Dynamische Belastungen

Entgegen der allgemeinen Annahme stellt sich bei der näheren Betrachtung der tatsächlichen Strombelastungen von Batterien und anderen elektrochemischen Systemen zur Gleichspannungsversorgung und den sich aus den Belastungen ergebenden Spannungsverläufen heraus, dass Batterien oder Brennstoffzellen in vielen Systemen als eine Wechselstrom- bzw. Mischstromkomponente und nicht als eine Gleichstromkomponente angesehen werden müssen. In vielen Anwendungen übersteigt die Amplitude des Wechselstrom- die Größe des Gleichstromanteils und Änderungen der Stromrichtung führen zu so genannten Mikrozyklen im Bereich einiger Mikrosekunden bis Millisekunden.
Die Spannung oder der Strom eines elektrochemischen Systems, welches mit Leistungshalbleitern verbunden ist, kann in weniger als einer Mikrosekunde verändert werden. Lasten mit einer großen Induktivität können den Strom der Batterie sehr schnell ändern. Die Auswirkungen auf das Spannungsverhalten von elektrochemischen Systemen wie Batterien oder Brennstoffzellen bei transienten Stromänderungen werden im Rahmen dieser Arbeit untersucht. Es wird gezeigt, dass der physikalische Skineffekt angewendet auf elektrochemische Systeme eine Erklärung für die beobachteten Spannungsverläufe bieten kann, jedoch gleichzeitig viele neue Fragen aufwirft.
Mathematische Modelle zur Beschreibung der dynamischen Eigenschaften elektrochemischer Energiespeicher gewinnen auf Grund des gestiegenen Einsatzes von leistungselektronischen Bauteilen zur Energiekonditionierung immer mehr an Bedeutung. Bekannte Modelle beschränken sich hierbei auf eine zeitliche Auflösung von Sekunden oder Millisekunden. Eine kürzlich am Institut abgeschlossene Arbeit hat gezeigt, dass der geschilderte Spannungsverlauf durch transiente Stromverdrängung (Skineffekt) qualitativ und auch quantitativ gut beschrieben werden kann. Die in der Dissertation durchgeführten Simulationen nach der Methode der Finiten Elemente lassen sich jedoch nicht allgemeingültig auf andere Systeme übertragen und sind nicht transparent. Es werden keine Überlegungen unternommen, wie sich die durch den physikalischen Skineffekt verursachte stark inhomogene Stromverteilung auf die thermodynamischen und elektrochemischen Eigenschaften der Energiespeicher auswirkt.
Zur Erfassung der dynamischen Anforderungen an die NiMH-Batterie eines Hybridfahrzeugs worden in einem Toyota Prius Strom und Spannung der Batterie analog über Strom- und Spannungswandler gemessen. Zusätzlich werden vom fahrzeuginternen Bussystem (CAN-BUS) die Werte für Batteriestrom, -spannung und -temperatur, sowie die Fahrzeuggeschwindigkeit abgefragt. Weitere Daten sind optional abrufbar.
Es wird ein Modell für die NiMH-Hochleistungsbatterie unter Berücksichtigung der elektrischen und thermischen Eigenschaften der Batterie erstellt. Für impulsförmige Stromänderungen wird ein Modell zur Berechnung der transienten Stromverteilung erstellt. Die Auswirkungen der stark inhomogenen Stromverteilung auf Grund des Skineffekts auf die elektrochemischen Vorgänge bilden einen eigenen Arbeitspunkt im Rahmen der Forschung bei hohen dynamischen Anforderungen.
Das erstellte Modell ist in der Lage, den Spannungsverlauf für einen massiven Rundleiter und sprungartige Ein- und Ausschaltvorgänge zu berechnen. Die Erweiterung für Ströme beliebigen Stromverlaufs und die Betrachtung der instationären elektrochemischen Vorgänge sind die nächsten Schritte. Die Ergebnisse werden in das DFG-Vorhaben Be 1496/14-1 “Leistungsstarke Kurzzeit-Energiespeichersysteme” implementiert.

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