüngliche Butler-Volmer-Gleichung sind. (3) (2) (1)Literaturverzeichnis
Hybridfahrzeuge als Übergangstechnologie
Der Hybridantrieb besteht aus einer Kombination von zwei verschiedenen Antrieben, meistens aus Verbrennungs- und Elektromotor. Der Hybridantrieb ermöglicht gegenüber gleichstarken Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor eine Reduktion von Kohlendioxid und anderen Emissionen.
Der technische Aufwand für den Hybridantrieb ist aber erheblich. Start-Stopp-Systeme als Einstieg in die Hybridtechnik sind heute Stand der Technik. Komplexere Hybridsysteme versprechen noch größere Effekte: Rekuperation zur Rückgewinnung der Bremsenergie, neue wirkungsgradoptimierte Generatoren, vorausschauende Antriebs- und Bremsstrategien sowie neue Batterietechnologien und -systeme zur vollständigen Elektrifizierung des Antriebsstrangs sind in Entwicklung und stehen kurz vor der Serieneinführung. Die deutschen Hersteller versuchen zur Zeit auf dem Gebiet der Hybridtechnik „Boden gut“ zu machen. Der Hybridantrieb spielt seine spezifischen Vorteile hauptsächlich im gemischten Fahrzyklus aus, zum Beispiel im innerstädtischen Verkehr und im Überlandverkehr mit hoher Verkehrsdichte.
Bei Autobahnfahrt allerdings ist ein moderner Dieselantrieb im Vergleich zum Ben-zin-Hybrid verbrauchsgünstiger. Auch gegenüber einem hinsichtlich Kraftstoffverbrauch optimierten Ottomotor mit Direkteinspritzung verringert sich der Vorteil des Hybridantriebs. Diesel-Hybride bilden eine realistische Alternative, wenn es gelingt, die zweifachen Zusatzkosten zum Benzinantrieb (erstens für den Dieselantrieb, zweitens für den Elektroantrieb) durch Kostensenkung im Gesamtsystem, beispiels-weise bei der Abgasnachbehandlung, teilweise zu kompensieren. Das Potenzial zur Verbrauchsreduzierung eines Diesel-Hybridfahrzeugs gegenüber einem Fahr-zeug mit reinem Dieselmotor-Antrieb und Automatikgetriebe beträgt bis zu 15 % im gemischten Fahrbetrieb
Fünf Fragen an Jens Liebold Entwicklungsingenieur Synthese/Konzepte, DP-D31
zur Tagung "Elektrische Traktions- und Hilfsantriebe für Hybrid- und Elektrofahrzeuge"vom 17. - 18.11.2015 in Würzburg – www.hdt-essen.de/W-H010-11-802-5
1. Welche zusätzlichen Komponenten werden in Zukunft im Automobil elektrifiziert? Für rein elektrische Fahrzeuge natürlich alle bisher mechanischen angetriebenen Nebenaggregate. Bei Hybrid-, speziell bei Plug-In-Hybrid-Fahrzeugen sind ähnliche Szenarien denkbar, in jedem Fall Lenkhilfemechanismen und Bremskraftverstärker. Zusätzlich Kältemittelverdichter und alle Mediempumpen (Wasser-/Ölpumpen).
2. Welche Rolle spielt das 48 V Bordnetz bei der Elektrifizierung im KFZ? Ein ganz Bedeutende! Für kleine und kostengünstige Elektrifizierungen werden 48 V-Systeme den Markt der Mild-Hybridisierung bis max. 13 … 15 kW weiter ankurbeln.
3. Welche besonderen Anforderungen gelten für elektrische Maschinen im Fahrzeug? Im Vergleich zu den Maschinen im industriellen Sektor, haben automotivetaugliche Motoren strengeren Anforderungen in Bezug auf Schwingungen. Auch die Lastpro-file und Anforderungen an die Drehmomentdichte sind oft höher.
4. Welchen Einfluss hat die Überlastfähigkeit eines elektrischen Traktionsmotors auf seine thermische Auslegung? Grundsätzlich ist zwischen Dauer- und Kurzzeitleistung zu unterscheiden. Für die Dauerleistung können neuartige Kühlkonzepte helfen die Überlastfähigkeit zu ver-bessern. Eine direkte Ölkühlung hat z. B. eine deutlich bessere Fähigkeit die Wärmeleistung abzuführen, als eine konventionelle Wassermantelkühlung bei der ein Wärmestrom erst aufwendig über mehrere Übergangswiderstände transportiert werden muss.
