Photovoltaische Stromversorgungsanlagen mit Bleibatteriespeichern: Analyse der Grundprobleme, Verbesserung der Anlagentechnik, Entwicklung eines Simulationsmodells für die Batterie
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ANALYSE DER GRUNDPROBLEME, VERBESSERUNG DER ANLAGENTECHNIK, ENTWICKLUNG
EINES SIMULATIONSMODELLS FUER DIE BATTERIE - VON DER FAKULTAET
ELEKTROTECHNIK DER UNIVERSITAET STUTTGART ZUR ERLANGUNG DER WUERDE EINES
DOKTOR-INGENIEURS (DR.-ING.) GENEHMIGTE ABHANDLUNG VORGELEGT VON GERHARD
SAUPE AUS STUTTGART HAUPTBERICHTER: PROF. DR. RER. NAT. G. LEHNER
MITBERICHTER: PROF. DR.-ING. R. LAUBER TAG DER MUENDLICHEN PRUEFUNG: 6.
JULI 1993 INSTITUT FUER THEORIE DER ELEKTROTECHNIK DER UNIVERSITAET
STUTTGART 1993 - 5- INHALTSVERZEICHNIS 1 EINFUEHRUNG 15 1.1 BEMERKUNGEN
ZU PHOTOVOLTAISCHEN INSELANLAGEN UND ABGRENZUNG DES THEMAS 15 1.2
SPEICHERTECHNOLOGIEN FUER INSELSYSTEME 18 1.2.1 UEBERSICHT UEBER DIE
SPEICHERTECHNOLOGIEN FUER INSELSYSTEME 19 1.2.2 ELEKTROCHEMISCHE SPEICHER
20 1.3 PRAKTISCHE ERFAHRUNGEN MIT DEN BATTERIEN BESTEHENDER PV-
INSELANLAGEN 22 2 DER BLEIAKKUMULATOR - AUFBAU, WIRKUNGSWEISE UND
BETRIEBSVERHALTEN 23 2.1 BEGRIFFSDEFINITIONEN UND KENNDATEN ZUR
BLEIBATTERIE 24 2.2 ELEKTROCHEMISCHES FUNKTIONSPRINZIP 28 2.2.1 DER
AUFBAU EINES BLEIAKKUMULATORS 28 2.2.2 DIE GRUNDREAKTIONEN 29 2.2.3 DIE
NEBENREAKTIONEN 31 2.2.4 PHYSIKALISCHE VORGAENGE AN DEN ELEKTRODEN 34
2.2.5 DER AUFBAU DER KLEMMENSPANNUNG 35 2.2.5.1 DIE
GLEICHGEWICHTSSPANNUNG 35 2.2.5.2 DIE UEBERSPANNUNGEN 36 2.2.5.3 ZUR
DYNAMIK DER KONZENTRATIONSUEBERSPANNUNG 39 2.2.5.4 DIE ASYMMETRIE DES
BLEIAKKUMULATORS BEIM LADEN UND ENTLADEN 42 2.3 NICHTIDEALES VERHALTEN
VON BLEIAKKUMULATOREN IM PRAKTISCHEN BETRIEB 43 2.3.1 AUFBAU EINER
ELEKTROLYTSCHICHTUNG 43 2.3.2 REVERSIBLE STRUKTURVERAENDERUNG DER AKTIVEN
MASSEN 44 2.3.3 ALTERUNG 45 2.3.3.1 SYMPTOME UND MECHANISMEN 45 2.3.3.2
ALTERUNG AUFGRUND VON FALSCHBEHANDLUNG 46 2.3.3.3 UNVERMEIDLICHE
ALTERUNG 48 3 EINRICHTUNGEN UND METHODEN DER EXPERIMENTELLEN
UNTERSUCHUNGEN 49 3.1 BATTERIEUNTERSUCHUNGEN AM LABORPRUEFSTAND 49 3.2
PRAKTISCHER BETRIEB PHOTOVOLTAISCHER INSELANLAGEN MIT BLEIBATTERIE-
SPEICHERN 50 3.3 NUMERISCHE SIMULATION 54 4 EINIGE TYPISCHE PROBLEME VON
BLEIBATTERIEN IN PHOTOVOLTAISCHEN STROMVER- SORGUNGSANLAGEN 55 4.1
UNGUENSTIGER LADEZUSTANDSVERLAUF 55 4.2 DIE SCHWIERIGKEIT DER
