Antriebsbatterie

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Antriebsbatterie des Elektroautos Nissan Leaf aus Zellenblöcken mit jeweils mehreren Einzelzellen

Eine Antriebsbatterie (auch als Hochvoltspeicher, Traktionsbatterie oder Zyklenbatterie bezeichnet) ist ein Akkumulator, der primär dazu bestimmt ist, die für den Vortrieb sorgenden Elektromotoren in Elektrofahrzeugen mit elektrischer Energie zu versorgen. Dazu zählen auch die Puffer-Batterien in Brennstoffzellen-Fahrzeugen und bei Hybridantrieben.

Sie besteht aus mehreren zusammengeschalteten Elementen (daher „Batterie“) und aus wenigen bis Tausenden parallel und seriell zusammengeschalteten Akkumulator-Zellen oder Zellenblöcken.

Allgemeines

Bei Elektroautos sind Nennspannungen von mehreren Hundert Volt Gleichspannung (daher auch die Bezeichnung Hochvolt-Speicher), die in einer gewissen Relation zu den üblichen elektrischen Spannungen in Dreiphasenwechselstromnetzen stehen können, durchaus gängig. Höhere Batterie-Nennspannungen (oberhalb von 400 Volt, hineingehend bis in den Bereich von 1000 Volt Gleichspannung) sind in batterieelektrisch angetriebenen High-Performance-Autos ebenso wie in Batteriebussen keine Seltenheit. Für Pedelecs und Elektromotorroller sind Spannungen von 24, 36 und 48 Volt üblich. Bei Gabelstaplern und anderen Flurförderfahrzeugen mit Elektroantrieb werden häufig Bleibatterien mit 80 Volt Nennspannung eingesetzt, die zugleich dem Gewichtsausgleich dienen und oftmals als Traktionsbatterien (Batterien für Traktionsanwendungen) bezeichnet werden.

Verbraucher wie Licht, Scheibenwischer, Radio, Fernbedienung usw. werden bei Elektrofahrzeugen üblicherweise nicht aus der Hochvolt-Antriebsbatterie versorgt, sondern durch ein übliches 12- oder 48-Volt-Bordnetz mit kleinem elektrischem Energiespeicher ähnlich der Starterbatterie in herkömmlichen Kraftfahrzeugen. Während Starterbatterien mit der Karosserie verbunden sind („Minuspol an Masse“), werden Antriebsbatterien mit höherer Spannung in Kraftfahrzeugen isoliert zur Karosserie eingebaut.[1][2]

Antriebsbatterien von Elektro- und Hybridfahrzeugen gehören nach dem Batteriegesetz zur Klasse der Industriebatterien und nicht zur Klasse der Fahrzeugbatterien.[3]

Geschichte

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Antriebsbatterie im Egger-Lohner-Elektromobil, Baujahr 1899

Nachdem die Elektrizität Anfang des 19. Jahrhunderts für die Nachrichtenübertragung eingesetzt wurde, waren um 1837/1838 auch die Grundlagen für einen elektromotorischen Antrieb bekannt und der Elektromotor einsatzfähig entwickelt. 1854 wurde von Wilhelm Josef Sinsteden und darauf aufbauend 1859 von Gaston Planté der Bleiakkumulator entwickelt.

Eine Anordnung aus sechs dieser Zellen mit einer Nennspannung von jeweils 2 Volt und spiralförmig gewickelten Bleiplatten bildeten 1881 im Trouvé Tricycle von Gustave Trouvé die erste Antriebsbatterie (Nennspannung 12 Volt) für den Antrieb des autarken Elektrofahrzeuges ohne Schienen oder Kabelbindung. Geregelt wurde lediglich durch Schließen oder Öffnen des Stromkreises. Allerdings besaß das Trouvé Tricycle noch die Tretkurbeln des als Basis dienenden Dreirades.

Wenige Monate später war 1882 das Elektrodreirad von Ayrton & Perry nicht nur ohne Tretkurbeln und mit elektrischer Beleuchtung, sondern auch mit einer verbesserten Antriebsbatterie unterwegs. Die zehn Bleizellen speicherten bei einer Nennspannung von 20 Volt 1,5 kWh und konnten einzeln zu- und abgeschaltet werden, was eine Leistungs- und Geschwindigkeitregulierung ermöglichte. Schon bei den ersten Fahrzeugen wurde dabei die schwere Antriebsbatterie möglichst tief angeordnet, um so Stabilität und Fahrverhalten zu verbessern.

Während aber bei den ersten Fahrzeugen die Akkumulatorzellen noch offen platziert waren, baute man bei den ersten Elektroautos (ab 1888) die Antriebsbatterie schon in spezielle Gehäuse bzw. verkleidete sie. Die Accumulatoren-Fabrik Tudorschen Systems Büsche & Müller OHG (heute bekannt als Varta AG) stellte 1888 als erstes Unternehmen in Deutschland Bleiakkumulatoren industriell her. Im Eisenbahnbereich wurde der Wittfeld-Akkumulatortriebwagen mit diesen Akkus betrieben. Um 1900 erfolgten erfolgreiche Versuche, um Binnenschiffe mit Einsatz von Akkumulatoren elektrisch anzutreiben. Als Ergebnis hat die Watt-Akkumulatoren-Werke A. G. als Nachfolgegesellschaft einer Studiengesellschaft die Ziegel-Transport-Aktiengesellschaft (ZTG) in Zehdenick gegründet. Die E-Motoren von über 100 Binnenschiffen wurden von Akkumulatoren gespeist und versorgten Berlin mit Ziegelsteinen.[4] Vor dem Hintergrund heutiger Bestrebungen interessant ist dabei, dass die Akkus dieser Schiffe mit Strom aus Wasserkraft der Havel geladen wurde.

