Zellen in Reihe - IEE: Über uns · Pb + PbO 2 + 2H 2 4 ⇒ 2PbSO 4 + 2H 2O ... Jedes Modul: 5s 4p...

Zellen in Reihe

Vorlesung vom 23. 1. 2012

Zellen in Reihe und parallel, Zellfehler und sonstige Fehler

Zellen in Reihe und parallel mit unterschiedlicher Kapazität und p pInnenwiderstandAuswirkungen von Ladung mit konstantem Strom und konstanter SpannungSonstige Fehler

WA 2011/2012 Dr. Heinz Wenzl – Beratung für Batterien und Energietechnik; Am Bergwäldchen 27, 37520 Osterode; [email protected]

1

Zellen in Reihe

Vollständiges Ersatzschaltbild beim Entladen

LastElektronenrichtung

Gitter Gitter Gitter Gitter

Zellverbinder

Elektrolyt

GitterAktivmasse

GitterAktivmasse

Elektrolyt

GitterAktivmasse

GitterAktivmasse

Neg. Pos. Neg. Pos.

Am Ende der Entladung ist eine Elektrode als erstes "erschöpft" (keine Reaktanden mehr):• Keine Nebenreaktionen: e e ebe ea o e

System wird hochohmig, es fließt kein Strom durch die Last. Die an der erschöpften Elektrode anliegende Spannung steigt, je größer die Zahl der Zellen ist.

• Nebenrektionen (Überentladereaktionen) sind vorhanden:Spannung an der erschöpften Elektrode kann über die Butler-Volmer-Gleichung für dieSpannung an der erschöpften Elektrode kann über die Butler-Volmer-Gleichung für die Überentladereaktion bestimmt werden.Die Elektrodenspannung ist eine Funktion des Stroms (Durchtrittsüberspannung);

S h t d S t di N b kti i t t di di di Si h h it d


2

Schutz des Systems gegen diese Nebenreaktion ist notwendig, wenn diese die Sicherheit des Systems (Gasentstehung, starke Hitze, etc.) oder die Lebensdauer (irreversible Änderungen des Materials) verursacht.

ÜElektrochemie

Entladung einer Telekommunikationsbatterie mit Überentladung

Entweder positive oder negative Elektrode einer Zelle, Zellspannung ca. 0 V, wird überentladen.e spa u g ca 0 , d übe e t ade


3

Zellen in Reihe

Vollständiges Ersatzschaltbild beim Entladen

LastElektronenrichtung

Gitter Gitter Gitter Gitter

Zellverbinder

Elektrolyt

GitterAktivmasse

GitterAktivmasse

Elektrolyt

GitterAktivmasse

GitterAktivmasse

Neg. Pos. Neg. Pos.

Die Widerstände entlang des Strompfades sind nicht gleich. • Widerstände außerhalb der Zelle (z.B. Verbinder zwischen den Zellen, Anschlüsse) können

identifiziert werden. Sie sind für den Zellverbund unkritisch und wirken wie eine Erhöhung des Lastwiderstands, ggf. mit Auswirkungen auf die Temperatur der benachbarten Zellen. Bei Entladung bis zu einer Spannungsuntergrenze wird die entnehmbare Kapazität reduziert und der Innenwiderstand der Batterie steigt. Die Zellen werden nicht belastet.

• Widerstände innerhalb der Zelle können nicht durch eine Messung lokalisiert bzw. unterschieden werden. Zellen mit höherem Innenwiderstand werden bis auf eine niedrigere Klemmenspannung entladen. Elektrochemisch problematisch ist das nur, wenn der erhöhte Widerstand der Ladungsträgerdurchtrittswiderstand ist. Aus Sicherheitsgründen wird der gravierendste Fall (Ladungsträgerdurchtrittswiderstand)


4

angenommen.Die Zelle erwärmt sich.

Zellen in Reihe

Vollständiges Ersatzschaltbild beim Laden von Zellen mit Nebenreaktionen

LadegerätLadegerätElektronenrichtung

Gitter GitterAkti

Gitter GitterAk i

Zellverbinder

ElektrolytAktivmasse Aktivmasse


Neg. Pos. Neg. Pos.

