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Questions and Answers
Was wird als Vorteil von Wasserkühlung im Vergleich zu Luftkühlung genannt?
Was wird als Vorteil von Wasserkühlung im Vergleich zu Luftkühlung genannt?
Die Brennstoffzelle funktioniert nur, wenn Wasserstoff und Sauerstoff in einem geschlossenen System vorhanden sind.
Die Brennstoffzelle funktioniert nur, wenn Wasserstoff und Sauerstoff in einem geschlossenen System vorhanden sind.
True
Was sind die Hauptkomponenten eines Boost Recuperation Systems (BRS)?
Was sind die Hauptkomponenten eines Boost Recuperation Systems (BRS)?
Batterien und Elektroantriebe
Ein ______ konvertiert chemische Energie in elektrische Energie.
Ein ______ konvertiert chemische Energie in elektrische Energie.
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Ordne die Geräte ihren Hauptfunktionen zu:
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Was ist ein Beispiel für ein modellbasiertes System im Batterietechnik-Kurs?
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Lithium-Ionen-Batterien haben keine Altersungsproblematik.
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Was wird unter 'elektrischen Anforderungen' in der Systemmodellierung verstanden?
Was wird unter 'elektrischen Anforderungen' in der Systemmodellierung verstanden?
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Die __________ einer Lithium-Ionen-Batterie umfasst deren elektrisches, mechanisches und thermisches Verhalten.
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Ordnen Sie die Begriffe den entsprechenden Definitionen zu:
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Welche der folgenden Speichermethoden ist für elektrische Energie geeignet?
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Primäre Batterien sind wiederaufladbar.
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Was wird als Interkalation bezeichnet?
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Die chemische Zusammensetzung der positiven Elektrode kann ______________.
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Ordnen Sie die Materialien ihren Funktionen zu:
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Welche Eigenschaft hat der Separator in einer Lithium-Ionen-Batterie?
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Sekundäre Batterien haben eine niedrigere Energiedichte als primäre Batterien.
Sekundäre Batterien haben eine niedrigere Energiedichte als primäre Batterien.
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Nennen Sie zwei Materialien, die in der positiven Elektrode verwendet werden können.
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Welches Element hat das negativste Standardpotential in der elektrochemischen Spannungsreihe?
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Lithium ist das schwerste Element im festen Zustand.
Lithium ist das schwerste Element im festen Zustand.
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Was ist die Gesamtreaktion während des Entladevorgangs einer Lithium-Ionen-Batterie?
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Der Ladezustand einer Batterie wird als ______ bezeichnet.
Der Ladezustand einer Batterie wird als ______ bezeichnet.
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Welche der folgenden Materialien wird typischerweise im Separator einer Lithium-Ionen-Batterie verwendet?
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Die Aktivierungsüberspannung hat keinen Einfluss auf die Kinetik der Elektroden.
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Die Dichte von Lithium beträgt ______ g/cm³.
Die Dichte von Lithium beträgt ______ g/cm³.
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Wie lange dauert es, um eine 2 C-Entladung einer Lithium-Ionen-Zelle zu vollenden?
Wie lange dauert es, um eine 2 C-Entladung einer Lithium-Ionen-Zelle zu vollenden?
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Die maximale Zellspannung für Lithium-Ionen-Zellen beträgt 4,2 V bei 20°C.
Die maximale Zellspannung für Lithium-Ionen-Zellen beträgt 4,2 V bei 20°C.
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Was beeinflusst den Innenwiderstand einer Lithium-Ionen-Zelle?
Was beeinflusst den Innenwiderstand einer Lithium-Ionen-Zelle?
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Eine Lithium-Ionen-Zelle hat eine minimale Zellspannung von _____ V.
Eine Lithium-Ionen-Zelle hat eine minimale Zellspannung von _____ V.
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Welcher Faktor limitiert den Stofftransport bei hohen Strömen in Lithium-Ionen-Zellen?
Welcher Faktor limitiert den Stofftransport bei hohen Strömen in Lithium-Ionen-Zellen?
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Hohe Temperaturen erhöhen die nutzbare Kapazität einer Lithium-Ionen-Zelle.
