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Energiespeicher

Akku

Akkutechnik

 

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Grundaufbau einer Akkuzelle

Die eine heutige Akkuzelle besteht aus zwei Elektroden und einem Separator.

Die im Bild blaugefärbte Elektrode enthält ein sogenanntes Wirtsgitter, das aus Stoffen wie z.B. aus Graphit besteht. In diesem Gitter lagern sich beim Ladevorgang Lithium Kerne ein (gelb), welche sich im Graphitgitter wie in einem Tank halten können. Die Lithium Kerne sind eigendlich überladen, d.h. Sie haben  ein Elektron zu viel an Bord und möchten dieses eigentlich Loswerden. Wir nenne es in der Skizze mal Elelektronenlager.

Die im Bild rotgefärbte Elektrode macht genau das Gegenteil, Sie wartet nur darauf ein Elektron zu empfangen denn hier warten Metallkerne auf ein freies Elektronen. (Elektronenparkplatz)

Schnell wird klar das zwischen beiden Elektronen ein Schutzwall, der Seperator bestehen muß, um die Elektronenaustausch nur über die Plus und Minuspole zu ermöglichen.

 

 

Last / Motor

-

Elektronenlager

Elektronenparkplatz

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Akkupack

Die heutigen Akkupacks für Elektrokraftfahrzeuge bestehen grundsätzlich aus mehreren Einzelzellen, die mit einer Schutzelektronik (BMS) zu einer für das Fahrzeug passenden Form zusammengeschaltet werden.

Dabei erhöt sich die Akkuleistung aber auch das Gewicht nach Anzahl der verschalteten Zellen.

 

Der Hersteller hat hierbei die Möglichkeit mehrere Akkus in Reihe (Spannung addiert sich) oder Paralell (Kapazität addiert sich) zu schalten und somit die Leistung der am Fahrzeug verbauten Akkupacks zu bestimmen.

 

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Die heutigen Zellen haben Typischerweise eine einzelspannung von 3,6 Volt, wobei die Spannung der Zelle je nach Ladezustand stark variieren kann. Deswegen hört man hier oft zwei Begriffe die Ladeschlussspannung und die Entladeschlussspannung. Letztere ist die niedrigste Spannung bei der der Akku gerade noch Energie abgeben kann. Sie liegt Typischerweise bei 3 Volt – hier sollte der Akku tunlichst ans Ladegerät. Die Ladeschlusspannung hingegen ist die Spannung die der Akku direkt nach dem Laden liefert – ein neuer Akku liefert hier bis zu 4,2 Volt.

 

 

 

 

Wenn nun beispielsweise 10  Akkuzellen zu einem Größeren Pack zusammengeschaltet (Reihenschaltung) werden ergibt sich eine Packspannung von 36 Volt – wobei auch hier die Unterschiede zwischen Lade und Entladeschlussspannung groß sein können (zwischen 30 und 42 Volt)

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Kapazität, Spannung

Neben der Spannung ist die Kapazität eine wichtige Kenngröße eines Akkupacks. Grob kann man sagen, das die Kapazität über die dauer des Betriebs entscheidet und die Spannung über die Geschwindigkeit des Antriebs. Die Kapazität wird dabei in Ah, sprich Ampere Stunden angegeben.

 

 

 

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Viele paralell geschaltete Akkuzellen erhöhen die Gesamptkapazität des Akkupacks und sind deswegen für die Reichweite sehr entscheiden. Nimmt die noch im Akku verbleibende Kapazität ab, bricht auch die Spannung der Einzelnen Zelle langsam ein. Analog dazu kann man sich ein Wasserfass vorstellen, das anfangs noch mit viel Wasser gefüllt ist. Wird nun mit einem Gartenschlauch wasser entnommen fließt dies zuerst schnell aber mit abnehmendem Wasserpegel im Fass immer langsammer.

 

Nun wird auch in Abbildung 1 gezeigte Spannungskurve sehr schnell verständlich, denn mit abnehmendem Strom (Ampere)  sinkt die Spannung immer weiter.

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Gefahren

Ihr Akkupack kann enorme Energie speichern, bitte gehen Sie deshalb sorgsam mit dem Akkupack um, versuchen Sie hohe Temperaturen sowie stürze und Mechanische Belastungen so gut es geht zu vermeiden.

 Jeder Akku typ wird durch unsere Erfahrung und unsre Technisches Know How vor dem Start eines Produktes Sorgsam unter die Lupe genommen. Alle unsere Akkutypen erfüllen Internationale Normen (UN Zertifikat)

 

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Im oben gezeigten Zellaufbau trennt der Separator die beiden Elektroden – ohne Ihn würde die Reaktion des Elektronenaustausches in kürzester Zeit  ablaufen und dabei gewaltige Energiemengen freisetzen, hier findet man sicherlich einige Videos  im Internet. Mechanische Belastungen können den Seperator beschädigen und dadurch solche heftigen Reaktionen hervorrufen. Auch hohe Temperaturen belasten den Seperator.