Verschiedene Kapazitäten der Zellen oder ElektrodenUnter der Annahme, dass alle Elektroden am Anfang der Entladung vollgeladen waren (nur geladenesaktives Material), befindet sich zu Beginn der Ladung auf allen Elektroden die gleiche Menge an

tl d M t i l t h d 1/ F ∫I dt (Gilt k i d R ktientladenem Material, entsprechend 1/nF x ∫Ientladungdt. (Gilt nur, wenn keine anderen Reaktionen (Überentladung) stattgefunden haben.)• Während der Ladung und vor allem am Ende der Ladung ist das Verhältnis von Hauptreaktion und

Nebenreaktion an den beiden Elektroden unterschiedlich, so dass die Elektroden unterschiedlich schnell vollgeladen werden Eine Elektrode kann schon weitgehend vollgeladen sein (fast alle entladenenvollgeladen werden. Eine Elektrode kann schon weitgehend vollgeladen sein (fast alle entladenen Materialien sind zurückverwandelt), während bei der anderen wegen sehr viel größerer Nebenreaktionen noch viel entladenes Material übrig ist.

• Eine geringere Kapazität bedeutet, dass bereits zu Beginn der Ladung das Verhältnis geladenen zu entladenen Material und somit auch das Verhältnis von Haupt- zu Nebenreaktionen an der Elektrode mit


5

pgeringerer Kapazität anders ist als bei der entsprechenden Elektroden in einer anderen Zelle. Die Zelle mit verringerter Kapazität kann eine höhere Ladespannung als zulässig erhalten, weil sich der eingeprägte Ladestrom auf eine geringere effektive Fläche konzentrieren muss. Die hohe Elektrodenspannung treibt Nebenreaktionen an und kann die Elektrode bzw. den Elektrolyt zerstören.

Zellen in Reihe

Vollständiges Ersatzschaltbild beim Laden


Gitter GitterAkti

Gitter GitterAk i

Zellverbinder



Neg. Pos. Neg. Pos.

1. Eine Zelle kann nur vollgeladen werden, wenn mindestens eine der Elektroden eine nicht-zerstörerische Nebenreaktion besitzt Diese Elektrode muss dannnicht-zerstörerische Nebenreaktion besitzt. Diese Elektrode muss dann überdimensioniert sein und kann selber nicht vollgeladen werden.

2. Die Volladung beider Elektroden einer Zelle bedingt eine nicht-zerstörerische Nebenreaktion beider Elektroden.

3. Zellen in Reihe können nur vollgeladen werden, wenn es - nicht zerstörerische Nebenreaktionen gibt oder- eine aktive Steuerung der Zellladung gibt (Ladestrom durch die Zellen ist dann nicht gleich) wobei es ohne Nebenreaktionen in diesem Fall nur eine der beiden Elektroden


6

gleich), wobei es ohne Nebenreaktionen in diesem Fall nur eine der beiden Elektroden vollgeladen werden kann

Zellen in Reihe

Vollständiges Ersatzschaltbild beim Laden


Gitter GitterAkti

Gitter GitterAk i

Zellverbinder



Neg. Pos. Neg. Pos.

Erhöhter Widerstand einer ZelleDer erhöhte Widerstand führt dazu, dass die Spannungsgrenze früher erreicht wird und der Ladestrom früher abgeregelt wird Der Ladeprozess verlangsamt sich dadurch ab diesem PunktLadestrom früher abgeregelt wird. Der Ladeprozess verlangsamt sich dadurch ab diesem Punkt. Bei langen Anschlusskabeln und Spannungsmessung am Ladegerät wird das rechnerisch kompensiert. Wenn eine Zelle einen höheren Innenwiderstand hat, dann ist ihre Klemmenspannung höher im Vergleich zu den anderen. Die Stromdichte an den Elektroden wird

ßhöher sowie ungleichmäßiger.Als Sekundäreffekte steigt die Temperatur der betroffenen Zelle mit entsprechenden Konsequenzen. Im Ladeerhaltungsbetrieb sinkt der Strom (bei Konstantspannungsladung), was die Volladung


7

g ( p g g) gder Zellen unmöglich machen kann, oder die Spannung der hochohmigen Zelle steigt bei Konstantstromladung.

