Messungen mit NCR18650GA

Technische Informationen zum Model S...

Messungen mit NCR18650GA

von Beatbuzzer » 16. Jan 2017, 13:07

Irgendwie fehlt ein allgemeiner Technik-Bereich :mrgreen:

Nun gut. Da wir in letzter Zeit in verschiedensten Threads Diskussionen zB über Erwärmung der Batterie durch Heizung, Innenwiderstände bei tiefen Temperaturen, Reserven zur Ladung am SuC usw usf hatten, hab ich mir am gestrigen Sonntag mal ein wenig Zeit genommen und ein paar Punkte davon real überprüft. Die Tests macht eine NCR18650GA, welche der Zelle im 90 kWh Pack nahe kommt. Weiterhin hab ich auch in Zukunft vor, weitere aufkommende urban legends hier ein wenig zu hinterleuchten.
Um zwischen den ganzen Kommentaren dazu ein wenig den Überblick über die Themen zu wahren, füge ich hier ein kleines Inhaltsverzeichnis dazu an:

Hier im ersten Post:

-Eigenerwärmung durch Stromentnahme
-Innenwiderstand vs Temperatur

Auf den folgenden Seiten:

Vergleich Eigenerwärmung bei Ladung/Entladung mit 3,5A: viewtopic.php?p=342001#p342001

Da der Winter mal wieder kein Winter ist und ich mangels Bedarf an solchen Speisen keinen Gefrierschrank habe, mussten Peltierelemente und eine kleine Styroporumhausung zur Erschaffung einer kühlen Umgebung herhalten... ja, bei mir liegen Peltierelemente rum, aber kein Gefrierschrank :)

Zuerst die These, dass der Akku ja allein durch die Stromentnahme beim einschalten der Vorheizung im Winter mit erwärmt werden würde. Dort hatte ich ja schon grob überschlagen, dass die Abwärme im Akku dabei nahe null ist. Allerdings hatte ich formal betrachtet nicht berücksichtigt, dass der Innenwiderstand bei Kälte noch steigt. Dass das trotzdem nahezu keine Auswirkung hat, soll hier untermauert werden:

Wenn wir mal von 6 kW Heizleistung ausgehen, leistet jede von den 7104 Zellen im 90 kWh Pack etwa 0,84 W. Bei einer mittleren Spannungslage unter leichter Belastung bei etwa 75% Ladezustand macht das um die 200-250 mA, also irgendwas bei 0,06C = nichts ;)
Nachdem sich die Temperatur (rot) bei um die -9°C bis -10°C nicht mehr ernsthaft veränderte, hab ich den Entladevorgang mit 300 mA (grün) gestartet und eine knappe halbe Stunde laufen lassen. Die Peaks kommen vom minütlichen Akkucheck des Ladegerätes. Man sieht, dass der Innenwiderstand (blau) gaaanz minimal sinkt, was für eine winzige Erwärmung im Inneren der Zelle spricht. Die Temperatur an der Außenhaut verändert das aber nicht wirklich:
Heizung 300 mA.png



Um mal zu gucken was es denn für sichtbare Ergebnisse braucht, gehts nun direkt mal mit 2,5A Entladestrom weiter, was bezogen auf das 90 kWh Pack in etwa einer Entnahme von 60 kW DAUERHAFT entspricht. Den Test hab ich ebenfalls ne knappe halbe Stunde laufen lassen. Los gehts wieder von um die -10°C. Den Strom (grün) hab ich diesmal im Graph nach unten verbannt, interessiert ja nicht soo sehr. Die Temperatur steigt gegen Ende knapp über 0°C, der Innenwiderstand fällt entsprechend:
Entladen 2_5A.png



Zusammenfassend dafür lässt sich also sagen:
Der Akku selbst erfährt durch seine eigene Verlustwärme beim Entladen kaum eine Erwärmung. Die Verluste sind zwar da, aber einfach zu gering. Es mag durch den Pinguin-Effekt bei 7104 Zellen auf recht engem Raum noch anders aussehen, aber dafür kommen ja auch noch mehr Metall und Wasser dazu.
Die Erwärmung des Akkus, welche man beim fahren oder vorheizen feststellt, kommt also zum allergrößten Teil entweder von der aktiven Batterieheizung (falls aktiv), oder sonst durch die vergleichsweise großen Verluste in den IGBTs des Antriebsumrichters und auch der Abwärme des Motors.


Um jetzt trotzdem nochmal ne warme Zelle zu bekommen, bin ich mit dem Gedöns an die Heizung umgesiedelt und habe nach runter kühlen einen Entladevorgang mit mittelmäßigen 1A gestartet und die Zelle auf die Heizung gepackt. Strom spare ich mir im nächsten Graph mal. Es gibt nur Temperatur (rot) vs Innenwiderstand (blau). Da lässt sich nochmal gut erkennen, welche Wirkung der Knopf "maximale Batterieleistung" entfalten kann. In Richtung 50°C halbiert sich der Innenwiderstand nochmal locker, selbst ausgehend von einer schon sommerlichen Temperatur:
IR_°C.png



Demnächst gibts mit der Zelle nochmal SuC-Versuche (jetzt wo sie ein bisschen eingeweiht ist), ähnlich wie meine Tests mit der NCR18650B damals.
Zuletzt geändert von Beatbuzzer am 21. Jan 2017, 19:32, insgesamt 1-mal geändert.
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Re: Messungen mit NCR18650GA

von tornado7 » 16. Jan 2017, 13:38

Dafür liebe ich dieses Forum 8-) danke vielmals für den wertvollen Beitrag und die investierte Zeit!