5. Kann die elektromagnetische Geräusch- und Schwingungsanregung von Asyn-chron-Traktionsmaschinen durch eine optimale Auslegung minimiert werden? Ja, und zwar deutlich. Hierzu wird zur Tagung auch vorgetragen.
Die Entwicklungsaktivitäten für Hybrid- und Elektrofahrzeuge nehmen weiter zu. Auf allen Automobilausstellungen werden Fahrzeuge dieser Art präsentiert und die
Als ein wesentlicher Treiber für Hybrid- und Elektrofahrzeuge sowie Verbrauchsreduktionen durch elektrisches Energiemanagement werden häufig die europäischen CO2-Targets genannt. Betrachtet man das Thema jedoch ganzheitlich, wird man in Summe vier wichtige Gründe identifizieren:
Weltweite Targets zu CO2-Reduktionen Wachstumsmärkte/Schwellenländer Ökonomische Aspekte Ökologische Aspekte Neben dem bekannten Target von 95g/km CO2 für 2020 in der Europäischen Uni-on gibt es auch verbindliche Targets in den USA, China und Japan. Die Absolutwerte der Targets sind mit 157g/km respektive 132g/km und 141g/km nicht so aggressiv wie in Europa. Die erforderlichen relativen Veränderungen zwischen knapp 20 % in China, ungefähr 30 % in den USA und Japan und ca. 40 % Reduktion in Europa liegen allerdings nicht mehr so weit auseinander.
Neben der Reduktion der Emissionen in den USA und Europa muss natürlich auch das Thema Neu-Emissionsvermeidung in den Schwellenländern betrachtet wer-den. In diesen Märkten nimmt die Anzahl der Bewohner mit eigenem Fahrzeug je-des Jahr signifikant zu. Haben heute in Europa ca. 50 % der Bewohner ein eigenes Fahrzeug, sind es in China erst 1,6 % und in Indien nur 0,8 %. Jährliche Wachstumsraten von ungefähr 10 % in beiden Regionen sind ökologisch nur mit signifikanten Fortschritten im Flottenverbrauch erreichbar.
Zusätzlich muss die zur Verfügung stehende Menge an Rohöl mit in die Betrach-tung aufgenommen werden. Die Ölproduktion hat mit 30 Milliarden Barrel jährlich wohl ihren Höhepunkt schon erreicht. Als Ergebnis der steigenden Nachfrage bei konstanten Förderquoten erleben wir aktuell in Deutschland ein Allzeithoch der Kraftstoffpreise; in Norwegen hat der Preis für einen Liter Super bereits die Marke von 2 Euro überschritten. Ein Ende dieses Trends ist nicht zu erwarten: Der Bedarf gerade aus den Emerging Markets steigt weiter an; eine Erhöhung der Ölprodukti-on ist nicht mehr sinnvoll möglich. Und immer wieder wird in diesem Zusammen-hang diskutiert, wie lange die Ölvorräte auf der Erde überhaupt noch reichen wer-den.
Unabhängig von der Rohstoffverfügbarkeit fordert der Trend zur Urbanisierung eine Reduktion von Emissionen in den großen Ballungszentren weltweit. Gleichzeitig nimmt deren Anzahl kontinuierlich zu: Lebten 1975 noch ca. 37 % der Einwohner in Ballungszentren und großen Städten, sind es heute schon deutlich mehr als 50 %. Mittlerweile existieren mehr als 30 Mega-Städte mit mehr als 10 Millionen Einwohnern – mit den entsprechenden Problemen durch Schadstoffemissionen, aber auch Lärmemissionen des Individualverkehrs.
Welche Beiträge zur Lösung oben genannter Probleme können wir mit kraftstoff-effizienten Fahrzeugen und Hybrid- oder Elektrofahrzeugen in den nächsten Jahren erreichen? Welche Veränderungen können wir erwarten?