Hohe Temperaturen erhöhen die nutzbare Kapazität einer Lithium-Ionen-Zelle.
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Ordnen Sie die folgenden Begriffe ihren korrekten Beschreibungen zu:
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Die Konzentrationsüberspannung wird durch eine _____ der Elektroden verursacht.
Die Konzentrationsüberspannung wird durch eine _____ der Elektroden verursacht.
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Welche der folgenden Aussagen zur Rekuperation im Mild-Hybrid BRS ist korrekt?
Welche der folgenden Aussagen zur Rekuperation im Mild-Hybrid BRS ist korrekt?
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Die 48 V-Batterie wird während der Rekuperation nicht verwendet.
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Was ermöglicht das BRS zusätzlich beim Beschleunigen?
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Die Energierückgewinnung aus der Bremsenergie wird in das ______ weitergeleitet.
Die Energierückgewinnung aus der Bremsenergie wird in das ______ weitergeleitet.
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Ordnen Sie die Komponenten der 48 V-Batterie ihren Funktionen zu:
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Wie viel Prozent an Verbrauchsreduzierung kann durch die Umwandlung von kinetischer Energie in elektrische Energie erreicht werden?
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Das Start/Stopp-System versorgt alle Funktionen mit Energie, solange der Verbrennungsmotor läuft.
Das Start/Stopp-System versorgt alle Funktionen mit Energie, solange der Verbrennungsmotor läuft.
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Die Idee des BRS umfasst die Senkung des durchschnittlichen ______ und der damit verbundenen CO2-Emissionen.
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Was ist die Molmasse von Lithium?
Was ist die Molmasse von Lithium?
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Der Faraday'sche Gesetz beschreibt die Beziehung zwischen Strom, Zeit und Masse.
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Nennen Sie einen Grund für den Bedarf an Kurzfrist-Speichern.
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Ein ______ ist ein Materialien, das Elektronen leitet.
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Welche der folgenden Antworten beschreibt eine typische elektrochemische Reaktion?
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Ordnen Sie die Speichertechnologien den entsprechenden Bereichen zu:
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Was ist ein Beispiel für eine elektrochemische Reaktion?
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Was ist der Hauptvorteil von Lithium-Ionen-Batterien?
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Ordne die folgenden Begriffe ihren richtigen Beschreibungen zu:
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Welche der folgenden Stoffe werden in der Elektrochemie als Elektrolyte verwendet?
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Die Dichte von Lithium beträgt etwa 0,53 g/cm³.
Die Dichte von Lithium beträgt etwa 0,53 g/cm³.
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Protonen und Elektronen sind die Hauptbestandteile von Atomen.
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Was bedeutet die Begriffe Oxidation und Reduktion in elektrochemischen Prozessen?
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Eine __________ ist die Elektrode, an der die Oxidation stattfindet.
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Welches Element hat das negativste Standardpotential?
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Eine Lithium-Ionen-Batterie hat eine niedrigere Energiedichte als eine Primärbatterie.
Eine Lithium-Ionen-Batterie hat eine niedrigere Energiedichte als eine Primärbatterie.
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Nenne den Hauptunterschied zwischen primären und sekundären Batterien.
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Die maximale Zellspannung einer Lithium-Ionen-Zelle beträgt _____ V bei 20°C.
Die maximale Zellspannung einer Lithium-Ionen-Zelle beträgt _____ V bei 20°C.
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Welche Elektrodenart ist für die Reduktion verantwortlich?
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Was ist der wichtigste Parameter zur Bestimmung des Ladezustands (SoC) einer Batterie?
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Der Depth of Discharge (DoD) wird berechnet, indem man den Ladezustand (SoC) von 1 abzieht.
Der Depth of Discharge (DoD) wird berechnet, indem man den Ladezustand (SoC) von 1 abzieht.
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Wie viel mol H3O+ sind in 0,5 Liter einer Lösung mit einem pH-Wert von 1 enthalten?
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Ordne die Stoffmengen den entsprechenden Substanzen zu:
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Welche Masse von Kochsalz (NaCl) entspricht 1,71 mol?
