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Batterietechnik

Batterie Technologie

Die proANTs werden mit moderner Batterietechnik ausgestattet, es werden Lithium Ionen Sekundärbatterien (Lithium-Eisenphosphat LiFeYPo4) eingesetzt. Der Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator ist eine Weiterentwicklung des Lithium-Ionen-Akkumulators. Als Kathodenmaterial wird LiFe-PO4 verwendet und eine Dotierung mit Yttrium verbessert die technischen Eigenschaften (Leistung und Haltbarkeit).
Diese Batterie ist eine Trockenbatterie.

Eigenschaften LiFeYPo4

Lithium-Eisenphosphat ist ungiftig und nicht brennbar. Die LiFeYPo4 Zellen sind hochstromfähig, zyklenfest und kaum selbstentladend. Im Gegensatz zu herkömmlichen Li-Ionen-Zellen scheidet sich bei Überladung kein metallisches Lithium ab und es wird kein Sauerstoff freigesetzt
Bei diesen Batterien gibt es keinen Memoryeffekt (wie NiCd oder NiMH Akkus), so dass die Zellen bei ordnungsgemäßem Gebrauch eine sehr lange Lebensdauer besitzen.
Sie werden deshalb auch millionenfach im Konsumerbereich z.B. in eBikes, Mobiltelefonen und Notebooks eingesetzt. Die größten Zellblöcke bis 30.000 Ah werden in U-Booten verwendet.

LiFeYPo4 Batterien ermöglichen kurze Ladezeiten, je nach Ladestrom kann die Batterie in wenigen Minuten vollständig geladen werden.
LiFeYPo4 Akkus geben bis kurz ihrer Tiefenentladung fast ihre vollständige Nennspannung ab, dann jedoch bricht die Spannung schlagartig zusammen.

Batterietechnik proANT: Lade und Entladekurven Batteriezelle

Batterietechnik proANT: Lade und Entladekurven WB-LYP40AHA

Vor- und Nachteile LiFeYPo4

Vorteile LiFeYPo4Nachteile LiFeYPo4
• hohe Entladeströme
• hohe Sicherheit
• hohe Zyklenfestigkeit
• kurze Ladezeiten
• in Herstellung und Entsorgung umweltfreundlicher als LiMn Akkus
• Zellen sind etwas schwerer als andere Sekundärbatterien gleicher Kapazität
• in guter Qualität teurer*
• Batteriemanagement und Balancerschaltung erforderlich

Technische Daten

Batterietechnik proANT: Technische Daten Batteriezelle

Batterietechnik proANT: Technische Daten WB-LYP40AHA

Batterie Lebensdauer

Beispielberechnung: 40 Ah Batteriepack bei einer durchschnittlichen Stromentnahme von 5,7 A

Mit Hilfe der Informationen des Batterie Monitoring wird das FTF bei spätestens 80% DOD (depth of discharge) zu einer stationären Ladestation gesteuert. In diesem Fall kann das FTF nach Datenblatt des Batterie Herstellers mindestens 5000 mal aufgeladen werden. Daher ergibt sich eine minimale Lebensdauer von 5000 x 6 h = 30.000 h = 1.250 Tage = 3,42 Jahre. Durch das im folgenden Kapitel beschriebene sogenannte „Opportunity charging“ werden jedoch die Batteriepacks der FTFs praktisch fast nie bis zu 80 % entladen. Im Datenblatt der Batteriezelle sieht man das die Lebensdauer (Life Cycle) bei nur 10 % weniger DOD bereits um 40 % steigt. Damit dürfte sich eher eine realistische Lebensdauer von 7000 x 6 h = 42.000 h = 1.750 Tage = 4,79 Jahre ergeben.

Laden des Batterie-Packs

Die effektivste, aber aufwendigste Lösung ist Ladung jeder einzelnen Zelle, was aber bei der Verwendung in einem FTF nicht durchführbar ist. Deshalb werden die Zellen zu einem Block verbunden und die Zellen durch eine Balancer Schaltung abgesichert.

An jeder Zelle ist ein Balancer Board kontaktiert, der dafür sorgt, dass alle Zellen auf dem gleichen Niveau sind. Er gleicht den Ladestrom der Zellen aus, wenn eine Zelle bereits voll ist, die anderen Zellen aber noch geladen werden müssen.

Alle Balancer Boards kommunizieren über ein Bussystem mit dem Batterie-Management System BMS und damit letztlich auch zum Ladegerät.
Auf jedem Balancer Board ist ein Temperatursensor, der die Temperatur der Zelle überwacht.

Ladevorgang

Das FTF besitzt Ladekontaktflächen, die an der Ladestation gefedert kontaktiert werden. Erst wenn das FTF angedockt ist und den Kontakt der Ladestation per Datenübertragung bestätigt, fließt der Ladestrom. Sobald das Batteriemanagement dem FTF meldet, dass die Batterie voll geladen ist oder zu warm ist, wird der Ladevorgang beendet.

Opportunity Charging

Durch die kurzen Ladezeiten, die die Lithium Eisen Technologie ohne negative Auswirkung auf die Kapazität und Haltbarkeit der Batterie zulässt, kann das FTF im laufenden Betrieb ständig nachgeladen werden, wenn es z.B. auf die Übergabe von Lasten wartet. Hier handelt es sich um Ladezeiten von ca. 40-60 s, wenn das FTF an den Übergabestationen steht

Ladestation

Die Ladestation wird im Normalbetrieb nur dazu dienen, im Falle einer Tiefentladung die Batterie des FTF wieder in den Ladezustand von 80-20% zu bringen. Sie wird sich in der Nähe des Wartungsplatzes befinden.

Bedingungen für maximale Haltbarkeit

Die Haltbarkeit der LiFeYPo4 wird durch folgende Maßnahmen optimiert:

–       Verwendung der Batterie im Bereich 80-20% des Ladezustands

–       Installation einer Balancer Schaltung

–       Verwendung eines Batteriemanagement Systems, das Spannung, Ladezustand (SOC), Temperatur und den Status überwacht

–       möglichst geringer Ladestrom (0,5 CA)

Sicherheit

Beim Laden dieses Batterietyps wird kein Sauerstoff freigesetzt. Weiterhin wird im Gegensatz zu herkömmlichen Li-Ionen-Zellen bei Überladung kein metallisches Lithium abgeschieden Die Abscheidung und Sauerstoff führt bei älteren Typen von Li-Ionen-Akkumulatoren zum sogenannten thermischen Durchgehen, das unter ungünstigen Bedingungen sogar zur Explosion der Zelle führen kann. Bei einem Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator ist dies bei sachgemäßer Verwendung nicht möglich.

Zusätzlich wird die Temperatur jeder einzelne Zelle über das Balancer Board überwacht.

Gefährdungen und Maßnahmen

Batterie-Zelle

Eine thermische Reaktion kann bei folgenden Defekten auftreten:

  • Kurzschluss/Verpolung
  • mechanischer Defekt
  • zu hohe Außentemperatur

Maßnahmen

  • Das Batteriezellen-Pack wird mit einem Batteriemanagement-System betrieben, das einen Defekt erkennt und an das Leitsystem meldet
  • Ein Überladen oder Tiefentladen erzeugt bei diesem Batterietyp keine Brandgefährdung.
  • Das Batterie-Pack ist im FTF mit einem Metallblech vor mechanischer Beschädigung geschützt.
  • Im Brandfall (Produktion) kann die Batterie mit Wasser oder einem CO2 Feuerlöscher gelöscht werden.

 

PDF Batteriekonzept_proANT