Physics 101 for EV Owners
Mit freundlicher Genehmigung von ‚EV1‘, dessen Beitrag im internationalen Forum die Grundlage für diese (automatische) Übersetzung darstellt.
Ich war mir nicht sicher, ob ich dieses kleine Schreiben machen sollte, weil ich befürchtete, es würde als pedantisch angesehen werden. Es ist nicht beabsichtigt, es ist nur so, dass ich viele verwirrende Aussagen in den Beiträgen gesehen habe, also dachte ich, es könnte eine gute Erinnerung an das sein, was wir alle bereits wissen. Wenn ich eine Chance bekomme, bevor dieser Thread vollständig entgleist, kann ich einige Beiträge hinzufügen, was dies für das Laden von Batterien und den Betrieb von Elektromotoren bedeutet.*
Spannung, Strom, Leistung, Energie und Widerstand
Spannung wird verwendet, um eine elektrische Potentialdifferenz auszudrücken. Das kann man mit dem Druck einer Wasserleitung vergleichen. Das Potential (wir sagen normalerweise Spannung) wird normalerweise mit einem großen U abgekürzt, und die Maßeinheit für das Potential ist Volt, abgekürzt mit einem großen V. Ein großes V wird verwendet, weil dies von Allessandro Volta definiert wurde.
Strom wird verwendet, um den Fluss elektrischer Ladung auszudrücken. Sie können dies mit dem Durchfluss aus einer Wasserleitung vergleichen. Der Strom wird normalerweise mit einem großen I abgekürzt, und die Maßeinheit für Strom ist das Ampere, abgekürzt mit einem großen A. Auch hier wird ein großes A verwendet, weil dies von André-Marie Ampère definiert wurde.
Leistung (elektrisch) wird verwendet, um die Übertragungsrate von Elektrizität auszudrücken. Die Leistung wird normalerweise mit einem großen P abgekürzt, und die Maßeinheit für die Leistung ist das Watt, abgekürzt mit einem großen W. Ratet mal, ein großes W wird verwendet, weil dies von James Watt definiert wurde. Die elektrische Leistung errechnet sich einfach als Produkt aus Spannung und Strom (P = U x I).
Energie wird verwendet, um die Fähigkeit auszudrücken, Arbeit zu verrichten (wie in „Ihr Auto bewegen“). Energie wird normalerweise mit einem großen E abgekürzt, und die übliche Maßeinheit für Energie ist Joule, aber für elektrische Energie verwenden wir lieber die Kilowattstunde, abgekürzt als kWh. Elektrische Energie wird als Produkt aus Leistung und Zeit (E = P xt) berechnet, um die Energie in kWh auszudrücken, muss die Leistung in kW und die Zeit in Stunden angegeben werden. Energie ist nicht Leistung geteilt durch Zeit, also ist die Einheit nicht kW/h!
Widerstand wird verwendet, um den Widerstand gegen den Stromfluss auszudrücken. Der Widerstand wird mit einem großen R abgekürzt, und die Standardeinheit für den Widerstand ist Ohm. Das Ohm (oder Ω) wurde von Georg Ohm definiert. Der Widerstand errechnet sich aus dem Verhältnis zwischen Spannung und Strom (R = U / I). Dies ist das Ohmsche Gesetz, normalerweise geschrieben als U = I x R. Oben haben wir gesehen, dass die Leistung als P = U x I berechnet wird, also können wir die beiden Gleichungen kombinieren, um den Leistungsverlust in einem Widerstand als P = R x I^2 zu berechnen.
Anmerkungen:
Das kleine k in kW oder kWh ist keine Einheit, sondern einfach ein Multiplikator. Beim kleinen k ist es ein Multiplikator von 1.000. Andere Beispiele sind das große M für 1.000.000 und das kleine m für 0,001. Ein großes K ist der Temperatureinheit vorbehalten, ja definiert von Lord Kelvin. Wenn Sie also KW statt kW sehen, ist das ein (unsinniges) Kelvin-Watt.
Das Obige ist für die Verwendung in DC-Systemen (wie unseren Batterien) und gemittelten AC-Systemen (wie unseren Motoren) vereinfacht. Viel komplizierter kann es bei AC-Systemen werden, wenn man die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung betrachtet.
Batterien
Batterien sind kompliziert. Nein, lassen Sie mich das anders formulieren, Batterien sind sehr, sehr, kompliziert.
Eine Batterie dient der Speicherung elektrischer Energie. In einer Batterie wird die elektrische Energie beim Laden tatsächlich in chemische Energie und beim Entladen wieder in elektrische Energie umgewandelt. Man könnte also sagen, dass eine Batterie dazu dient, chemische Energie zu speichern. Und das ist der Unterschied zu einem Kondensator. Ein Kondensator wird auch zum Speichern elektrischer Energie verwendet, aber er sammelt die Elektronen beim Laden und gibt die Elektronen beim Entladen ohne Umwandlung frei. Daher ist ein Kondensator effizienter und kann schneller laden und entladen. Aber selbst die heutigen Superkondensatoren können nicht genug Energie (pro Liter) für den Einsatz in einem Elektrofahrzeug speichern. Daher bleiben wir bei Batterien.