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Bei der Neutralisation von 0,5 Liter Säure-Lösung mit pH 2 ist kein Volumen an Natronlauge erforderlich.
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Was bedeutet die Abkürzung DoD?
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Was fließt von der Anode zur Kathode während des Entladevorgangs?
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Die Anode ist die positive Elektrode einer Lithium-Ionen-Batterie.
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Was ist die spezifische Ladung, wenn die Ladung 82,0 Ah und die Masse 10 g beträgt?
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Der Elektrolyt in einer Lithium-Ionen-Batterie ist eine ______ Flüssigkeit mit ______ Salzen.
Der Elektrolyt in einer Lithium-Ionen-Batterie ist eine ______ Flüssigkeit mit ______ Salzen.
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Ordne die folgenden Begriffe ihren Definitionen zu:
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Welches Ion wird typischerweise in der Anode einer Lithium-Ionen-Batterie verwendet?
Welches Ion wird typischerweise in der Anode einer Lithium-Ionen-Batterie verwendet?
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Negative Ionen bewegen sich von der Kathode zur Anode während des Entladevorgangs.
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Wie lautet die Gleichung für die Ladungsdichte?
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Die ______ des Ladezustands einer Batterie wird durch die Ladung bestimmt.
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Was beschreibt die Stromdichte i in einer Batterie?
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NiMH-Batterien sind primäre Batterien.
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Was ist die maximale Zellspannung für Lithium-Ionen-Zellen bei 20°C?
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Die __________ von Lithium beträgt 0,534 g/cm³.
Die __________ von Lithium beträgt 0,534 g/cm³.
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Welche der folgenden Batterietypen hat die höchste Energiedichte?
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Ordne die Arten von Batterien ihren Eigenschaften zu:
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Der Gesamtwirkungsgrad einer Lithium-Ionen-Batterie beträgt normalerweise 90%.
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Was wird unter 'Über- Spannung' in der Batterie-Technologie verstanden?
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Die __________ der positiven Elektrode kann unterschiedliche chemische Materialien enthalten.
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Welche der folgenden Aussagen trifft auf den Entladeprozess einer Lithium-Ionen-Batterie zu?
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Wie lange dauert eine 2 C-Entladung einer Lithium-Ionen-Zelle?
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Ordne die verschiedenen Lade-Methoden ihren Beschreibungen zu:
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Was beschreibt der Begriff 'Energierückgewinnung'?
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Study Notes
Batterietechnik - Systemmodellierung
- Allgemeines: Vorlesungsnotizen und Materialien für Batterietechnik an der HAW Hamburg, November 2024. Autor: Achim Schmidt.
Gliederung
-
Teil 1 - Grundlagen, Beispiele: Allgemeine Einführung, Grundlagen der Lithium-Ionen-Batterie, Vom Zell- zum Gesamtsystem, Modellbasierte Systemuntersuchungen (z.B. Mild-Hybrid BRS).
-
Teil 2 - Simulink Modell (Labor): Simulink-Modellierung, Einführung, Modulbeschreibung (Systemmodellierung), Verhalten von Li-Ionen-Zellen, Von der Zelle zum Stack, Analyse der Li-Ionen-Batterie für mobile Anwendungen. System- und thermodynamische Bewertung, Anforderungen (elektrisch, mechanisch, thermisch), Ableitung der notwendigen Komponenten und deren Modellierung, Zellen (elektrische Verschaltung), Kühlung (Luft- vs. Wasserkühlung), Überwachung (Batterie-Management-System), Analyse des dynamischen Verhaltens von BRS (Boost Recuperation System), Vergleich Luft-/Wasserkühlung und thermodynamische Effizienz.
Literaturverzeichnis
- Diverse Fachbücher zu Akkumulatoren, Brennstoffzellentechnik, Chemie, Physikalischer Chemie und Thermodynamik.
- Vorlesungsskript "Wärme- und Stoffübertragung" von A. Schmidt.
- "Technical Thermodynamics for Engineers" von A. Schmidt (3. Auflage).
- Simulink Getting started guide (Mathworks).