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Plan von Zehdenick mit Trockendock und Akkufabrik um 1900

Mit dem um 1900 entwickelten Nickel-Eisen-Akkumulator (Thomas Edison) und dem von dem Schweden Waldemar Jungner entwickelten Nickel-Cadmium-Akkumulator standen alternative Zellenchemien für Antriebsbatterien zu Verfügung. Der NiFe-Akku wurde nachweislich in verschiedenen Automobilen eingesetzt und besitzt eine sehr hohe Lebensdauer. Jay Leno in den USA besitzt einen Baker Electric, bei dem die Nickel-Eisen-Akkus nach fast 100 Jahren noch immer funktionsfähig sind. Henry Ford entwickelte das Ford Modell T auch als Elektrofahrzeug. Er hatte schon 150.000 Nickel-Eisen-Akkumulatoren bei Edison bestellt, als seine Abteilung für Elektromobile in Flammen aufging.

Die Erfindung des elektrischen Anlassers, durch den mit Hilfe einer Starterbatterie der Verbrennungsmotor ohne körperliche Anstrengung gestartet werden konnte, leitete den Niedergang der ersten Blütezeit der Elektroautomobile ein, in dessen Folge auch die Akkumulator- und Batterieentwicklung stagnierte. Bis zum Ende des 20. Jahrhunderts bildeten zyklenfeste Bleiakkumulatoren praktisch den Standard für Antriebsanwendungen. Dazu zählten unter anderem U-Boote, Akkutriebwagen, Industriefahrzeuge, wie Gabelstapler und Lastkarren, aber auch elektrische Rollstühle. Französische Hersteller produzierten in den 1990er Jahren mehrere tausend straßenzugelassene Fahrzeuge mit Nickel-Cadmium-Akkumulatoren. Als 1990 durch die CARB-Gesetzgebung in Kalifornien die Kraftfahrzeughersteller gezwungen werden sollten, stufenweise emissionsfreie Fahrzeuge (US=Zero Emission Vehicle) anzubieten, erhielt die Akkumulatorforschung wieder starke Impulse.

Während beispielsweise in den ersten Antriebsbatterien des General Motors EV1 noch die verfügbaren, preiswerten Bleiakkumulatoren zum Einsatz kamen, (26 Blöcke mit einer Gesamtkapazität von 16,3 kWh und einer Nennspannung von 312 Volt)[5], wurden in der zweiten Ausführung die von Stanford Ovshinsky serienreif entwickelten Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren eingesetzt[6]. Die Antriebsbatterie war dabei fest in einem Mitteltunnel im Fahrzeugboden verbaut, was zu einer hohen Crashsicherheit und sehr guten Fahreigenschaften beitrug.

Während die Natrium-Schwefel-Batterie für den BMW E1 oder die für den Hotzenblitz angekündigte Zink-Brom-Batterie[7] nie Serienreife erlangten, verhalf die für die „Mercedes-Benz A-Class electric“ weiterentwickelte Natrium-Nickelchlorid-Zelle (Zebra-Batterie) dem Fahrzeug nicht nur zu einer praktischen Reichweite von über 200 km[8], sondern auch zu Anwendungen beim Militär und in der Raumfahrt. Interessant ist bei diesem Fahrzeug auch die kompakte Blockanordnung, die die Montage der gesamten Antriebsbatterie in einem Stück von unten ermöglichte und auch zur hohen Sicherheit für die automotive Anwendung beitrug.

Auch die Grundlagen der Zellchemie für Lithium-Ionen-Akkumulatoren wurden in dieser Zeit gelegt. Allerdings stoppte die Automobilindustrie nach der Lockerung der CARB-Gesetze diese Aktivitäten, so dass Lithium-Ionen-Akkumulatoren erst im 21. Jahrhundert als Traktionsbatterien Bedeutung erlangten. Heute zählen die verschiedenen Varianten als Hoffnungsträger für deutliche Verbesserungen beim Leistungsgewicht und der Belastbarkeit.

Physikalisch-technische Eigenschaften

Datei:Lithium-Ion Cell cylindric.JPG
Zylindrische Zelle (18650) vor dem Zusammenbau. Einige Tausend davon bilden den Akku des Tesla Model S (siehe Gigafactory).
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Batteriemodule im Heck eines Batteriebusses
Datei:ASEAG 999 Batterie.jpg
Akkuzellen auf dem Dach eines Batteriebusses
Datei:Iveco Stralis AD 190 E-truck. Lidl. Spielvogel.jpg
Elektrolastkraftwagen e-Force One

Im Vergleich zu Gerätebatterien bzw. Konsumerzellen besitzen die Zellen einer Antriebsbatterie eine vielfach höhere Kapazität. Außerdem werden sie von verschiedenen Herstellern in verschiedenen Bauformen, teils auf Kundenwunsch entwickelt und hergestellt. Standardisierte Baugrößen gibt es nicht. Üblich sind sowohl Rundzellen, bei denen die Elektroden stab- und becherförmig ausgeführt sind, zum Beispiel Produkte von A123 Systems, als auch prismatische Zellen mit plattenförmiger Elektrodenanordnung, zum Beispiel Zellen der Firma Winston Battery.

Es werden hochstromfeste, zyklenfeste Akkumulatorsysteme verwendet, die in der Lage sind, elektrische Energie je nach Fahrzustand abzugeben oder aufzunehmen und viele Lade-Entlade-Zyklen zu überstehen. Im Gegensatz zu Starterbatterien können beispielsweise Blei-Antriebsbatterien durch spezielle Ausführung der Bleigitter und Separatoren bis zu 80 % tiefentladen werden, ohne Schaden zu nehmen.

Während Blöcke für Blei-Pkw-Starterbatterien bei 12 V bzw. 24 V Kapazitäten von 36 bis 80 Amperestunden (Ah) haben, werden für Gabelstapler Zellen mit Kapazitäten von 100 bis über 1000 Ah zusammengeschaltet, um Betriebsspannungen von beispielsweise 24 bis 96 Volt, für Elektroautos bis zu mehreren hundert Volt zu erreichen. Die Baugrößen sind dementsprechend teils erheblich größer. Höhere Spannungen reduzieren die fließenden Ströme und sollen so unter anderem die ohmschen Verluste in den Leitungen und die thermischen Verluste bei Lade- und Entladevorgängen vermindern sowie das Gewicht (Kabel) verringern.