Was mich noch interessieren würde: Wie steht es um die Leistungsentnahme bei Kälte. Ist Tesla mit der Leistungsbegrenzung konservativ genug oder werden die Zellen je nach Spassfuss überstrapaziert?
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Re: Messungen mit NCR18650GA

von jekruege » 16. Jan 2017, 13:53

Super! Bin aber nicht so der Chemiker/Techniker - also verzeih mir falls meine Fragen nicht passen.

Wenn der Innenwiderstand so stark abnimmt bei Wärme, heißt das im Umkehrschluss das es auf Langstrecke doch Sinn machen kann, ohne Range Mode zu fahren, falls man mit kaltem Akku losfährt? Hatte am Wochenende eine komisches Verhalten, dass es deutlich sparsamer war, ohne RangeMode zu fahren.

Wenn ich nun vor kalten Langstreckenfahrten von 50% auf 100% per Timer lade mit 22 kW - dann bringt das also keinen wärmeren Akku?
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Re: Messungen mit NCR18650GA

von grizzzly » 16. Jan 2017, 13:57

@jekruege:
doch den Vorteil hat es denn das Auto nimmt sich einen erkläklichen Teil aus der Ladung zur Heizung des Akkus auf "Ladetemperatur".
Das geht bis hin soweit das Du aus einer Schuko (13A x 230V) keinerlei Ladung sondern nur noch Heizung bekommst.
Daher ist Dein Verhalten kurz vor dem Fahren zu Laden durchaus richtig.
Aber natürlich nicht die Erwärmung durch die Ladung, wie hier belegt wurde,
sondern nur durch das Heizen des Akkus aufgrund der Ladung.

*edit.. Schreibfehler
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Re: Messungen mit NCR18650GA

von Merlin » 16. Jan 2017, 14:05

@ Beatbuzzer: besten Dank für deinen Einsatz & für die schlüssigen Erklärungen :)
LG, Peter

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Re: Messungen mit NCR18650GA

von Nick1 » 16. Jan 2017, 20:14

Klasse Idee und prima Umsetzung, Beatbuzzer!
Vielen Dank für Deine Arbeit und Mühe!

Es gefällt mir, wenn gewisse Thesen, die durch ständige Wiederholung gewisse Allgemeingültigkeit erlangt haben, letztlich doch mal auf dem Seziertisch landen und von dort evtl. den direkten Weiterweg ins Reich der Fabel antreten dürfen...

Erwärmung durch Entladung konnte also widerlegt werden.
Grizzzly geht davon aus, daß Erwärmung durch Ladung nicht stattfindet. Mag sein, diesen Umkehrschluss kann ich anhand der obigen Versuchsreihe aber nicht nachvollziehen.

Folgendes fällt mir im Alltag auf: die gelbe Strichellinie verschwindet beim Laden des kalten Akkus mit 11kW, die Prozentzahl der Akkufüllung steigt aber um den gleichen Betrag, wie wenn ein warmer Akku geladen wird. Dh. es gehen keine kWh über die Akkuheizung verloren.
Das kann 3 Möglichkeiten bedeuten:
1) die "praller" gefüllte Zelle bedarf keiner Lade- und Entladelimitierung
2) Es tritt beim Laden eine Erwärmung auf (ohne Zusatzheizung)
3) eine Mischung aus 1) und 2)


Punkt 2) sehe ich als Fakt.
Beispiel: Tesla steht bei 70% Akku längere Zeit in einer kalten Tiefgarage. Gelbe Strichellinie steht dann bei ca. 20 kW Ladelimit.

Lade ich dagegen von 20-70% auf, und am Anfang ist das Limit (Strichellinie) auch bei ca. 20 kW, ist es am Ende des Ladevorgangs komplett verschwunden.
Dabei spreche ich von 11kW Ladeleistung. Diese ist so hoch, daß es wohl genügt, den Akku beim Laden zu erwärmen, aber tief genug, daß es nicht notwendig ist, den Akku für die Ladung separat zu heizen.

Stelle ich die Ladeleistung zB. auf 7kW, funktioniert das Verschwinden der Strichellinie nicht mehr.

Allzu hoch wiederum kann die Erwärmung bei der Ladung jedoch nicht sein, da sonst das Gesamtsystem nicht diesen guten Wirkungsgrad hätte...

Interessant finde ich die Frage von jekruege: Range Mode aus, um möglichst schnell den Innenwiderstand runterzubekommen?
Das klingt logisch, wäre aber sehr paradox: wenn man im Tesla eine möglichst gute Range haben möchte, muss man den Range Mode ausschalten?!
Da wäre es logischer, die Software steuert dies im Hintergrund flexibel, heizt also den Akku auch mal bewusst im Range Mode.
Davon ist doch eigentlich auszugehen, denn der Anfangsverbrauch ist bei kaltem Akku massiv höher, und zwar auch bei Range Mode On...