Allgemeine Einführung
-
Elektrochemische Energiewandlung/Speicherung: Klassifizierung elektrochemischer Zellen, Brennstoffzelle vs. Wärmekraftmaschine, Chem. Energie vs. Wärmeenergie/Mechanische Energie/Elektrische Energie, Exergie vs. Anergie, Batterie, BSZ (Brennstoffzelle).
- Anwendungen: Beispiele für BSZ und Batterien, u.a. Elektrofahrzeuge, mobile Geräte.
-
Klassifizierung elektrochemischer Zellen: Primär- (nicht aufladbar), Sekundärbatterien (wiederaufladbar, höhere Energiedichte).
-
Brennstoffzelle: Niedrigtemperatur, Hochtemperatur.
- Typen: AFC (Alkaline Fuel Cell), PEFC (Polymere Electrolyte Fuel Cell), PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell), MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell), SOFC (Solid Oxide Fuel Cell).
-
Batterie: Ladung, Entladung, Anode, Kathode, Elektrolyt, Diaphragma, Reaktionen an Anode/Kathode (z.B. 2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻ und O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O). Membrantrennung, ionischer und elektronischer Transport. Lithium-Ionen-Wanderung während Laden/Entladen. EnergieDichte Li-Ionen Batterie.
-
Brennstoffzelle/Batterie: Vergleich der Eigenschaften (Energiestrom, Edukte, Betrieb, Energiespeicherung, Elektroden, Elektrolyt).
- Vorteile/Nachteile: Gegenüberstellung der jeweiligen Stärken und Schwächen.
Grundlagen zur Lithium-Ionen-Batterie
- Zellkomponenten: Elektroden (Stromsammler, Aktivmaterial), Gehäuse (Sicherheitsventil, Stabilität, Dichtigkeit), Elektrolyt, Separator (Vermeidung Kontakt). Detaillierte Betrachtung der Materialeigenschaften und deren Auswirkungen, z.B. Leitfähigkeit.
-
Ladevorgang (Li-Ionen-Batterie): An- und Kathodenreaktion, Gesamtreaktion (siehe Gleichungen im Text).
- Reaktionen: Ausführliche Beschreibung der einzelnen Reaktionen und deren Auswirkungen auf die Zelle.
- Elektroden: Materialien für Anode (z.B. Graphit) und Kathode (z.B. Lithium-Metalloxid mit Co,Mn,Ni), Interkalation von Lithium. Spezifische Materialeigenschaften, z.B. Dichte, Gewichts pro Kapazität, etc., diskutiert.
- Separator/Elektrolyt: Materialien (Kunststoffe, Fleece, Glasfaser), elektrische Isolation, Lithium-Ionen-durchlässig, Elektrolytdiffusion, Reaktion. Erläuterung der Funktionen und der Eignung für verschiedene Zelltypen.
- Entladevorgang (Li-Ionen-Batterie): An- und Kathodenreaktion, Gesamtreaktion (siehe Gleichungen im Text).
-
Solid Electrolyte Interface (SEI): Entstehung an Graphit/Elektrolyt-Grenze, Eigenschaften (elektrisch isolierend, Lithium-Ionen-durchlässig), Korrosionsschutz, Abhängigkeit vom inneren Widerstand.
- Folgen des SEI: Erläuterung der Auswirkungen des SEI auf den Zellbetrieb und Alterung.
-
Helmholtz-Doppelschicht: Geladene Teilchen an Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche, Kondensatoreffekt, Doppelschichtkapazität, Aktivierungsüberspannung, RC-Element.
- Auswirkungen auf das Verhalten der Zelle: ERLÄUTERUNG, wie sich die Doppelschicht auf das Zellverhalten auswirkt.
-
Spannungscharakteristik: OCV (Leerlaufspannung), Ohmsche Verluste, Aktivierungsüberspannung, Konzentrationsüberspannung, Zeitkonstanten, Temperaturabhängigkeit, Lade- und Entladestrom.
- Spannungs-Strom-Kurven: Detaillierte Darstellung und Diskussion.
-
Innenwiderstand: Ohmsche Verluste, Abhängigkeit von Temperatur, SOC/SOH, Minimale/Maximale Zellspannung.
- Einflussfaktoren: Alle Faktoren, die den Innenwiderstand beeinflussen, sind aufgeführt und diskutiert.