Durch serielle Zusammenschaltung von Einzelzellen ergibt sich die Versorgungsspannung. Durch Vergrößerung der Baugröße der Zellen oder durch Parallelschaltung von Zellen kann die Speicherkapazität und Strombelastbarkeit erhöht werden. Das Produkt aus Spannung (V) und elektrischer Ladung/galvanischer Kapazität der Einzelzellen/parallel geschalteten Zellen (Ah) ergibt den Energiegehalt der Antriebsbatterie.

Anforderungen beim Einsatz in Fahrzeugen

Die mobile Anwendung der Antriebsbatterien bedingt höhere Sicherheitsanforderungen im Vergleich zur stationären Verwendung. So muss vor allem die Sicherheit bei mechanischen Einwirkungen nachgewiesen werden. Erreicht wird dies durch Verwendung sicherer Zellchemien (beispielsweise Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren) mit oft schlechteren elektrischen Kennwerten, die sichere konstruktive Gestaltung der Unterbringung im Fahrzeug (beispielsweise crashgetestete Batterietröge im Unterboden) und auch eine Kombination beider Methoden. Wie stark der Einfluss der Sicherheitsanforderungen bei Antriebsbatterien ist, kann am Beispiel des verzögerten Produktionsstarts des Opel Ampera nachvollzogen werden. Grund war die (erst mehrere Wochen) nach einem Crashtest in Brand geratene Antriebsbatterie des baugleichen Modells Chevrolet Volt.

Unterschiedliche Anforderungen bei vollelektrischen und Hybrid-Fahrzeugen

Da vollelektrische Fahrzeuge die gesamte elektrische Energie für die Fortbewegung speichern, kommen Akkuzellen mit hoher Kapazität[9] zum Einsatz, um Platzbedarf und Gewicht für die benötigte Energiemenge zu minimieren. Aufgrund der notwendigen Kapazität der Batterie (Zell- bzw. Modulgröße) ist die Strombelastbarkeit der Zellen für die Entlade- und Ladevorgänge in der Regel gegeben. Auch erfolgt die Belastung gleichmäßiger und mit geringeren Strömen bezogen auf die Akkukapazität als bei Hybridfahrzeugen.

In Hybridelektrofahrzeugen ist der Hauptteil der Antriebsenergie in Form von chemischer Energie (Kraftstoff) mitgeführt. Die Antriebsbatterie hat eine deutlich kleinere Kapazität. Sie speichert elektrische Energie für die Fortbewegung und nimmt Rekuperationsenergie der Nutzbremse auf. Dafür werden Hochstromzellen[10] eingesetzt, die trotz geringerer Kapazität die notwendige (oftmals kurzzeitige) hohe Strombelastung bei gutem Wirkungsgrad und der benötigten Lebensdauer realisieren können.

Nennkapazität, Belastbarkeit, Herstellerangaben

Die Nennkapazität ist die vom Hersteller unter festgelegten Kriterien zugesicherte, entnehmbare Energiemenge. Bei Kapazitätsvergleichen ist es wichtig, diese Kriterien zu beachten. So hat ein Akkumulator mit den Angaben 12 V / 60 Ah C3 eine höhere Kapazität als ein Akkumulator gleicher Baugröße mit Kennzeichnung C5 oder C20. Die Angabe Cx charakterisiert dabei die Entladedauer für die angegebene Kapazität in Stunden. Bei C3 können in drei Stunden gleichmäßiger Entladung 60 Ah entnommen werden, es sind also höhere Ströme möglich als bei C5 oder C20, was für den Einsatz als Antriebsakku wichtig ist, da die Ströme in der Praxis oftmals über diesen Messströmen liegen (Siehe auch C-Rate und Peukert-Gleichung).

Bei hochbelastbaren Lithium-Ionen-Akkumulatoren hat sich die Angabe der Strombelastbarkeit im Verhältnis zur Kapazität durchgesetzt. Dabei bedeutet dann beispielsweise für eine Zelle 3,2 V 100 Ah[11] bei Standardentladung mit 0,5 C (oder auch 0,5 CA), dass die Kapazität mit einem Entladestrom von 50 A ermittelt wurde. Üblich sind Kapazitätsangaben bei 0,5 C oder 1 C, wobei die zulässige Dauerbelastbarkeit durchaus 3 C oder mehr (im Beispiel bei 3 C also 300 A), die kurzzeitige Belastung noch deutlich mehr (hier 20 CA, also 2000 A) betragen kann. Hierbei sinkt jedoch die beim geringeren Strom ermittelte Kapazität.

Statt die Kapazität (Amperestunden) einer Antriebsbatterie bzw. deren Einzelzellen anzugeben, wird meist der Energieinhalt (Kilowattstunden) des gesamten Akkus angegeben. So sind auch unterschiedliche Bauarten miteinander vergleichbar, da die nur technisch wichtige Nennspannung herausfällt. So benötigen Starterbatterien nur einen Energiegehalt von 0,5…1 kWh, Traktionsakkus für Gabelstapler haben beispielsweise 4,8…28,8 kWh und der Toyota Prius II (Hybridantrieb) hat einen Akkumulator mit einem Energieninhalt von 1,3 kWh. Elektroautos haben zehn- bis hundertfach größere Akkumulatoren.

Einflüsse auf die nutzbare Kapazität

Im Betrieb kann nicht die gesamte Nennkapazität genutzt werden. Zum einen wird die nutzbare Kapazität bis zum Absinken auf die festgelegte Schlussspannung bei hohen entnommenen Strömen geringer (siehe Peukert-Effekt), zum anderen bestimmt bei seriellen Verschaltungen die Zelle / der Zellblock mit der geringsten Kapazität die nutzbare Kapazität ohne schädigende Tiefentladung.