Zellen in Reihe / Kapazitätsunterschiede

Beim Entladen einer n-zelligen Batterie:Entladeschluss, wenn die Spannung aller Zellen als Summe zu niedrig geworden ist.Eine Elektrode wird immer als erstes entladen sein Als Spannung liegt an:Eine Elektrode wird immer als erstes entladen sein. Als Spannung liegt an:

- Udefekte Elektrode = (n-1) x Uzelle + Uintakte Elektrode – I x RLast

Bei Zelle ohne Nebenreaktion: Zelle wird hochohmig, es liegt an der defektenBei Zelle ohne Nebenreaktion: Zelle wird hochohmig, es liegt an der defekten Elektrode eine sehr hohe Spannung an und der Laststrom wird Null.Bei Zelle mit Nebenreaktion wird die Nebenreaktion ihrem Butler-Volmer-Term entsprechend durchgeführt. Je mehr Zellen, desto größer ist die Spannungsbelastung!

Beim Laden einer n-zelligen Batterie:- ohne Nebenreaktionen:ohne Nebenreaktionen: Zelle wird hochohmig, der Strom wird auch bei hochdimensioniertem Ladegerät Null Bei konstantem Strom: Spannung steigt "gegen unendlich"Bei konstanter Spannung: Strom geht gegen Null

- Mit Nebenreaktionen:Das Ladegerät treibt die Nebenreaktion mit den jeweiligen Konsequenzen an

d bild t i h i S l t (L d it k t t St )


8

und es bildet sich ein Spannungsplateau aus (Ladung mit konstantem Strom)mit dem zugehörigen Stromwert aus. Auswirkungen werden geringer, je mehr

Zellen vorhanden sind.

Zellen in Reihe / Kapazitätsunterschiede

Erhöhter Widerstand:Es wird davon ausgegangen, dass der erhöhte Innenwiderstand durch eine Veränderung des Ladungsträgerdurchtrittswiderstands verursacht wird und deshalbVeränderung des Ladungsträgerdurchtrittswiderstands verursacht wird, und deshalb auch die Zellen mit erhöhtem Innenwiderstand immer innerhalb der zulässigen Grenzen bleiben müssen. Durch Einzelzellenüberwachung und Anpassung der Lade-und Entladebedingungen an die schwächste Zelle wird das erreicht.und Entladebedingungen an die schwächste Zelle wird das erreicht.

Beispiel für Zellen eines Strangs im Ladeerhaltungsbetrieb mit erhöhtem Widerstand.

Die defekten Zellen (gelb) zeigen im Ladeerhaltungsstrom (ca. 2 Aeff) einen hohen Spannungsripple. Bei Entladung werden sie umgepolt!Di i k Z ll ( ü ) h bDie intakten Zellen (grün) haben nur einen geringen Spannungsripple und S i b h


9

Spannungseinbruch.

ÜElektrochemie

Übersicht über die Reaktionsgleichungen beim Laden und Entladen einer Bleibatterie:Positive Elektrode Negative Elektrode Zellengleichung

Entladung PbO + H SO + 2H+ + 2e- Pb + H SO Pb + PbO + 2H SO

Entladung PbO2 + H2SO4 + 2H+ + 2e⇒

PbSO4 + 2H2O

Pb + H2SO4

⇒PbSO4 + 2H+ + 2e-

Pb + PbO2 + 2H2SO4

⇒2PbSO4 + 2H2O

Mischbetrieb PbSO + 2H+ + 2e- Pb + H SOMischbetrieb (positive Überentladen, negative entladen

PbSO4 + 2H + 2e⇒

Pb + H2SO4

Pb + H2SO4

⇒PbSO4 + 2H+ + 2e-

Keine Gesamtreaktion

Überentladung beider Elektroden

PbSO4 + 2H+ + 2e-

⇒Pb + H2SO4

PbSO4 + 2H2O ⇒

PbO2 + H2SO4 + 2H+ + 2e-

2PbSO4 + 2H2O ⇒

PbO2 + Pb + 2H2SO4

Ladung* PbSO4 + 2H2O ⇒PbO2 + H2SO4 + 2H+ + 2e-

PbSO4 + 2H+ + 2e- ⇒Pb + H2SO4

2PbSO4 + 2H2O ⇒Pb + PbO2 + 2H2SO4

Überladung H O ⇒ ½ O + 2H+ + 2e- 2H+ + 2e- ⇒ H H O ⇒ H + ½ OÜberladung H2O ⇒ ½ O2 + 2H+ + 2e- 2H+ + 2e- ⇒ H2 H2O ⇒ H2 + ½ O2

Überladen mit Rekombination

H2O ⇒ ½ O2 + 2H+ + 2e- Überwiegend: 2H+ + 2e- + ½ O2 ⇒ H2O

Verbleibende Nebenreaktion


10

2H + 2e + ½ O2 ⇒ H2O H2O ⇒ H2 + ½ O2

*: Ladung und Überentladung finden immer gleichzeitig statt!

