TY - THES

T1 - Wirkungsgradoptimierung einer Hochstromladeschaltung einer Lithium-Ionen-Zelle

AU - Ziegerhofer, Herbert

N1 - gesperrt bis null

PY - 2015

Y1 - 2015

N2 - Seit einigen Jahren werden wiederaufladbare Batterien vermehrt in Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb verwendet. Dafür sind Batterien notwendig, die eine hohe Kapazität, ein großes Energie-Gewichts-Verhältnis und ein hohes Sicherheits-niveau aufweisen. Batterien, die mehr als 20 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität verloren haben, oder wo ein Batteriepaket nach längerer Verwendung bereits einige defekte Zellen enthält, müssen durch neue ersetzt werden. Diese Batterien können jedoch dann zum Einsatz kommen, wenn keine hohe Anfangskapazität vorausgesetzt wird, eventuell nach Ersetzten von defekten Zellen innerhalb eines Paketes. Dafür muss der aktuelle Zustand der Batterien durch Lade und Entlade Zyklen überprüft werden, um wiederverwendbare Zellen herauszufinden. In dieser Masterarbeit wird eine wirkungsgradoptimierte Ladeschaltung beschrieben, die in der Lage ist, eine einzelne Lithium-Ionen-Zelle mit hoher Stromstärke zu laden. Die verwendeten elektronischen und elektrischen Bauteile, wie Operationsverstärker und Schaltnetzteil (SNT), stammen aus dem kommerziellen Bereich. Wegen der fixen Ausgangsspannung von Schaltnetzteilen, im vorliegenden Fall ein ATX Schaltnetzteil, wie es in Personal Computern verwendet wird, ist eine Regelung der Ausgangsspannung (einstellbarer Maximalwert der Ladeschluss-spannung) und des maximalen Ausgangsstroms notwendig. Wichtige Parameter (Ausgangsspannung, Ausgangsstrom und Batterietemperatur) müssen während des Ladevorgangs vor allem im Hinblick auf Sicherheitsaspekte angezeigt (Sollwert und Istwert), überwacht und begrenzt werden. Falls Übertemperaturen auftreten, wird durch eine Schutzschaltung der Ladevorgang beendet, einschließlich Speicherung dieses Zustands. Weitere Anforderungen wie höchstmöglicher Wirkungsgrad, netzfreundliches Verhalten (sinusförmige Stromaufnahme und Blindleistungskompensation durch aktive Leistungsfaktorkorrekturfilter) werden ebenfalls durch das Schaltnetzteil erfüllt. Nach dem Entwurf wurde das Gerät aufgebaut und in Betrieb genommen. Danach wurden umfangreiche Messungen durchgeführt, besonders in Bezug auf Wirkungsgradmessungen im Vergleich zu einer Ladeschaltung mit Verlustleistungsregelung.

AB - Seit einigen Jahren werden wiederaufladbare Batterien vermehrt in Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb verwendet. Dafür sind Batterien notwendig, die eine hohe Kapazität, ein großes Energie-Gewichts-Verhältnis und ein hohes Sicherheits-niveau aufweisen. Batterien, die mehr als 20 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität verloren haben, oder wo ein Batteriepaket nach längerer Verwendung bereits einige defekte Zellen enthält, müssen durch neue ersetzt werden. Diese Batterien können jedoch dann zum Einsatz kommen, wenn keine hohe Anfangskapazität vorausgesetzt wird, eventuell nach Ersetzten von defekten Zellen innerhalb eines Paketes. Dafür muss der aktuelle Zustand der Batterien durch Lade und Entlade Zyklen überprüft werden, um wiederverwendbare Zellen herauszufinden. In dieser Masterarbeit wird eine wirkungsgradoptimierte Ladeschaltung beschrieben, die in der Lage ist, eine einzelne Lithium-Ionen-Zelle mit hoher Stromstärke zu laden. Die verwendeten elektronischen und elektrischen Bauteile, wie Operationsverstärker und Schaltnetzteil (SNT), stammen aus dem kommerziellen Bereich. Wegen der fixen Ausgangsspannung von Schaltnetzteilen, im vorliegenden Fall ein ATX Schaltnetzteil, wie es in Personal Computern verwendet wird, ist eine Regelung der Ausgangsspannung (einstellbarer Maximalwert der Ladeschluss-spannung) und des maximalen Ausgangsstroms notwendig. Wichtige Parameter (Ausgangsspannung, Ausgangsstrom und Batterietemperatur) müssen während des Ladevorgangs vor allem im Hinblick auf Sicherheitsaspekte angezeigt (Sollwert und Istwert), überwacht und begrenzt werden. Falls Übertemperaturen auftreten, wird durch eine Schutzschaltung der Ladevorgang beendet, einschließlich Speicherung dieses Zustands. Weitere Anforderungen wie höchstmöglicher Wirkungsgrad, netzfreundliches Verhalten (sinusförmige Stromaufnahme und Blindleistungskompensation durch aktive Leistungsfaktorkorrekturfilter) werden ebenfalls durch das Schaltnetzteil erfüllt. Nach dem Entwurf wurde das Gerät aufgebaut und in Betrieb genommen. Danach wurden umfangreiche Messungen durchgeführt, besonders in Bezug auf Wirkungsgradmessungen im Vergleich zu einer Ladeschaltung mit Verlustleistungsregelung.

KW - Wirkungsgradoptimierung

KW - hohe Stromstärke

KW - Ladeschaltung

KW - Lithium-Ionen-Zelle

KW - State of Health

KW - Schaltnetzteil

KW - Regelung

KW - Sollwert

KW - Istwert

KW - Überwachung

KW - Sicherheitsaspekt

KW - Schutzschaltung

KW - netzfreundliches Verhalten

KW - Leistungsfaktorkorrekturfilter

KW - Verlustleistungsregelung

KW - efficiency improvement

KW - high current

KW - charging device

KW - lithium-ion-cell

KW - state of health

KW - switched-mode power supply

KW - closed-loop control

KW - set point value

KW - actual value

KW - monitoring

KW - safety considerations

KW - protective circuit

KW - power-grid friendly

KW - active power factor correction

KW - linear power dissipation control

M3 - Masterarbeit

ER -