Die Zellen einer Antriebsbatterie weisen fertigungsbedingt sowie durch Nutzungseinflüsse auch immer Unterschiede in der Kapazität und Stromabgabe (innerer Widerstand) auf. Da dadurch im Betrieb die Zellen unterschiedlich belastet werden, kommt es zu einem Auseinanderdriften, was die nutzbare Kapazität der gesamten Batterie verringert. Während die Kapazität der besten Zellen nie gänzlich ausgenutzt werden kann, werden die schwachen Zellen regelmäßig überlastet, tiefentladen oder überladen. Auch um diese Effekte zu verringern bzw. zu vermeiden, werden bei modernen Antriebsakkumulatoren Balancer und Batteriemanagementsysteme eingesetzt. Auch tiefere Temperaturen verringern die Fähigkeit der Antriebsbatterie zur Abgabe hoher Ströme und verstärken den Peukert-Effekt, da sich generell die Beweglichkeit der Elektronen verringert. Um diesem Effekt entgegenzuwirken und da verschiedene Akkutechnologien bei tieferen Temperaturen unbrauchbar werden, sind Antriebsbatterien oft auch mit einer zusätzlichen Heizung ausgestattet[12]. Diese übernimmt entweder während der Verbindung zum Stromnetz die Temperierung oder heizt sich aus ihrem Energiegehalt selbst. Dadurch und durch zusätzliche Verbraucher wie elektrische Innenraumheizung oder Klimaanlage verringert sich die winterliche Reichweite, obwohl der nutzbare Energiegehalt der Antriebsbatterie auch im Winter zur Verfügung steht.

Die Entladetiefe der Akkuzellen wird zugunsten der Lebensdauer oft durch das Batteriemanagementsystem (BMS) begrenzt, meist auf 60–80 % der Nennkapazität. Vor allem bei Verbrauchsberechnungen und Vergleichen von verschiedenen Antriebsbatterien müssen diese Umstände beachtet werden. Diese „Nutzkapazität“ wird vom Autohersteller selten ausgewiesen, sondern als nutzbarer Bereich der Nennkapazität beschrieben. So wird beim Chevrolet Volt bzw. Opel Ampera ein nutzbares Akkufenster von 30 bis 80 % angegeben, das sind (zugunsten der Haltbarkeit) lediglich 50 % der Nennkapazität von 16 kWh.

Lebensdauer und Zyklenfestigkeit

Plug in America führte unter Fahrern des Tesla Roadster bezüglich der Lebensdauer der verbauten Akkus eine Umfrage durch. Dabei ergab sich, dass nach 160.000 km die Akkus noch eine Restkapazität von 80 bis 85 Prozent hatten. Dies war unabhängig davon, in welcher Klimazone das Fahrzeug bewegt wurde.[13][14] Der Tesla Roadster wurde zwischen 2008 und 2012 gebaut und verkauft.

Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren, die als Antriebsakkus eingesetzt werden, erreichen nach Herstellerangaben mehr als 5000 Zyklen bei einer Entladetiefe von 70 %[15].

Das (vor 2019) meistverkaufte Elektroauto ist der Nissan Leaf, der seit 2010 produziert wird. Nissan gab 2015 an, dass bis dahin nur 0,01 % der Akkus wegen Defekt oder Problemen ausgetauscht werden mussten und dies auch nur aufgrund extern zugefügter Schäden. Dabei gibt es vereinzelt Fahrzeuge, die bereits mehr als 200.000 km gefahren sind. Auch diese hätten keine Probleme mit dem Akku.[16]

Ladezeiten

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BYD e6 Taxi, aufladen in 15 Minuten auf 80 Prozent

Elektroautos wie Tesla Model S, Renault Zoe, BMW i3 usw. können ihre Akkus an Schnellladestationen innerhalb von 30 Minuten zu 80 Prozent aufladen.[17][18][19][20] Im Juli 2013 kündigte Tesla an, dass die nächste Generation der Supercharger nur noch 5 bis 10 Minuten benötigen würde, was er innerhalb der nächsten Jahre in die Realität umsetzen wolle.[21] Die Supercharger vom Stand 1. November 2016 haben in Europa eine maximale Ladeleistung von 120 kW und geben typischerweise 40 Minuten für eine 80-%-Ladung und 75 Minuten für eine Vollladung an.

Nach Angabe des Herstellers BYD ist der Lithium-Eisen-Phosphat-Akku des Elektroautos e6 an einer Schnellladestation innerhalb von 15 Minuten zu 80 % aufgeladen, nach 40 Minuten zu 100 %.[22]

Einsatzbeispiele

Antriebsbatterie für ein Pedelec als herausnehmbarer Akkupack

Antriebsbatterien aus geschlossenen Bleiakkumulatoren werden in elektrischen Gabelstaplern eingesetzt und dienen dort zugleich als Gegengewichte zur Stapelware, um mit Hilfe der Gegengewichte eine bestimmte (größere) physikalische Masse transportieren zu können. Auch in fahrerlosen Transportsystemen bei ebenen Anwendungen werden sie noch eingesetzt. Das hohe Gewicht und die starke Temperaturabhängigkeit wirken sich nachteilig bei Höhenunterschieden bzw. Steigungen und im Winterbetrieb aus. Daher sind sie für die Anwendung im Elektrofahrrad, in Elektrorollern und Elektroautos weniger geeignet.

In modernen Elektrofahrrädern/Pedelecs kommen aus Platz- und Gewichtsgründen fast ausschließlich Akkumulatoren auf Lithiumbasis zum Einsatz. Anfänglich eingesetzte Bleiakkumulatoren haben sich nicht bewährt.

Bei Elektromotorrollern sind als Antriebsbatterien verschiedenste Akkusysteme im Einsatz. Auch hier gilt der Bleiakkumulator als veraltet, NiCd als bewährt und Batterien auf Lithiumbasis als leistungsstark.

Beim Einsatz in Hybridfahrzeugen wie dem Toyota Prius oder dem Honda Civic IMA werden derzeit (2012) Antriebsbatterien vom Typ Nickel-Metall-Hydrid-Akku mit Spannungen von rund 200 bis 400 Volt und unter 10 Amperestunden eingesetzt. Die Kapazitätsbeschränkung ergab sich dabei aus patentrechtlichen Bestimmungen, die Produktion und Weiterentwicklungen stark einschränkten.[23] Neuentwicklungen sind zunehmend mit Antriebsbatterien auf Lithiumbasis ausgerüstet.