Elektrochemie

de e

elec

tro

lect

rod

R+ R+

Diffusionos

tive

e

ativ

e elR R+

e-e-

Po

Neg

aR R

Diffusion

Shuttle-Reaktionen: U ü ht d h V i i• Unerwünscht durch Verunreinigungen,

• Gewünscht durch Zusätze von speziellen Additiven, die nicht verbraucht werdenAndere Schutzmechanismen: • Überdimensionierung einer Elektrode um die Überentladung zu verhindern


11

Überdimensionierung einer Elektrode, um die Überentladung zu verhindern, • Zusätze von Additiven zu den Elektroden, die bei Über- oder Unterschreiten von

Grenzspannungen aktiv werden

Parallel- und Seriellschaltung

Jedes Modul: 5s 4p (5Zellen in Reihe und 4 Stränge parallelTesla: 11 parallele SträngeKapazität 8 x Zellkapazität


12Nennspannung: 10 x Nennspannung der ZelleInsgesamt 64 Zellverbinder statt 8 bei Zellen der gleichen Kapazität

Parallel- und Seriellschaltung

Sicher ng am besten ischen den beiden Mod len Parallelschaltung vonSicherung am besten zwischen den beiden Modulen

Zusätzliche Vernetzung der Zellen innerhalb eines Moduls

Parallelschaltung von Zellen

Sowohl Lade- als auch Entladeströme fließen den jeweiligen Innenwiderständen und Ruhespannungen der Einzelzellen entsprechend.Fehlertolerantes System mit Reduzierung der Spannungsüberwachung (pro Zelle ein galvanisch getrennter Abgriff!)galvanisch getrennter Abgriff!)

Parallele Stränge werden auch dann gebaut, wenn dadurch Zellen mit höherem Produktionsvolumen und günstigeren Preisen möglich werden.


13

g g gDas eigentliche Kriterium wäre "mean time between failure (MTBF)"

ParallelschaltungParallelschaltung

Der Strom teilt sich auf die Stränge entsprechend ihren Gesamtwiderständen fauf.

• Am Ende der Entladung sind die Ladezustände der einzelnen Stränge unterschiedlich. Wegen der Ladezustandsabhängigen Widerstände verändern sich die Gesamtwiderstände pro Strang und damit die Stromverteilung kontinuierlichGesamtwiderstände pro Strang und damit die Stromverteilung kontinuierlich.

• Am Ende der Ladung und im Ladeerhaltungsbetrieb sind alle Stränge gleich geladen, weil sie über eine längere Zeit die gleiche Ladespannung sehen. Während der Ladung kann es zu geringfügigen Ladezustandsunterschieden der Stränge kommen. g g g g g


14

Auswirkungen von Fehlern

Lasten

Zellverbinder

Erdung,Last oder Ladegerät

Ladegerät

Interzellverbinder

Polbrücke

Spannungsmessung Spannungsmessung

Zellverbinder

-+t

Polbrücke und Pol

Polarisations-widerstand Ü

0 V2,1 V2,1 V

4,2 V

2,1 V

Ele

ktro

lyt (Überspannung)

Elektrolyt- und Elektroden-widerstand0,4 V2,5 V

2 1 VE

Zelle 1 Zelle 2 Zelle 3 Zelle 4 Spannungsquelle

Block 1 Block 2

2,1 V

Spannungswerte: Circawerte für "stromlosen" Zustand1. Welche Fehler können entstehen2 Was passiert bei welchen Fehlern


15Datum: 07.01.2003

2. Was passiert bei welchen Fehlern3. Unterschiede zwischen Ladung und Entladung4. Unterschiede zwischen Konstantstrom- und Konstantspannungsladung

Fehler Unzulässiger Strompfad

Isolationswiderstand gegen andere Teile der Anlage ist zu gering (<100 Ohm/V) b K hl A l il d i h Z llbzw. Kurzschluss gegen Anlagenteile oder zwischen Zellen1. Bei ungeerdeten Anlagenteilen:

Strom- und Spannungsverlauf 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:3. Bei geerdeten Anlagenteilen und festgelegter Batteriespannung:I = V/R, Spannung ist vom Fehlerort abhängig, Leistung P = I²R (kann zu langsamen Absinken des Widerstands (Erwärmung, "Verkohlung" des Strompfades) mit entsprechenden Folgen (Entladung, Feuer, etc.) führen.