Oder hat der erhöhte Innenwiderstand nicht nennenswert mit dem Verbrauch zu tun, sondern nur mit der Leistungsabgabe?
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Re: Messungen mit NCR18650GA

von Beatbuzzer » 16. Jan 2017, 20:47

Der Versuch zeigt eigentlich auf, dass der Verlust am Innenwiderstand sehr gering ist. Beim fahren mit durchschnittlichen Leistungen so gering, dass der Akku nur durch die Inverter und Motor Verluste erwärmt wird.
Erst bei starkem beschleunigen bricht die Spannung wirklich ernsthaft ein und es treten Verluste auf, die den Akku wirklich rasch erwärmen.
Die Begrenzung wird Tesla gut gewählt haben. Anhand meiner Versuche will ich das aber nicht verifizieren, da ich keine direkte Brücke zwischen der NCR18650GA und der Tesla Zelle bauen will, und noch den ein oder anderen Unterschied für möglich halte. Die vorherige aus dem 85 kWh Akku war ja auch nicht 100% identisch mit der NCR18650B...

Beim laden wird die Zelle immer wärmer als beim entladen, wenn man für beides einen Strom X annimmt. Daraus ergibt sich, dass der Innenwiderstand für den Ladevorgang größer, als für den Entladevorgang ist. Meine SuC Versuche mit der NCR18650B bestätigen das für hohe Ströme. Verlinke ich morgen nochmal, ist grad ungünstig am Handy ;)
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Re: Messungen mit NCR18650GA

von Haraldt1 » 16. Jan 2017, 20:59

Es ist definitiv so das der Akku beim laden beheizt wird.... wenn ich mit 28A dreiphasig lade habe ich in der app derzeit morgens ca. +45km/h, es werden mit zunehmender Ladedauer dann +88km/h also muss geheizt werden.

Nachdem ich dann irgendwo gelesen habe das laden im kalten Zustand nicht so gut dür die Zellen sein soll lade ich abends beim heimkommen und schalte den Rangemode off, morgens heize ich dann vor und bei der Abfahrt schalte ich wieder Rangemode on.
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Re: Messungen mit NCR18650GA

von grizzzly » 16. Jan 2017, 21:18

Ich sagte nicht das die Zellen beim Laden nicht warm werden durch den Innenwiderstand. Sondern nur das klar ist das der Akku (erst) geheizt wird durch Ladestrom bevor all die Leistung in Ladung fliesst.
Nach Datenblättern aller LiIon wird beim Laden Verlust im Akku erzeugt. Ich glaube aber nicht das er signifikant höher ist als der Entladeverlust. Thats what i said ;)
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Re: Messungen mit NCR18650GA

von Beatbuzzer » 17. Jan 2017, 06:33

Nick1 hat geschrieben:Folgendes fällt mir im Alltag auf: die gelbe Strichellinie verschwindet beim Laden des kalten Akkus mit 11kW, die Prozentzahl der Akkufüllung steigt aber um den gleichen Betrag, wie wenn ein warmer Akku geladen wird. Dh. es gehen keine kWh über die Akkuheizung verloren.
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2) Es tritt beim Laden eine Erwärmung auf (ohne Zusatzheizung)
3) eine Mischung aus 1) und 2)

Zu 1: Die Schere zwischen Entladebegrenzung und Ladebegrenzung bei einer angenommenen fixen Akkutemperatur 'dreht sich' mit dem Ladezustand. Über dem Innenwiderstand des Akkus fällt bei einem Stromfluss (egal ob rein oder raus) Spannung in die entsprechende Richtung ab. Deshalb muss begrenzt werden, damit die Spannung nicht zu tief fällt bzw zu hoch steigt und den Akku schädigt.
-Ein leerer Akku kann wegen niedrigerer Spannung mehr Reku wegstecken, er kann aber nicht mehr stark entladen werden eben wegen der schon geringen Spannung.
-Ein voller Akku kann wegen hoher Spannung nicht mehr viel Reku vertragen, er kann aber wegen der hohen Spannung stark enladen werden.

Zu 2: Beim laden tritt definitiv eine Erwärmung auf. Bei niedrigen Strömen abseits des SuC ist diese aber (wieder) nicht auf die Eigenerwärmung des Akkus zurückzuführen, sondern auf die Abwärme des am Wasserkreislauf angeschlossenen Ladegerätes. Nehmen wir 90% Wirkungsgrad an, dann fallen selbst bei 11 kW schon um die 1000W Wärme ab. Damit heizt man den Akku schon um ein paar entscheidende Grad auf. In dieser Jahreszeit mache ich mir das immer zu Nutze. Selbst 30-45 min nochmal kurz mit 11 kW nachladen vor Fahrtantritt bringt die gelbe Linie schon von knappen 15 kW auf jenseits der 30 kW Reku. Fürs komfortable one-pedal-driving ein Unterschied.
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