BATTERIELADUNG IN SOLARANLAGEN 56 4.3 TIEFSTENTLADUNGEN 58 4.4
UNGLEICHES VERHALTEN VON EINZELZELLEN IM BATTERIEVERBUND 59 4.5
ENERGIEVERLUSTE BEIM BETRIEB DER BATTERIE 60 4.6 AUSTRAG VON WASSER UND
SCHWEFELSAEURE 60 4.7 UMWELTBELANGE 62 4.8 KOSTEN 65 - 6- TECHNOLOGISCHE
VERBESSERUNG DER EINGESETZTEN BATTERIEN 66 5.1 ABGASREKOMBINATION 66 5.2
MECHANISCHE ELEKTROLYTUMWAELZUNG 68 5.3 KONSTRUKTIVE UND TECHNOLOGISCHE
VERAENDERUNGEN 69 5.4 REDUZIERUNG DES MATERIALAUFWANDES DURCH RICHTIGE
TYPAUSWAHL 71 ERFASSUNG DES INNEREN ZUSTANDES VON BLEIBATTERIEN 73 6.1
MOEGLICHKEITEN ZUR LADEZUSTANDSBESTIMMUNG AUS VERSCHIEDENEN MESSGROESSEN 74
6.1.1 AUSWERTUNG DER SAEUREDICHTE IM AEUSSEREN ELEKTROLYTRAUM 74 6.1.2
AUSWERTUNG DER RUHESPANNUNG 76 6.1.3 AUSWERTUNG DES ABGASSTROMS UND
SEINER ZUSAMMENSETZUNG 77 6.2 INDIREKTE ERFASSUNG DES LADE- UND DES
ALTERUNGSZUSTANDS 79 6.2.1 ERKENNUNG DES VOLLADEZUSTANDS AUS DER
ZEITABLEITUNG DER KLEM- MENGROESSEN 79 6.2.2 LADUNGSBILANZIERUNG AUF DER
BASIS INTEGRIERENDER LADEZUSTANDS- MODELLE 80 6.2.3 ERKENNUNG DER
TIEFENTLADUNG AUS DEN MOMENTANEN KLEMMEN- GROESSEN MIT HILFE VON
EINFACHSTMODELLEN 81 6.2.4 SCHAETZUNG DES LADEGRADS AUF DER BASIS DER
MOMENTANEN KLEM- MENGROESSEN MIT HILFE VON WEITERENTWICKELTEN MODELLEN 85
6.2.5 UEBERSICHT UEBER VERSCHIEDENE WEITERE VERFAHREN 86 6.3
LADEZUSTANDSBESTIMMUNG IN FELDANLAGEN (ZUSAMMENFASSENDE BEWERTUNG) 88
DIE BETRIEBSFUEHRUNG VON BLEIBATTERIEN IN PHOTOVOLTAISCHEN STROMVERSOR-
GUNGSANLAGEN 88 7.1 MARKTUEBLICHE LADEREGLER 89 7.2 VERBESSERTE
BETRIEBSFUEHRUNG VON BLEIBATTERIEN IN SOLARANLAGEN 90 7.2.1 VERBESSERTE
LADEREGELUNG 91 7.2.2 GEWAEHRLEISTUNG VON VOLLADUNG, GASUNGS- UND
AUSGLEICHSLADUN- GEN DURCH DIE SOG. GASUNGSFUNKTION 92 7.2.3
VERBESSERTE ENTLADE- BZW. LASTREGELUNG 93 NUMERISCHE SIMULATION
PHOTOVOLTAISCHER STROMVERSORGUNGSANLAGEN MIT BLEIBATTERIE-SPEICHER 95
8.1 AUSLEGUNGSRECHNUNG 95 8.2 BETRIEBSUEBERWACHUNG VON PV-LNSELANLAGEN
EINSCHLIESSLICH DER BATTE- RIEN 96 8.3 MATHEMATISCHE MODELLIERUNG VON
BLEIBATTERIEN IM SOLARBETRIEB 97 8.3.1 TEILAUFGABEN EINES
BATTERIEMODELLS 98 8.3.2 MODELLE MIT FESTEN PARAMETERN UND
PARAMETERADAPTIVE MODELLE ALS ZWEI TYPEN VON BATTERIEMODELLEN 99 8.3.3
SCHWIERIGKEITEN AUFGRUND DER BATTERIEEIGENSCHAFTEN 100 8.3.4
KONSEQUENZEN FUER DIE METHODIK DER MODELLIERUNG 102 8.3.4.1 STRUKTUR