4. Im Ladeerhaltungsbetrieb:Zellen vor und nach einem Kurzschluss gegen Erde werden unterschiedlich geladen, selbst wenn mur wenige Milliampere über den Kurzschluss fließen.

5 Kurzschluss zwischen Zellen5. Kurzschluss zwischen ZellenI = V/R, Spannung ist von der Zahl der Zellen abhängig. Im echten Kurzschlussfall können mehrere 1000 A für viele Sekunden fließen und einen Brand auslösen (L i t b b i übli h St t b tt i d tli h üb 2 kW fü i d t 10


16

(Leistungsabgabe einer üblichen Starterbatterie deutlich über 2 kW für mindestens 10 Sekunden)

Fehler

Unzulässiger Strompfad – Messmethoden und Schutz

1. Isolationswiderstand: Batterieoberfläche muss sauber und trocken sein!

2. Isolierte Werkzeuge, Bediener isoliert gegen Umgebung (Schutzkleidung)

3. GleichstromsicherungenNur wenn Batterie nicht für Hochstromanwendungen wie z.B. dem Starten von Motoren benutzt wirdvon Motoren benutzt wird.

4. Vergleich der Zellenspannungen untereinander:Die Entladung einer Zelle mit dem Strom I führt zu den aus denDie Entladung einer Zelle mit dem Strom I führt zu den aus den Entladekennkurven bekannten Entladespannungen. Fehler wird erst angezeigt, wenn die Spannungsabweichung groß genug ist (z B 100 mV x √n mit n Zahl der Zellen die gemeinsam überwacht werden)(z.B. 100 mV x √n, mit n Zahl der Zellen, die gemeinsam überwacht werden).


17

Fehler Kurzschluss

Kurzschluss in einer Zelle

1 H h h i K hl1. Hochohmiger Kurzschluss: Zelle wird langsam entladen und von außen messbare Spannung sinkt sehr langsam!

2. Niederohmiger Kurzschluss Es fließen sehr hohe Ströme (I = 2V/R)!! :Es fließen sehr hohe Ströme (I 2V/R)!! :Zelle wird entladen, von außen messbare Spannung 0V. Kurzschluss über dem Elektrolytspiegel: Akute ExplosionsgefahrKurzschluss unter dem Elektrolytspiegel: Die während des Kurzschlussfalles entstehende L i t k f d K hl " b " E l i f h i ht h dLeistung kann ggf. den Kurzschluss "wegbrennen". Explosionsgefahr nicht vorhanden, weil "kein" Wasserstoff im Elektrolyten vorhanden ist

Ladegerät/Last R 1 Entladung:Ladegerät/Last RL

Kurzschluss RK

1. Entladung:Aufteilung der Ströme im Verhältnis der Widerstände, Gesamtstrom entsprechend V/R mit R = RLRK/(RL+RK), ohne Berücksichtigung d I id t d d Z llNR des Innenwiderstands der Zelle;

2. KonstantspannungsladungZelle bleibt geladen, Strom steigt

3. Konstantstromladung


18HRZelle wird nicht richtig geladen bzw. entlädt sich je nach Verteilung der Ströme bzw. Verhältnis der WiderständeZelle

Fehler

Auswirkung eines Zellenkurzschlusses auf die anderen Zellen des Batteriestrangs

Entladung1. Zelle wird zusätzlich mit einem Strom von V/R (V ~ 2V) entladen2 Die Zelle ist schneller entladen so dass die Batteriespannung am Ende2. 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 zur Detektierung von Spannungsunterschieden zwischen Zellen durchgeführt).