In Solarfahrzeugen werden aus Gewichts- und Volumengründen ausschließlich moderne Hochleistungsbatterien auf Lithiumbasis eingesetzt. Das weltgrößte Solarfahrzeug, der Katamaran Tûranor PlanetSolar, besitzt die derzeit mit 1,13 MWh auch weltgrößte Lithium-Antriebsbatterie. Deren Zellen stammen vom thüringischen Zellproduzenten Gaia Akkumulatorenwerk GmbH.

In Elektroautos kommen heute (1/2016) fast nur noch Lithium-Ionen-Akkumulatoren zum Einsatz (siehe Tesla Model S, BMW i3, Renault Zoe, Nissan Leaf, VW e-up! usw.). In den Fahrzeugen Bluecar und Bluebus der französischen Unternehmensgruppe Bolloré kommt als weitere Technik der Lithium-Polymer-Akkumulator zum Einsatz. Das Unternehmen Batscap, das diese Batterien in Frankreich und Québec produziert, zählt ebenfalls zur Bolloré-Gruppe.

In U-Booten wurden und werden Antriebsbatterien für Unterwasserfahrten eingesetzt, weil sich hier der Einsatz von Abgasen erzeugenden und Luft-Sauerstoff verbrauchenden Verbrennungsmotoren verbietet.

Im September 2019 meldete Tesla, Inc. ein Patent für VC-Lithiumbatterien mit modifizierten Elektroden an, die noch im Jahr 2020 in verbaut werden sollen und 20 Jahre und 1,8 Mio. km (mehr als 1 Mio. Meilen) Lebensdauer (nicht Reichweite) halten sollen, gegenüber der bisherigen Technik mit NMC-Elektroden, die bis 500.000 Meilen Lebensdauer erreichten.[24][25]

Umweltaspekte

Antriebsbatterien bestehen aus Einzelzellen, die sowohl in der Größe (Kapazität) als auch in der Anzahl der Einzelzellen (Spannung) deutlich über den Gerätebatterien liegen. Daher enthalten sie größere Mengen einzelner Rohstoffe, so dass nach der Nutzung eine Rückführung in den Stoffkreislauf (Recycling) volkswirtschaftlich und ökologisch sinnvoll und notwendig ist. Für Starterbatterien und Antriebsbatterien als Bleiakkumulator wurde daher in Deutschland mit der Batterieverordnung ein Batteriepfand von 7,50 Euro/Stück eingeführt. Die Rückführungsquote liegt bei über 90 %.[26]

Für moderne Lithium-Ionen-Akkumulatoren existiert eine solche Pfandlösung noch nicht.[27]

Sicherheit

Zu Lithium-Antriebsbatterien ist bekannt, dass Fahrzeugbrände mit Beteiligung der Batterien vorkommen können und schwierig zu bekämpfen sind. Anfang der 2010er Jahre wurde in mehreren technischen Gutachten auf diese Gefahren hingewiesen. Neben der Gefahr für die Fahrzeuginsassen ist seitdem das Problem zur Brandbekämpfung durch die Feuerwehr bekannt.[28]

Preisentwicklung und Hersteller

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Lernkurve von Lithium-Ionen-Batterien: Der Preis für Batterien ist in drei Jahrzehnten um 97 % gesunken.

Die Preise für Antriebsbatterien sind wegen der verfügbaren und preiswerten Ausgangsmaterialien nur in geringem Maß durch die Rohstoffe bestimmt. Während bei Einzel- und Kleinserienfertigung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren 2008–2010 Preise von teils deutlich über 500 €/kWh Nennkapazität genannt wurden, fielen sie für die ersten in Serie gefertigten Batterien 2012 auf 280–350 €/kWh. 2013 bezifferte Li-Tec den Preis auf 200 €/kWh und suchte damals Partner, um die kostengünstige Massenproduktion umzusetzen.[29] Der Preis einer Einzelzelle soll 2016 nach Angaben von General Motors etwa 145 $/kWh[30][31] (ca. 127 €/kWh) entsprechen, der der Batterie 300 $/kWh[31] (etwa 263 €/kWh). Eric Feunteun, Leiter der Sparte Elektromobile bei Renault, teilte im Juli 2017 mit, dass Renault eine kWh Akku 80 Dollar kostet.[32][33] Ursache des Preisverfalls ist die anlaufende Massenproduktion, die die Stückkosten durch bessere Technologien und Skaleneffekte deutlich verringert. Allerdings werden die sinkenden Produktionskosten nur verzögert an die Kunden weitergegeben, da auf diesem Markt, speziell in Deutschland, durch die wenigen Angebote nur ein geringer Preisdruck besteht.

Die Zellen der Antriebsbatterie des Mitsubishi i-MiEV von 16 kWh für etwa 150 km Reichweite kosteten im Jahr 2013 etwa 3.200 Euro in der Herstellung.

Die mit Stand 2015/2016 wichtigsten Hersteller von Antriebsbatterien, Panasonic, Samsung SDI und LG Chem, sind alle zugleich die wichtigsten Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien für elektronische Geräte.[34] Der japanische Hersteller Panasonic, der Tesla beliefert und mit Tesla zusammen die Gigafactory aufbaut, hat bei Antriebsbatterien einen Marktanteil, der auf 36 %[35] oder 39 %[36] geschätzt wird. Für die südkoreanische Firma LG Chem, die z. B. die Batterien für den Chevrolet Volt und den Renault Zoé liefert, wird ein Marktanteil von 8 % angegeben, für Samsung SDI, die für BMW und Volkswagen produzieren, einer von 5 %.[35] Weitere Produzenten von Antriebsbatterien sind AESC (Automotive Energy Supply Corporation), ein Gemeinschaftsunternehmen von Nissan und NEC, die chinesische Firma BYD sowie die seit 2013 in chinesischem Besitz befindliche A123.

Werkstoffspezifische Einteilung und praxisbezogene Hinweise

Üblicherweise werden die Antriebsbatterien nach den Materialien, die für die galvanischen Zellen verwendet werden, unterschieden. Wegen der Vielzahl der unterschiedlichen Systeme können nur allgemeine Handlungsempfehlungen gegeben werden. Bezugspunkt sollten immer die jeweiligen Herstellerempfehlungen sein, wobei auch die Möglichkeit einer abweichenden, schonenderen Nutzung geprüft werden sollte, um einer möglichen geplanten Obsoleszenz entgegenzuwirken und die Wirtschaftlichkeit (Kosten/Kilometer über die Nutzungsdauer) zu erhöhen.