 

Heutzutage gibt es hier allerdings Schutzmechanismen die ein Zerstören des Seperators verhindern (Batterie Management System), die bei allen unseren Fahrzeugen verbaut sind.

Da wir im Entwicklungsprozess von solchen Batterie Management Systemen voll eingebunden sind, wissen wir auch hier worauf es ankommt und nehmen hier unsere Möglchkeit war, die Hersteller bei gewissen Entwicklungsprozessen zu unterstützen.

 

Lagerrung

Die Lagerrung der heutiger Lithium Akkupacks zeigt sich inzwischen als Unproblematisch. Bei längerer Lagerrung (Winterpause) Empfehlen wir den Akku etwa halbvoll an einem kühlen ca. 18°C aber trockenen Ort zu lagern.

 

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Die einzelnen Akkuzellen speichern die vom Ladegerät eingespeiste Energie in Form eines Chemischen Prozesses à Siehe Zellenaufbau. Leider lässt es sich nicht vermeiden das über den Seperator kein Elektronenaustausch stattfindet. Hier fließt immer ein minimaler entladestrom welche den Akku langsam entlädt (0,05 %). Es empfiehlt sich daher den Akku teilweise geladen 50% (um bei der Entladung zeit zu gewinnen) an einem Kühlen Ort (um die Chemische Reaktion zu verlangsamen) zu lagern.  Ist der Akku mit mehr als 50% geladen, finden auch vermehrt Reaktionen mit dem Seperator statt, welche diesen über die Dauer belasten können.

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Temperaturen

 

Ladetechnik

Prinzpell stellt das Ihnen zum Produkt zur Verfügung Gestellte Ladegerät die Beste Lademöglichkeit für Ihr Akkusystem dar. Sie können die Lebensdauer des Akkus jedoch erhöhen wenn Ladegerät und Akku in einem Kühlen Umfeld (18°C) Laden.

 

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Es gibt mehrere Ladeverfahren die den Akku auf die gewünschte Kapazität bringen. Grundsätzlich gillt das das Ladegerät in der Ladungsphase dem Akku Energie zur Verfügung stellt, diese durch einen Chemischen Prozess im Akku gespeichert wird. Die Energie entspricht die über die Zeit abgegebene Stromstärke und Spannung über einen gewissen Zeitraum. Hier gibt es viele Parameter die zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Man kann einen Akku z.B. besonders Schnell oder besonders Schonend aufladen.

Zellenhersteller geben den Maximalen Ladestrom in Form eines fiktiven Parameters C an, der aus Maximalen Ladestrom im Verhältnis zur Kapazität besteht. Das ist erstmal schwer vorzustellen, macht allerdings beim näheren Betrachten richtig Sinn.

Eine Typische Zelle besitzt ca. 2,3 Ah was bedeutet das ein Ladegerät welches eine Stude 2,3 Ampere dem Akku zur Verfügung stellt den Akku vollgeladen hat. Hier hätten wir einen Ladevorgang mit 1C. Will man den Akku in 30 minuten volladen sollte hier ein Ladestrom von 4,6 Ampere Fließen, sprich 2C.

Die Zelle erwärmt sich jedoch beim Laden mit mehreren C vielfachen viel stärker, was sich wiederrum auf die Lebensdauer auswirkt. Die Belastung eines Akkus ist beim Schnelladevorgang also deutlich höher.

 

Beim Laden stellt das Ladegerät die Entladeschlusspannung des Gesamten Packs also 42V bei einem 10er Zellenpack ein und begrenzt den Strom auf den entsprechenden C Facktor. Wird eine Grenzspannung vom Akku nach einer gewissen Zeit erreicht schaltet das Ladegerät auf eine Schonladefunktion um.

Aus diesem Grund hat ein leerer Akku innerhalb kürzester Zeit am Ladegerät die hälfte seiner spezifizierten Spannung, zur vollen ladeschlusspannung können allerdings mehrere Stunden vergehen.

 

 

 

Temperatur

 

Da jede Akkuzelle ein kleines Chemielabor beherbergt sind äußere Einflüsse wie Temperaturen von großer Bedeutung. Intelligente Batterie Management Systeme messen dabei die Temperaturen an unterschiedlichen Stellen im Akkupack, und fahren das System beim Laden/Entladen herrunter (oder Begrenzen dessen leistung).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Wasserstoff

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Solar

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