3. Erhöhung der Temperatur um die vom Kurzschluss verbrauchten Leistung während der gesamten Entladezeit.

4. Zelle mit Kurzschluss wird tiefer entladen als die anderen, eine Überentladung ist auch bei niederohmigen Kurzschluss schlecht vorstellbar wenn die Batterie imauch bei niederohmigen Kurzschluss schlecht vorstellbar, wenn die Batterie im vollgeladenem Zustand war bzw. realtiv häufig vollgeladen wird..


19

A i k i Z ll k hl f di d Z ll dFehler


KonstantspannungsladungKonstantspannungsladungSpannung der Zelle mit Kurzschluss RK verringert sich, weil der insgesamt fließender 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(E – IKRK – Eo)]Zellen ohne Kurzschluss: I = I x exp[k(E E )]Zellen ohne Kurzschluss: IBatterie = Io x exp[k(E – Eo)]Spannungsdifferenz: ΔV = E - IKRK

Auswirkungen1 Diese Spannungsdifferenz verteilt sich gleichmäßig auf alle anderen Zellen und erhöht deren1. 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.

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 dieder 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 vollgeladen werden kann (IBatterie – IK muss größer als der Selbstendladestrom sein, damit die Volladung gelingen kann).Ladegeräte für den Ladeerhaltungsbetrieb werden oft mit Begrenzungswiderständen ausgestattet


20

Ladegeräte für den Ladeerhaltungsbetrieb werden oft mit Begrenzungswiderständen ausgestattet, so dass der Erhaltungsladestrom eine bestimmte Grenze nie überschreiten kann.

A i k i Z ll k hl f di d Z ll dFehler


KonstantstromladungKonstantstromladungDie Aufteilung des Stroms in der Zelle mit Kurzschluss auf die spannungsbildende Reaktion und den Kurzschluss ist wie bei der Konstantspannungsladung.

Auswirkungen: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. Die Zellen mit normaler Temperatur werden dadurch mit dem Ladestrom noch bei höheren Einzelspannungen betrieben, die Nebenreaktionen, z.B. Gasung, steigen und die Zelltemperatur nimmt schnell zu Die Zellen werden dadurch mit Auswirkung auf dieZelltemperatur nimmt schnell zu. Die Zellen werden dadurch mit Auswirkung auf die Lebensdauer belastet.

Konstantstromladung am Ende der Ladung und für die Ladeerhaltung1. 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.

2 Ist die Erwärmung der kurzgeschlossenen Zelle wegen des Kurschlusses höher oder


21

2. Ist die Erwärmung der kurzgeschlossenen Zelle wegen des Kurschlusses höher oder ist wie wegen der geringeren Spannung und Nebenreaktionen niedriger? Es kommt auf die reversible Wärme der jeweiligen Reaktion an!

Fehler

Thermische Selbstzerstörung durch Selbstentladung an einer Elektrode

Wenn durch Alterung die Selbstentladereaktion einer Elektrode immer leichter abläuft, dann i d di i l d M t i l i h t E i f i t t d d El kt dwird die im geladenen Material gespeicherte Energie freigesetzt und an der Elektrode

vollständig in Wärme umgewandelt. Die dadurch erreichte Temperaturerhöhung erhöht den Prozesse weiter und die gesamte Energie wird relativ schnell umgesetzt. Die erreichbaren Temperaturen können Kunststoffgehäuse schnelzen lassen und zu Brand führen.Temperaturen können Kunststoffgehäuse schnelzen lassen und zu Brand führen.Problematisch wird das weiterhin, wenn das Ladegerät ohne Strombegrenzung diesen Prozess mit einem Ladestrom unterstützt.


22

Fehler Kurzschluss

Elektrolytkurzschluss zwischen zwei benachbarten ZellenElektrolytkurzschluss zwischen zwei benachbarten Zellen1. Spannungsdifferenz entspricht Zellspannung2. Widerstand hängt von den Dimensionen der Elektrolytverbindung ab: Abstand

zwischen den beiden Elektroden in den benachbarten Zellen und Querschnitt des El kt l t (B t hi ht d Riß i Z i h d b h lb dElektrolyten (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.