-
Temperaturabhängigkeit von Ri: Heißleitverhalten des Elektrolyten, Erhöhung der Temperatur, gute leitende Materialien.
- Auswirkungen: Spezifische Auswirkungen auf das Zellverhalten bei Temperaturänderungen.
-
Zellbetrieb & Alterung: Ladevorgang (CC-CV), Alterungsprozesse, Zyklische/Kalendarische Alterung, Einflussfaktoren (Over-Charging, Stromdichte, Temperaturbereiche), Überladung, Tiefentladung.
- Langzeitstabilität: Zusätzliche Punkte zu Sicherheit und Verlässlichkeit über die Zeit.
-
Mögliche Kühlverfahren: Luftkühlung, Bodenkühlung, Seitenkühlung, Kühlplattenmaterialien, Herausforderungen und Beispiele.
- Optimale Kühlstrategien: Fokus auf die beste Methode und deren Auswirkungen
- Anforderungen: Energiedichte, elektrische Reichweite, Kosten, Sicherheit, Lebensdauer, Betriebstemperatur, Energiemanagement, Mechanische Stabilität, Vibrations- und Crashfestigkeit. Spezifische Anforderungen an das Design für verschiedene Anwendungsfälle von EVs und Mild Hybrids.
- Batterieaufbau: Zelle, Modul, Subunit, Pack, Batteriegehäuse, Batterie-Steuereinheit, Zellüberwachung. Elektrische Verschaltung Einzelzellen. Anordnung und Zusammenschaltung von Zellen und Modulen.
- EV-Klassifizierung: Mild-Hybrid, Medium Power, Strong Hybrid, High Power, Plug-in Hybrid, Electric Vehicle, Energiedichte.
- Brennstoffzelle vs. Batterie: Anwendungen, Vorteil und Nachteile, Leistung, Verbrauch.
- Leistung (P), Energie (E), Kapazität (Q): Formeln, Einheiten.
- Aufgabe & Beispiele: Ladezyklus, Reichweite, Masse, Kosten. Beispiele mit numerischen Daten (z.B. Ladezeit, Reichweite, Kosten).
- Rekuperation, Beschleunigung, Start/Stopp, Segeln: Funktionsprinzipien von BRS (Boost Recuperation System).
-
Thermomanagement: System-Varianten (Luft- vs. Wasserkühlung).
- Messdaten, Vergleich, Strategien: Vergleiche zwischen verschiedenen Kühlungen durchgeführt. Beispiel Fahrzyklen, Messwerte, Strategien.
Simulink-Modellierung
- Ersatzmodelle (elektrisch und thermisch): RC-Elemente, Gibbs-Enthalpy, Wärmefreisetzung. Elektrische und thermische Modelle.
- Aufgabe: Wasserpendel als Beispielmodell, Implementierung von Look-up Tables (Zellparameter, Thermodynamik). Aufbau eines dynamischen Simulink-Modells für ein BRS-Fahrzeug, Simulation und Testverfahren.
- Thermodynamik der Zelle: Energie- und Wärmebilanz in der Zelle unter Berücksichtigung aller Prozesse.
- Anbindung externes Kühlsystem: Integrieren von thermischen Pfaden und Kühlung in das Ersatzmodell.
- Gesamtsystem: Aufbau des Simulink-Modells. Detaillierte Beschreibung der Modellierung des Gesamtsystems, Komponenten und deren Verknüpfungen.
- Anforderungen: Definierte Eingangsparameter, Ausgangsparameter, Erläuterung der Subsysteme (Spannungsberechnung, SOC-Bestimmung, etc.).
- Modellvalidierung: Methode zur Verifizierung der Genauigkeit und/oder des Realismus des Modells.
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Testen Sie Ihr Wissen über Batterietechnologien und Systemmodellierung. Beantworten Sie Fragen zu Wasserkühlung, Brennstoffzellen und den Hauptkomponenten eines Boost Recuperation Systems. Überprüfen Sie Ihr Verständnis der elektrisch-chemischen Prozesse in Lithium-Ionen-Batterien und deren Eigenschaften.