Die Zelle hat eine Zellspannung. Es gibt viele verschiedene Batteriechemien und die Chemie bestimmt die Zellspannung. Die Zellspannung von Zellen eines Akkupacks im Einsatz hängt zwar auch vom Ladezustand, dem Strom, der Temperatur und einigen weiteren Faktoren ab. Es ist kompliziert.
Eine EV-Batterie wird aus Zellen aufgebaut, diese Zellen werden zu Modulen und die Module zu einem Pack . Die Module werden zu einem Strang (in Reihe) geschaltet und die Stränge parallel geschaltet. Die Anzahl der Zellen in jedem String bestimmt die Packspannung U [Volt], die Gesamtzahl der Zellen bestimmt die Packenergiekapazität E [kWh].
Ein wichtiges Leistungsmaß für Batterietechnologien ist die Energiedichte . Dies ist entweder die gravimetrische Energiedichte, ausgedrückt als Verhältnis von Energie und Volumen (Wh/Liter), oder die volumetrische Energiedichte, ausgedrückt als Verhältnis von Energie und Masse (Wh/kg). Bei EV-Anwendungen liegt hier ein Großteil der Entwicklung auf der Suche nach leichteren, kleineren Batterien für die gleiche Energie. Die gravimetrische Dichte von Blei-Säure-Batterien war zu gering, um für Elektrofahrzeuge praktikabel zu sein, die viel höhere gravimetrische Dichte von Li-Ion-Batterien ermöglichte Elektrofahrzeuge für den Einsatz in der realen Welt.
Der Ladezustand (SoC, State of Charge) einer Batterie ist das Verhältnis der Energie in der Batterie und der Kapazität der Batterie. Der SoC hat also keine Maßeinheit und wird normalerweise in Prozent ausgedrückt. Sowohl die in einer Batterie enthaltene Energie als auch die Kapazität der Batterie können jedoch auf unterschiedliche Weise definiert werden, die SoC-Berechnung hängt stark von diesen Definitionen ab. Zum Beispiel definiert der Hersteller untere und obere Puffer, d. h. Kapazität, die nicht zur Verlängerung der Batterielebensdauer als Gegenleistung verwendet wird. Habe ich erwähnt, dass es kompliziert ist?
Batterien altern mit der Zeit. Die Degradation hängt von der Batterietechnologie und der Nutzung (Missbrauch) im Laufe der Zeit ab. Die Verschlechterung bedeutet eine geringere Batteriekapazität. Mit der Zeit verlieren Sie also etwas von der Fähigkeit, Energie zu speichern, und damit von der Reichweite.
Der Gesundheitszustand (SoH, State of Health) einer Batterie wird normalerweise als das Verhältnis der aktuellen Kapazität der Batterie und der ursprünglichen (neuen) Kapazität der Batterie betrachtet. Somit hat auch der SoH keine Maßeinheit und wird in Prozent ausgedrückt.
Die gespeicherte Energie bei 100 % SoC einer neuen Batterie ist also nicht die gleiche wie bei 100 % SoC einer gebrauchten Batterie. Die tatsächlich gespeicherte Energie ist die ursprüngliche Kapazität multipliziert mit SoC und SoH.
Anmerkungen:
Über Batterien gibt es noch viel mehr zu sagen. Wir können über den Unterschied zwischen kWh und Ah sprechen, wir können über die Mechanismen der Batterieverschlechterung sprechen usw. Es ist kompliziert, aber ich glaube, ich habe das erwähnt. [Eine hervorragende Dissertation zum dem Thema findet sich hier.]
Laden
Batterien laden und entladen sich mit Gleichstrom (Direct Current). Elektrischer Strom wird als AC (Wechselstrom) übertragen (danke Nikolai, in der Tat hat sich Thomas geirrt), also brauchen wir eine Umwandlung von AC in DC, um das Laden zu können.
Ein AC-Ladegerät ist also überhaupt kein Ladegerät. Es ist eine Wechselstromquelle für Ihr integriertes Ladegerät. Das integrierte Ladegerät wandelt den Wechselstrom in Gleichstrom um, um die Batterie aufzuladen. Die maximale Leistung wird entweder durch die Wechselstromquelle (die Steckdose, Ihre Wallbox oder das öffentliche „Ladegerät“) oder durch das Bordladegerät des Autos begrenzt, je nachdem, welcher Wert niedriger ist. [Eine detaillierte Beschreibung des dort verwendeten Typ 2 Steckers und Protokolls findet sich hier.]
Ein DC-Ladegerät liefert den Gleichstrom direkt an die Batterie. Daher die beiden schweren Kontakte in einem DC-Ladestecker. Die maximale Leistung wird durch die Spannungs-, Strom- oder Leistungsbegrenzung des Ladegeräts oder durch die Batterie begrenzt. Beim Laden mit einem 350-kW-DC-Ladegerät kann das Auto die Spannung sehr gut steuern, um die Leistung je nach Batterietyp, SoC, Temperatur usw. auf beispielsweise 150 kW oder weniger zu begrenzen. Das DC-Ladegerät kann einen Strom liefern bis zu 400 A, das erklärt die kräftigen Kabel und Stecker, die diese verwenden. [Eine detaillierte Beschreibung des dort verwendeten CCS Steckers und Protokolls findet sich hier.]