Wie schon in der Einleitung bemerkt, nimmt seit Jahren die Zahl der neu vorgestellten Hybrid-, Plug-In-Hybrid- und Elektrofahrzeuge zu. Mit dem Chevrolet Volt bzw. dem baugleichen Opel Ampera ist erstmalig ein Elektrofahrzeug mit Range Exten-der auf den Markt gekommen. Dessen rein elektrische Reichweite ist für die meisten Nutzer im Alltag völlig ausreichend, ebenso ist er auch für eine Urlaubsfahrt geeignet. Im Jahr 2013 wird mit BMW erstmals ein Konzern die Submarke BMW i extra für Elektrofahrzeuge auf den Markt bringen und damit eine neue Form visionärer Mobilität anbieten. Die Konzepte i3 und i8 wurden bereits der Öffentlichkeit vorge-stellt.
In den nächsten Jahren werden die Aspekte der Preisreduktion und des Reifegrades neben den Themen Reichweite und Sicherheit im Vordergrund der Entwicklung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen stehen. Viele Umfragen zeigen, dass Fahzeugkäufer nur begrenzt bereit sind, einen signifikanten Mehrpreis für ein Hybrid- und Elektrofahrzeug zu bezahlen. Vermutlich wird es nur gelingen, Hybrid- und Elektrofahrzeuge in größerer Anzahl – ohne Förderprogramme und Subventionen – erfolgreich in den Markt zu bringen, wenn diese zu einem für den Käufer akzeptablen Preis angeboten werden können und gleichzeitig alltagstauglich sind.
Darüber hinaus gibt es aber auch bei den konventionellen Fahrzeugen jedes Jahr signifikante Fortschritte im Kraftstoffverbrauch. Funktionen wie die Intelligente Generatorregelung oder Stopp/Start-Funktion sind mittlerweile von allen großen Fahrzeugherstellern für ihre aktuellen Modelle verfügbar. Volkwagen als größter deutscher Automobilhersteller hat verkündet, zukünftig die Stopp/Start-Funktion als Standardausstattung in allen neuen Modellen auszuliefern. Eine Maßnahme, die den Verbrauch im Neuen Europäischen Fahrzyklus um ungefähr 0,5l/100km senkt. Mit der Segelfunktion, bei der der Motor in Schubphasen abgestellt wird, wird die nächste Erweiterung der Stopp/Start-Funktion in den Markt kommen. Während die Verbrauchsersparnis im Normzyklus eher gering ist, konnte mit ersten Testfahrzeu-gen gezeigt werden, dass Segeln ein Kraftstoffeinsparpotenzial im typischen Kundenfahrbetrieb von ungefähr 0,5/100km erschließt.
Eine der größten Veränderungen der letzten Jahre im Energiebordnetz werden wir voraussichtlich 2015/16 erstmalig in Fahrzeugen finden: das Zwei-Spannungsbord-netz mit 48 V und 12 V. Hierbei werden Generator und Verbraucher mit einem hohen Energiebedarf, wie beispielsweise elektrische Lenkunterstützung, Wankstabilisierung oder Lüfter, auf der 48-V-Seite des Bordnetzes arbeiten, während Steuer-geräte und Sensoren auf der 12-V-Seite verbleiben. Dadurch kann ein größerer Teil der im Bordnetz benötigten elektrischen Energie aus der Bewegungsenergie rekuperiert werden, wodurch eine weitere Verbrauchsreduktion von bis zu 0,5l/100km erreicht werden kann. Als positiver Nebeneffekt dieser Partitionierung entfällt die Spannungsstabilisierung auf der 12-V-Ebene, da sich die dynamischen Hochleistungsverbraucher nicht mehr im 12-V-Teilbordnetz befinden.
Das vorliegende Buch entstand anlässlich der Fachtagung „Elektrik/Elektronik in Hybrid- und Elektrofahrzeugen und elektrisches Energiemanagement“ vom Haus der Technik e.V. Essen am 23. und 24. April 2012 in Miesbach. Es werden die Inhalte und Beiträge zum Gesamtsystem der Elektrik/Elektronik in Hybrid- und Elektrofahrzeugen und Konzepte zum elektrischen Energiemanagement dargelegt und vertieft. Der thematische Bogen spannt sich von Gesamtsystemansätzen für Hybrid-, Plug-In-Hybrid- und Elektrofahrzeugen und E/E-Architekturen, Ladesystemen über Leistungselektronik, elektrisches Energie- und Batteriemanagement bis hin zu Niedervoltspeichern.
Quelle: Vorwort zur Tagung eehe - Electric & Electronic Systems in Hybrid and Electric Vehicles and Electrical Energy Management 2012 in Miesbach