Bleiakkumulatoren als Antriebsbatterie

Bleiakkumulator-Systeme waren in Deutschland bislang die am häufigsten verwendeten Antriebsbatterietypen. Trotz äußerlicher Ähnlichkeit unterscheiden sie sich im Aufbau und der Verwendung von Starterbatterien, da sie auf höhere Energiedichte und längere Zyklenfestigkeit optimiert sind, Starterbatterien dagegen auf hohe Leistungsdichte (kurzzeitige hohe Stromabgabe).

Um die Lebensdauer zu maximieren, sollte die Belastung und Entladetiefe gering gehalten werden, was oftmals konstruktiv schwer umsetzbar ist (Verhältnis Kapazität zu geforderter Leistung). Generell wird empfohlen, Bleiakkumulatoren nach jeder Nutzung zeitnah mit hohen Strömen aufzuladen und möglichst nicht tief zu entladen (flache Zyklen). Eine geringe Entladetiefe von lediglich 30 % der Nennkapazität kann dabei die Lebensdauer vervielfachen.[37] Batteriemanagementsysteme sind kaum verfügbar, ein praktischer Einsatz ist lediglich mit dem BADICHEQ-System (BAttery DIagnostic & CHarge EQualizing)[38] im Hotzenblitz bekannt. Ein Ladungsausgleich kann mit PowerCheq-Balancern zwischen Zellblöcken, nicht aber zwischen den Einzelzellen realisiert werden. Ein Betrieb bei winterlichen Temperaturen ist ohne Heizung kaum möglich. Auch das Laden bei kaltem Akku kann nur mit geringeren Strömen und höheren Eigenverlusten erfolgen. Die Lagerung sollte in voll geladenem Zustand bei niedrigen Plus-Temperaturen erfolgen, zeitliche Kontrolle und Nachladung sind wegen der hohen Selbstentladung notwendig.

Nickel-Cadmium-Akkumulatoren als Antriebsbatterie

Nickel-Cadmium-Akkusysteme haben eine weite Verbreitung gefunden, da sie sehr robust und langlebig sind. In Europa werden sie als Nasszellen vorrangig von der Firma Saft gefertigt und wurden auch in verschiedenen französischen Elektroautos eingesetzt. Allerdings enthalten sie das giftige Cadmium. Obwohl das europaweite Verbot NiCd-Traktionsakkus derzeit noch ausklammert, werden sie zunehmend von neueren Technologien vor allem auf Lithiumbasis verdrängt. Auch leiden NiCd-Akkus unter dem reversiblen Memory-Effekt, der in zeitlichen Abständen zum Kapazitätserhalt eine vollständige Entladung und gezielte Ausgleichsladung/Überladung erfordert. Generell werden NiCd-Akkus daher tiefer gezykelt und auch nicht nach jedem Gebrauch nachgeladen. Sie gelten als robust und auch noch bei tiefen Temperaturen einsetzbar.

Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren als Antriebsbatterie

Der Nickel-Metallhydrid-Akkumulator wurde aufgrund seiner hohen Energiedichte erfolgreich als Antriebsakku eingesetzt (Bsp.: General Motors EV1), jedoch verhinderten patentrechtliche Sanktionen eine Fertigung hochkapazitiver Zellen (mehr als 10 Ah) und damit eine stärkere Verbreitung und Weiterentwicklung. Daher sind im Antriebsbereich keine BMS und nur schwer passende Ladegeräte verfügbar, wogegen NiMH-Akkus im Konsumerbereich Standard sind. Bei der Nutzung ist starkes Überladen zu vermeiden, da es die Alterung durch die Erwärmung beschleunigt und eine exotherme Reaktion (thermisches Durchgehen) möglich ist, was zum Brand führen kann. Die Ladeabschaltung nach DeltaPeak sollte mindestens mit einer thermischen Abschaltung kombiniert sein. Die beste Leistungsfähigkeit erzielt man bei etwa 25 °C, die Lebensdauer kann bei entsprechender Nutzung >10 Jahre betragen (siehe Toyota Prius).

Thermalbatterien als Antriebsbatterie

Auch Thermalbatterien wie die Zebra-Batterie werden erfolgreich als Antriebsakkumulator eingesetzt.[39] Sie eignet sich vor allem für regelmäßigen bzw. Dauereinsatz, da dann die systembedingten Energieverluste vernachlässigbar sind. Der Vorteil liegt vor allem in der hohen Betriebssicherheit und der uneingeschränkten Wintertauglichkeit, da durch die hohen Betriebstemperaturen die Umgebungstemperatur keinen Einfluss hat. Ausfallende Zellen werden niederohmig und verringern zwar die Kapazität, verhindern aber nicht die Nutzung.

Lithium-Ionen-Akkumulatoren als Antriebsbatterie

Lithium-Ionen-Akkusysteme wurden seit 2012 zur bevorzugte Variante der Antriebsbatterien. In Elektroautos kamen 2014 fast nur noch Lithium-Ionen-Akkumulatoren zum Einsatz, beispielsweise Tesla Model S, BMW i3, Renault Zoe, Nissan Leaf, VW e-up!. „Lithium-Ionen-Akkumulator“ ist ein Oberbegriff für eine Vielzahl verschiedener Varianten von Akkumulatoren mit verschiedenen Eigenschaften.