1 Elektrolytwiderstand wirkt wie Kurzschluss

olyt

1. Elektrolytwiderstand wirkt wie Kurzschluss zwischen zwei Elektroden – allerdings Elektroden benachbarter Zellen, die eineSpanungsdifferenz von ca. 4 V haben

Ele

ktro 2. Zusätzlich: Hohe Korrosionsspannung am

Interzellverbinder, wenn die Elektrolytbrücke in Kontakt mit dem Interzellverbinder steht.Wenn Interzellverbinder unter Belastung bricht


23

Wenn Interzellverbinder unter Belastung bricht, dann kann das im explosionsgefährdeten Bereich der Zelle sein!

Fehler

EntladungSpannung wird um den Faktor IRZusatz vermindert, im Zusatzwiderstand wird die Leistung I²RZusatz in Zusatzwärme umgewandelt.Zusatz g

Spezialfall Hochstromentladung beim Starten1. Widerstand des Startermotor RStarter: Ca.10 mOhm, entsprechend 1000A2 Hoher Strom kann nur fließen wenn RZ t und RSt t zusammen klein sind2. 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 entsprechend5. Wenn RZusatz innerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs ist, dann werden dort

während der Hochstromentladung sentsprechend hohe Spannungen erzeugt.

Einfache Fehlererkennung durch Beobachten des Spannungsabfalls beiEinfache Fehlererkennung durch Beobachten des Spannungsabfalls bei Hochstromentladungen


24

Korrosion - DegradationSpannung und Strom bei korrodiertem Interzellverbinder

AnlasserWenn der Interzellverbinder beim Startvorgang reißt, dann kann es durch einen Lichtbogen im Explosionsgefährdeten Bereich der Zelle zu einer Explosion kommen!

Interzellverbinder

Beispiel: 24 V Batterie Spannungseinbruch auf 12 Volt beim StartenWiderstand Anlasser

Widerstand Interzellverbinder

Strom Spannungsabfall Anlasser

Spannungsabfall Interzellverbinder

Wärmeleistung Interzellverbinder

O O

Beispiel: 24 V Batterie, Spannungseinbruch auf 12 Volt beim Starten

10 mOhm 0,001 mOhm 1200 A

12 V 0 V 0 W

10 mOhm 2 mOhm 1000 A

10 V 2 V 2 kW


25

A10 mOhm 10 mOhm 600 A 6V 6V 3,6 kW

Fehler

Auswirkung, wenn eine Zelle eine unterschiedliche Temperatur hat

Konstantspannungsladung: Weil die Spannungslage der warmen Zellen geringer ist, muss der Strom höher sein, damit die vorgegebene Spannung eingehalten wird.. Dies führt zu einer schnelleren Ladung aber auch höheren Überladung größerer Gasung und schnellererLadung aber auch höheren Überladung, größerer Gasung und schnellerer Temperaturzunahme bei allen Zellen. Die Zelle mit erhöhter Temperatur erfährt den gleichen Ladestrom, der aber mehr als bei den anderen Zellen in die Nebenreaktion fließt, so dass die Volladung im Vergleich zu g gden anderen Zellen langsamer wird. Unter bestimmten Bedingungen ist trotz höherem Batteriestrom keine Volladung der warmen Zelle mehr möglich.

KKonsequenz1. Zellen mit normaler Temperatur werden überladen und erleiden dadurch eine

Schädigung, insbesondere auch wegen der höheren Wärmeentwicklung2. Zelle mit höherer Temperatur wird ggf. nicht mehr vollgeladen, hat einen höheren2. Zelle mit höherer Temperatur wird ggf. nicht mehr vollgeladen, hat einen höheren

Wasserverlust und wird neben der Temperatur durch die hohe Gasungsrate geschädigt.


26

Fehler

Auswirkung, wenn eine Zelle eine unterschiedliche Temperatur hat

Konstantstromladung: Die Spannungslage der Zellen mit Normaltemperatur bleibt erhalten, außer der Auswirkung einer ggf. davor liegenden Konstantspannungsladung gibt es keine AuswirkungenAuswirkungen. Die Zelle mit erhöhter Temperatur erhält den gleichen Ladestrom wie alle anderen Zellen. Der Ladestrom fließt aber mehr als bei den Zellen mit Normaltembperatur in die Nebenreaktion, so dass die Volladung im Vergleich zu den anderen Zellen viel langsamer g g gwird. Unter bestimmten Bedingungen ist keine Volladung mehr möglich.

