Dienstag, 18 September 2012 14:55

Anhang A1 Definition wichtiger Kenngrößen

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Anhang A1 Definition wichtiger Kenngrößen von Fpellay (Eigenes Werk) [CC BY-SA 3.0] , via Wikimedia Commons

Zur Beschreibung von Batteriezuständen und Betriebsbedingungen sind einige grundlegende Größen der Batterietechnik nötig, die im Folgenden genauer definiert werden:

 

  • Kapazität

 

  • C-Rate

 

  • Ladezustand (State of Charge)

 

  • Alterungszustand (State of Health)

 

  • Entladetiefe (Depth of Discharge)

Kapazität

 

Die Kapazität einer Batterie ist definiert als die maximal entnehmbare Elektrizitätsmenge und wird in Amperestunden (Ah) angegeben. Sie ist, wie bereits oben erwähnt, abhängig von den Betriebsbedingungen. So hat die Temperatur der Batterie aber auch die Geschwindigkeit der Entladung einen teilweise sehr hohen Einfluss auf die Kapazität. Desto schneller die Entladegeschwindigkeit bzw. der Entladestrom desto geringer ist die entnehmbare Ladung. Temperatur und Entladegeschwindigkeit bzw. Entladestrom müssen also immer zusammen mit der ermittelten Kapazität angegeben werden. Und weil sich die Energiedichte direkt aus der Kapazität errechnet, auch für diese. Die sogenannte Nennkapazität einer Batterie wird unter fest definierter Temperatur und Entladegeschwindkeit ermittelt und vom Hersteller unter Einhaltung der vorgegebenen Bedingungen garantiert.

C-Rate

 

Da wie bereits oben beschrieben, die Kapazität von der Entladegeschwindigkeit bzw. dem Entladestrom abhängt, verwendet man in der Batterietechnik die sogenannte C-Rate zur Angabe von Entladeströmen und Entladezeit. Der Buchstabe „C“ steht für Kapazität (engl.: capacity), da die C-Rate sich direkt auf die Kapazität bezieht. Die Zahl, die vor oder auch nach dem C angegeben wird, gibt die Zeit tentlade in Stunden an, in der die Nennkapazität KN der Batterie zu entnehmen ist. Daraus ergibt sich unmittelbar der einzustellende Entladestrom Ientlade:

 

Formel 1: Definition des Entladestroms

Ientlade = KN / tentlade [A]

 

So gibt z.B. die Angabe einer C-2-Rate für eine Batterie mit 40 Ah Kapazität darüber Auskunft, dass die Kapazität bei einer zweistündigen Entladung und einem Entladestrom von 20 A gemessen wurde.

Ladezustand (State of Charge)

 

Der Ladezustand oder auch englisch State of Charge (SOC) gibt an, wie sehr eine Batterie geladen ist. Definiert ist er als das Verhältnis von entnehmbarer Ladung Qentnehmbar zur verfügbaren Kapazität K der Batterie bei einer festgelegten Temperatur T. Die Formel lautet somit:

 

Formel 2: Definition des Ladezustandes (SOC)

SOCT = Qentnehmbar,T / KT [%]

 

Der SOC wird in Prozent angegeben. In der Praxis ist die Bestimmung der entnehmbaren Ladung Qent und somit auch des präzisen Ladezustandes jedoch sehr viel komplexer, da zukünftige Außentemperaturen aber auch der Alterungszustand und Standzeiten der Batterie eine Rolle spielen, die alle erfasst bzw. genau prognostiziert werden müssten. Mithilfe zuverlässiger und möglichst genauer Algorithmen den genauen Ladezustand zu erfassen, ist Aufgabe des Batteriemanagementsystems.

Alterungszustand (State of Health)

 

Den Alterungszustand, englisch State of Health (SOH), einer Batterie zu beschreiben, ist von essentieller Bedeutung, da er ein Kriterium für die Güte einer gebrauchten Batterie ist und als Ausschlusskriterium dient. So ist allgemeine Konvention, dass bei einem SOH von 80% die Batterie nicht mehr für einen Einsatz in Elektrofahrzeugen geeignet ist. Der Alterungszustand ergibt sich aus dem Verhältnis der verfügbaren Kapazität K bei Normtemperatur TNorm zu der vom Hersteller angegeben ursprünglichen Nennkapazität KN bei Normtemperatur:

 

Formel 3: Definition des Alterungszustandes (SOH)

SOHT_norm = KT_norm / KN,T_norm [%]

 

Die Alterung einer Batterie wird von zyklischen aber auch kalendarischen Alterungsprozessen beeinflusst, weshalb rein rechnerische Ermittlungen des SOH sehr ungenau sein können und eine experimentelle Messung bevorzugt werden sollte. Wieder ist es Aufgabe des Batteriemanagementsystems, den Alterungszustand so gut wie möglich zu erfassen und Alterungsprozesse durch Vermeiden bestimmter Betriebszustände zu minimieren.

Entladetiefe (Depth of Discharge)

 

Die Entladetiefe, englisch Depth of Discharge (DOD), ist das Pendant zum Ladezustand. Sie gibt an, in welchem Maße eine Batterie bereits entladen wurde. Sie ist definiert als das Verhältnis einer bei bestimmter Temperatur entnommenen Ladungsmenge Qentnommen zur aktuell verfügbaren Kapazität K bei gleicher Temperatur. Formell gilt:

 

Formel 4: Definition der Entladetiefe (DOD)

DODT = Qentnommen,T / KT [%]

 

Da für jeden beliebigen Ladezustand bei konstanter Temperatur gilt:

 

Formel 5: Zusammenhang zwischen SOC und DOD

KT = Qentnehmbar,T + Qentnommen,T

 

ergibt sich der DOD direkt aus dem SOC. Die Angabe eines der beiden Werte reicht somit in der Regel aus.

Zusammenfassung

 

Die beschriebenen Größen haben nicht unerhebliche Auswirkungen auf die Kennzahlen einer Batterie. Deshalb sollten Messverfahren nur unter fest definierten und konstanten Bedingungen durchgeführt werden. So ist die C-Rate bei der Bestimmung einer Kapazität entscheidend. In der Regel werden für Antriebsbatterien C2-Raten, also zweistündige Entladungen zur Kapazitätsermittlung verwendet. Für die Zyklenlebensdauer ist die gefahrene Entladetiefe entscheidend. Allgemein werden die maximalen Zyklen für eine Entladetiefe von 80% angegeben. Da aber auch die Entladegeschwindigkeit und die Temperatur Einfluss auf die Lebensdauer einer Batterie haben, müssten eigentlich die C-Rate sowie die Temperaturen jeweils immer mit erwähnt werden. Dies ist jedoch in der Fachliteratur fast nie der Fall. Deshalb bleibt nichts anderes übrig, als die Standardbedingungen, eine zweistündige Entladung bei einer Raumtemperatur von 21°C, anzunehmen. Es ist ratsam, die angegebenen Batteriekenngrößen aus diesen Gründen immer kritisch zu betrachten und jeweils Angaben aus verschiedenen Quellen miteinander zu vergleichen. Bei zu großen oder nicht plausiblen Abweichungen sollten die Werte nicht verwendet bzw. auf die Unsicherheit der Messbedingungen hingewiesen werden.

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