  • Sowohl an der unteren wie an der oberen Zellspannungsgrenze setzen Prozesse ein, die die Lebensdauer der Akkus verringern oder sie zerstören. Elektronische Steuerungen (Balancer/BMS) sorgen in der Regel sowohl bei der Ladung als auch bei der Entladung für die Einhaltung der Grenzspannungen.
  • Der optimale Betriebsbereich ist bei einer mittleren Entladetiefe in dem breiten Betriebsbereich, in welchem die Spannungen nur gering um die Nennspannung schwanken. Häufiges Nachladen, flache Zyklen sind empfohlen. Ständiges Vollladen ist aber ebenso wie tiefes Entladen ungünstig für die Lebensdauer. Nach Vollladung sollte die Antriebsbatterie genutzt werden. Eine längere Lagerung bei Nichtnutzung sollte nicht über etwa 95 % Ladezustand erfolgen.
  • Während Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren (LiFePO4) eher unempfindlich gegen Minustemperaturen sind, vor allem bei der Entladung, werden andere Akku-Typen (LiPo) bei Frost zerstört. Die beste Leistungsfähigkeit von LiFePO4-Akkus erhält man bei 25–35 °C, allerdings verstärken höhere Temperaturen den schleichenden Kapazitätsverlust durch Alterung.

Durch Konfliktrohstoffe und steigender Preise der Materialien hat sich die verwendete Zellchemie der Lithium-Ionen-Akkumulatoren für Antriebsbatterien im Laufe der 2010er Jahre verändert. Die meisten Hersteller setzten zuerst auf NMC-Akkumulatoren, bei denen die Anteile von Nickel:Mangan:Cobalt anfänglich mit 1:1:1 gleich groß waren, später NMC-111 genannt. Über mehrere Stufen von NMC-532 und NMC-622 verschob sich das Verhältnis zu NMC-811 ab 2019. Tesla verwendete auch NCA-Akkumulatoren.[40] Mit neuen Packungsdichten bei LFP-Akkumulatoren ab Ende 2019 kam es zu einer Renaissance dieser Zellchemie, die im Vergleich zu NMC eine geringere Energiedichte hat – lag der Marktanteil LFP Anfang 2020 noch bei 1 Prozent, stieg er weltweit auf 20 Prozent bis Ende 2021. Tesla erwartet bis Ende 2022 einen Anteil von 75 Prozent LFP in seiner Produktion.[41]

Natrium-Ionen-Akkumulatoren als Antriebsbatterie

Die Verfügbarkeit der Rohstoffe bestimmt die weitere Entwicklung, bei der man insbesondere auch Lithium durch Natrium ersetzen will, das sich chemisch ähnlich verhält und auf vorhandenen Produktionsanlagen für Lithium-Ionen-Akkumulatoren verwendbar ist. Ab 2023 sollen die Natrium-Ionen-Akkumulatoren in die Massenproduktion für Traktionsbatterien gehen.[42]

Literatur

  • Jörg Becker, Daniel Beverungen, Martin Winter, Sebastian Menne: Umwidmung und Weiterverwendung von Traktionsbatterien. Springer-Verlag, 2019, ISBN 978-3-658-21021-2.
  • Gianfranco Pistoia, Boryann Liaw (Hrsg.): Behaviour of Lithium-Ion Batteries in Electric Vehicles: Battery Health, Performance, Safety and Cost. Springer, 2018, ISBN 978-3-319-69949-3
  • Kapitel 5.2. Energiespeicher Akku. In: Anton Karle: Elektromobilität: Grundlagen und Praxis. 2. Auflage. Hanser, 2017, ISBN 978-3-446-45099-8, S. 78–88
  • Chapter 29: Dennis A. Corrigan, Alvaro Masias: Batteries for Electric and Hybrid Vehicles. In: Thomas B. Reddy (Hrsg.): Linden's Handbook of Batteries. 4. Auflage. McGraw-Hill, New York 2011, ISBN 978-0-07-162421-3.
  • Chapter 12.4. Electric Vehicles. In: Dell, Rand: Understanding Batteries, Royal Society of Chemistry, 2001, ISBN 0-85404-605-4, S. 202–214
  • Kapitel 6 Batterietechnik. In: Robert Schoblick: Antriebe von Elektroautos in der Praxis: Motoren, Batterietechnik, Leistungselektronik. Franzis, Haar bei München 2013, ISBN 978-3-645-65166-0
  • Kapitel 3. Speicherung der elektrischen Energie. In: Helmut Tschöke (Hrsg.): Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs. Springer/Vieweg, Wiesbaden 2015, ISBN 978-3-658-04643-9, S. 51ff.
  • Sascha Koch: Auswirkungen der Selbstentzündung von Lithium-Ionen-Zellen auf die Gesamtbatterie. (= Elektrische Energiespeichersysteme; 1) Cuvillier Verlag, Göttingen 2020 (zugl. Diss. Univ. Stuttgart 2019), ISBN 978-3-7369-7138-7.