EINES SOLARBATTERIE-MODELLS 102 8.3.4.2 PARAMETRISIERUNG EINES
SOLARBATTERIE-MODELLS 103 8.3.5 DISKUSSION VON MODELLEN AUS DER
LITERATUR 104 -7- 9 ENTWICKLUNG EINES MODELLS FUER DIE SIMULATION VON
SOLARBATTERIEN 108 9.1 MODELLIERUNG DES LADEZUSTANDS 110 9.1.1 STRUKTUR
DES VORGESCHLAGENEN LADEZUSTANDSMODELLS 110 9.1.1.1 DER GASUNGSSTROM ALS
HAUPTURSACHE DER LADUNGSVERLUSTE 110 9.1.1.2 BESCHREIBUNG WEITERER
COULOMB-VERLUSTE SOWIE FEHLERAUS- GLEICH DURCH EINFUEHRUNG EINES
NEBENSTROMS 112 9.1.1.3 ERSATZSCHALTBILD DES LADEZUSTANDSMODELLS 113
9.1.2 PARAMETER DES LADEZUSTANDSMODELLS 114 9.1.2.1 STANDARDWERTE FUER
DIE GASUNGSPARAMETER 114 9.1.2.2 GEWINNUNG VON KALIBRIER- UND
KONTROLLPUNKTEN AUS DAUER- BETRIEBSMESSUNGEN 115 9.1.2.3 EXPERIMENTELLE
BESTIMMUNG DER PARAMETER 117 9.1.3 PRUEFUNG DES LADEZUSTANDSMODELLS AUF
KONSISTENZ 120 9.2 MODELLIERUNG DER GLEICHGEWICHTSSPANNUNG 121 9.3
BATTERIEMODELL MIT QUASISTATISCHER MODELLIERUNG DER UEBERSPANNUNGEN 123
9.3.1 QUASISTATISCHES ERSATZSCHALTBILD 123 9.3.2 IDENTIFIZIERUNG DER
UEBERSPANNUNG ALS FUNKTION DES STROMS, DES LADEZUSTANDS UND DER
TEMPERATUR IN DER QUASISTATISCHEN NAEHE- RUNG 124 9.3.3 MODELLIERUNG DER
UEBERSPANNUNG BEIM ENTLADEN 127 9.3.3.1 APPROXIMATION DER
STROMABHAENGIGKEIT 128 9.3.3.2 APPROXIMATION DER LADEGRADABHAENGIGKEIT 129
9.3.3.3 UEBERPRUEFUNG DES SEPARATIONSANSATZES MIT EMPIRISCHEN DATEN 131
9.3.4 ANALYSE DER KLEMMENSPANNUNGSFEHLER BEI DER SIMULATION DES
ENTLADENS 132 9.3.5 MODELLIERUNG DER UEBERSPANNUNG BEIM LADEN 133 9.3.6
ANALYSE DER KLEMMENSPANNUNGSFEHLER BEI DER SIMULATION DES LADENS 139
9.3.7 BEISPIELSIMULATIONEN MIT DEM QUASISTATISCHEN BATTERIEMODELL 140
9.4 BATTERIEMODELL MIT DYNAMISCHER MODELLIERUNG DER UEBERSPANNUNGEN 142
9.4.1 GENAEHERTES DYNAMISCHES ERSATZSCHALTBILD 142 9.4.2 MODELLIERUNG DER
UEBERSPANNUNGEN ALS FUNKTION DES STROMS, DES LADEZUSTANDS UND DER
TEMPERATUR IM GENAEHERTEN DYNAMISCHEN MODELL 144 9.4.3
BEISPIELSIMULATIONEN MIT DEM DYNAMISCHEN BATTERIEMODELL 148 9.5
BESTIMMUNG DER PARAMETER BEI DER PRAKTISCHEN ANWENDUNG DER MODELLE 150
9.6 ZUSAMMENGEFASSTE KURZDARSTELLUNGEN DER BATTERIEMODELLE 151 9.6.1
QUASISTATISCHES MODELL NACH ABSCHNITT 9.3 151 9.6.2 DYNAMISCHES MODELL
NACH ABSCHNITT 9.4 154 10 SCHLUSSBETRACHTUNGEN 157 11
LITERATURVERZEICHNIS 159 FUNDSTELLEN WICHTIGER BEGRIFFE UND DEFINITIONEN
178
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