In beiden Fällen wird die DC-Ladespannung vom Auto gesteuert, um den Ladevorgang zu optimieren, ohne die Batterie zu beschädigen. Bei einem AC-Ladegerät steuert das Bordladegerät die DC-Ladespannung, und bei einem DC-Ladegerät wird die gewünschte Ladespannung vom Auto an das externe Ladegerät übermittelt.
Eine Batteriezelle und damit ein Pack hat einen Innenwiderstand. Beim Laden oder Entladen eines Akkupacks geht also etwas Energie verloren. Es wird in Wärme umgewandelt. Auch Ihr Onboard-Ladegerät ist nicht 100 % effizient. Und auch das Ladekabel hat Verluste. Der Gesamtladeverlust beträgt typischerweise etwa 5 bis 10 %. Daher kann das Ladegerät mehr gelieferte Energie melden, als Sie der Batterie effektiv hinzugefügt haben.
Hinweise:
Ihre Wallbox ist eigentlich eine Implementierung von Electric Vehicle Supply Equipment (EVSE).
Wechselrichter und Motoren
In den frühen Tagen, ich meine, bevor die Erfindung des Anlassers (von Charles Kettering, 1911) Autos mit Verbrennungsmotor populär machte, verwendeten Elektroautos Gleichstrommotoren. Heutzutage verwenden Elektroautos fast ausschließlich verschiedene Arten von Wechselstrommotoren . Da die Energie, die Sie herumtragen, in einer Batterie gespeichert wird und eine Batterie diese Energie als Gleichstrom liefert, benötigen Sie einen Wechselrichter , um den Gleichstrom von der Batterie in Wechselstrom für die Motoren umzuwandeln.
Ohne die Details der Unterschiede zwischen verschiedenen Typen und vielen Variationen von elektrischen AC-Motoren (Synchron-, Induktions-, Reluktanz-, Permanentmagnet-, …) zu erläutern, reicht es aus, festzuhalten, dass jeder Typ seine Vor- und Nachteile in Bezug auf Masse, Volumen, Wirkungsgrad hat , Leistung usw. Daher entscheiden sich verschiedene Hersteller für unterschiedliche Technologien, manchmal sogar für unterschiedliche Technologien am selben Fahrzeug, um es für unterschiedliche Umstände zu optimieren.
Ein gewisses Lob muss James Clerk Maxwell gebührt, der den Lieblingssatz von Differentialgleichungen jedes Elektroingenieurs definierte, der die Grundlagen für all diese Arten von Elektromotoren bildet.
Die interessanteste Eigenschaft von Elektromotoren im Allgemeinen ist die Fähigkeit, ein hohes Drehmoment über einen weiten Drehzahlbereich zu liefern. Dies verleiht Ihrem Elektrofahrzeug den Schwung, der es von einem Verbrennungsmotor unterscheidet, ohne dass ein Getriebe verschiedene Übersetzungsverhältnisse wechseln muss.
Für jeden Wechselstrommotor in unserem Fahrzeug benötigen wir einen Wechselrichter, um den (normalerweise 3-phasigen) Wechselstrom bereitzustellen. Ein Wechselrichter tut dies, indem er die Gleichspannung aus der Batterie mit hoher Frequenz in wechselnde Richtungen schaltet und so eine Wechselspannung erzeugt. Wechselrichter sind komplizierte Geräte, die Mikroelektronik und Software für Steuerungen mit Leistungselektronik für hohe Stromabgabe kombinieren.
Softwaregesteuert variiert der Wechselrichter die Frequenz und die Spannung des Leistungsausgangs, um die Motordrehzahl und das Drehmoment zu steuern. Einstellungen in der Software halten die Dinge in Grenzen für Batterieverschleiß, Belastung der Leistungselektronik, thermische Belastung des Motors usw. Unterschiedliche Einstellungen, die diese Grenzen gefährden, können Ihnen ein softwarefähiges Leistungsupgrade geben.
Die Energieumwandlung in den Wechselrichtern (DC in AC) und in den Motoren (elektrisch in mechanisch) ist mit Effizienzverlusten verbunden, die in Wärme umgewandelt werden. Daher werden die Umrichter und Motoren (meist flüssigkeits-) gekühlt.
Entwicklungsschritte in der Batterietechnologie erhalten viel Presse, aber Entwicklungen in der Leistungselektronik für Wechselrichter waren ebenso wichtig. Die Entwicklung von zuverlässigen, leistungsstarken IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), als Alternative zu MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), für Wechselrichter führten in den 90er Jahren (GM EV1) ebenso zu einem Entwicklungsschub wie die Entwicklung von Lithiumbatterien zu einem Schub um 2008 (Tesla Roadster). Inzwischen drängen neue MOSFET-Technologien auf die Suche nach höherer Effizienz und besserer Zuverlässigkeit.