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Weblinks

Commons: Antriebsbatterie – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. ↑ Tassilo Sagawe: Sicherheit der Hochvolttechnik bei Elektro- und Hybridfahrzeugen. 4. Sachverständigentag, 1. und 2. März 2010 in Berlin. Abgerufen am 21. Februar 2020.
  2. ↑ Sicherheit von Elektrofahrzeugen. Abgerufen am 21. Februar 2020.
  3. ↑ § 2 IV, V BattG
  4. ↑ Vor 100 Jahren - Elektrisch angetriebene Kähne aus Zehdenick, aufgerufen am 29. Oktober 2017
  5. ↑ Elweb.info: Datenblatt des GM EV1
  6. ↑ The Economist, 6. März 2008: In search of the perfect battery, aufgerufen am 28. Juni 2012
  7. ↑ Der Spiegel, 13/1994: TRIUMPH EINES TÜFTLERS, aufgerufen am 28. Juni 2012
  8. ↑ Daimler Pressestelle, Dezember 1997: The A-Class Electric Vehicle, Powered by the ZEBRA Battery System, PDF, aufgerufen am 18. Juni 2012
  9. ↑ AESC: High energy cell (for BEV), Zellspezifikation, Diagramme, eingefügt am 28. Juni 2013
  10. ↑ AESC: Cell performance – High power cell (for HEV), Zellspezifikation, Diagramme, eingefügt am 28. Juni 2013
  11. ↑ Winston Battery: WB-LYP100AHA Datenblatt, eingefügt am 14. Februar 2012
  12. ↑ AutoStromer, 31. Januar 2012: Das Elektroauto im Winter, eingefügt am 12. April 2012
  13. ↑ greenmotorsblog.de: Tesla Roadster – Batterie langlebiger als erwartet (Memento vom 7. April 2014 im Internet Archive), abgerufen am 31. März 2014
  14. ↑ Plug In America Research Shows That Tesla Roadster Battery Performance Bests Tesla Motors’ Own Projections, abgerufen am 26. November 2019
  15. ↑ 3xe-electric-cars.com: (Memento vom 3. Februar 2016 im Internet Archive) Winston Battery, Herstellerangaben, abgerufen am 31. März 2014
  16. ↑ zeit.de: „Batterie-Upgrade? Unwahrscheinlich!“, abgerufen am 22. Februar 2016.
  17. ↑ BMU, März 2011: golem.de Neue Stromtankstelle: Elektroautos laden in 20 Minuten
  18. ↑ zeit.de Die Ladezeit dauert je nach Station zwischen 30 Minuten (Gleichstrom-Ladestation) und etwa acht Stunden (Haushaltssteckdose).
  19. ↑ bild.de Die Akkus im Renault Zoe können in der schnellsten von vier Ladegeschwindigkeiten in 30 Minuten bis zu 80 Prozent aufgeladen werden.
  20. ↑ golem.de Mit einem Schnellladegerät lässt sich der Akku des i3 in nur 30 Minuten zu 80 Prozent aufladen.
  21. ↑ dailygreen.de (Memento vom 25. Februar 2015 im Internet Archive) Supercharger: Tesla will Elektroautos in fünf bis zehn Minuten aufladen.
  22. ↑ byd-auto.net (Memento vom 6. Februar 2016 im Internet Archive) Website von BYD: 40 (min) / 15 (min 80 %)
  23. ↑ Patent EP0954454B1: Elektrisches Hybridfahrzeug und Antriebssystem. Angemeldet am 20. November 1998, veröffentlicht am 8. November 2006, Anmelder: Ovonic Battery Co, Erfinder: Stanford R. Ovshinsky, Robert C. Stempel.‌
  24. ↑ Tesla: Neue Batteriezellen-Chemie steigert Akku-Leistung & Lebensdauer. In: Elektroauto-News.net. 4. Januar 2020, abgerufen am 19. Februar 2020.
  25. ↑ Ariel Cohen: Tesla’s New Lithium-Ion Patent Brings Company Closer to Promised 1 Million-Mile Battery. Abgerufen am 19. Februar 2020 (englisch).
  26. ↑ Batterieverordnung – Batterieverwertung (Memento vom 11. März 2012 im Internet Archive), eingefügt am 6. Februar 2012
  27. ↑ Empa: Die Ökobilanz von Lithium-Ionen-Akkus für Elektroautos, 27. August 2010, eingefügt am 6. Februar 2012
  28. ↑ Marcus Keichel, Oliver Schwedes: Das Elektroauto: Mobilität im Umbruch, Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-658-00796-6, Seite 139 (Teilvorschau online)
  29. ↑ Martin Seiwert, Reinhold Böhmer, Jürgen Rees und Franz W. Rother: E-Auto-Batterien: Daimler und Evonik suchen Partner für Li-Tec. Dramatischer Preisverfall. In: WirtschaftsWoche Online. (hrsg. durch die Verlagsgr. Handelsblatt), 15. Juni 2013, abgerufen am 9. April 2016.
  30. ↑ Jeff Cobb: GM Says Li-ion Battery Cells Down To $145/kWh and Still Falling. HybridCars.com, 2. Oktober 2015, abgerufen am 9. April 2016 (englisch).
  31. ↑ a b Sam Abuelsamid: LG Chem May Be On The Verge Of Dominating EV Battery Industry. In: Forbes Autos. Forbes, 28. Oktober 2015, abgerufen am 9. April 2016 (englisch).
  32. ↑ Aus für den Verbrennungsmotor?. Zitat: «Derzeit kostet uns eine Kilowattstunde rund 80 Dollar», verrät Renault-Elektroexperte Eric Feunteun. In: blick.ch, Juli 2017. Abgerufen am 16. Juli 2017.
  33. ↑ Elektroantrieb vor dem Durchbruch? Dieses Auto könnte alles ändern In: focus.de, 6. Juli 2017. Abgerufen am 16. Juli 2017.
  34. ↑ Global Market for Lithium-Ion Batteries – Forecast, Trends & Opportunities 2014-2020. (PDF) In: MarketResearch.com. Taiyou Research, S. 13, abgerufen am 9. April 2016 (englisch).
  35. ↑ a b Bruce Einhorn, Heejin Kim: Samsung and LG Have a Battery Problem. China has cut subsidies for the Korean companies’ models. http://www.bloomberg.com/, 31. März 2016, abgerufen am 9. April 2016 (englisch).
  36. ↑ Julia Pyper: How LG Chem Can Dethrone Panasonic as the World’s Leading EV Battery Supplier. Greentech Media, 26. August 2015, abgerufen am 9. April 2016.
  37. ↑ CSB-Battery: Datenblatt EVH 12390 Seite 2 im Diagramm Series Cycle Service Life wird die Batterielebensdauer abhängig von der Entladetiefe dargestellt (Memento vom 1. Februar 2014 im Internet Archive) (PDF; 608 kB), aufgerufen am 7. Januar 2016
  38. ↑ Battery-Kutter: BADICHEQ-Systembeschreibung, PDF. (PDF) Archiviert vom Original am 1. Februar 2014; abgerufen am 28. Juni 2013.
  39. ↑ Prospekt der Daimler-Benz AG, 12/1997:The A-Class Electric Vehicle, Powered by the ZEBRA Battery System PDF-Prospekt, eingefügt am 7. Februar 2012
  40. ↑ Tesla will Vielfalt der Batteriezell-Typen beschränken. InsideEV. 30. Juli 2021.
  41. ↑ Fast jeder zweite Tesla kommt schon mit LFP-Akku. Golem. 23. April 2022.
  42. ↑ Gerd Stegmaier: Natrium-ionen-batterie von CATL (2023) - So gut ist die Billig-Batterie ohne Lithium. auto-motor-sport. 19. Januar 2022.
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