Konsequenz1 Zelle mit höherer Temperatur wird ggf nicht mehr vollgeladen hat einen höheren1. Zelle mit höherer Temperatur wird ggf. nicht mehr vollgeladen, hat einen höheren

Wasserverlust und wird neben der Temperatur durch die hohe Gasungsrate geschädigt. Die Schädigung ist aber insgesamt niedriger, weil der Ladestrom geringer ist.


27

Fehler

Einfluss unterschiedlicher Temperaturen

Abhängigkeit von der Temperatur:g g p1. Elektrolytwiderstand: Bei sehr tiefen Temperaturen wie ein Zusatzwiderstand mit

entsprechenden Wirkungen je nach Konstantstrom- oder Konstantspannungsladung.2. Ruhespannung: Vernachlässigbar3 Alle anderen ohmschen Widerstände: vernachlässigbar3. Alle anderen ohmschen Widerstände: vernachlässigbar4. Überspannung gemäß Butler-Vollmer-Gleichung: Entscheidender Term


28

A d T t Z ll k hl d h h h i F hlFehler

Andere Temperatur, Zellenkurzschluss oder hochohmiger Fehler Eine Zelle Andere Zellen im Verbund

KurzschlussK t t t

Spannung sinkt, weil der Strom für die Ladereaktionen geringer wird

Keine direkten Auswirkung auf die anderen Zellen; Konstantstrom die Ladereaktionen geringer wird.

Geringes Risiko einer Mangelladung

KurzschlussKonstantspannung

Strom steigt, weil zwei Strompfade parallel sind. Risiko einer Mangelladung in Abhängigkeit von

Spannung der betroffenen Zelle niedriger, Spannung der anderen Zellen höher und damit auch der gesamte Batteriestrom Höhere Erwärung mehrMangelladung in Abhängigkeit von

dem Widerstandwert des Kurzschlusses; Temperatur steigt.

Batteriestrom. Höhere Erwärung, mehr Nebenreaktionen.

Hochohmiger FehlerKonstantstrom

Spannung steigt, aber keine Auswirkung auf Ladezustand der

Keine direkte Auswirkung auf die anderen Zellen, Ggf. indirekter Fehler durch Temperaturanstieg der defekten Konstantstrom us u g au ade us a d de

Zelle, Temperatur steigt.d e e e e du c e pe a u a s eg de de e e

Zelle

Hochohmiger FehlerKonstantspannung

Strom sinkt, Gefahr einer Mangel-ladung

Spannung aller anderen Zellen sinkt um den gleichen Betrag, Gefahr von Mangelladung aller Zellen

Temperatur zu hoch Spannung sinkt Nebenreaktionen Keine AuswirkungTemperatur zu hochKonstantstrom

Spannung sinkt, Nebenreaktionen verändern sich, Gefahr einer Mangelladung

Keine Auswirkung

Temperatur zu hochKonstantspannung

Strom steigt, trotzdem Gefahr einer Mangelladung weil die

Spannung der anderen Zellen steigt wegen des höheren Stroms Spannung der betroffenen Zelle sinktKonstantspannung Mangelladung, weil die

Nebenreaktionen zunehmenhöheren Stroms, Spannung der betroffenen Zelle sinkt. Höhere Erwärung, mehr Nebenreaktionen.

Temperatur zu niedrigKonstantstrom

Spannung steigt, Nebenreaktionen nehmen ab

Keine Auswirkung

Temperatur zu niedrig Strom sinkt weil Innenwiderstand Spannung der Zellen sinkt wegen geringerem Strom


29

Temperatur zu niedrigKonstantspannung

Strom sinkt, weil Innenwiderstand zunimmt. Ggf, schnellere Volladung, wenn die Nebenreaktionen überproportional sinken.

Spannung der Zellen sinkt wegen geringerem Strom. Langsamere Ladung, im Extremfall (mehrere Zellen sehr kalt) keine ausreichende Ladung mehr..

Zellen in Reihe - IEE: Über uns · Pb + PbO 2 + 2H 2 4 ⇒ 2PbSO 4 + 2H 2O ... Jedes Modul: 5s 4p...

Documents

Transcript of Zellen in Reihe - IEE: Über uns · Pb + PbO 2 + 2H 2 4 ⇒ 2PbSO 4 + 2H 2O ... Jedes Modul: 5s 4p...