Traktionsbatterie

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Als Traktionsbatterie (synonym auch als Traktionsakku, Antriebsbatterie oder Zyklenbatterie bezeichnet) wird eine Zusammenschaltung von einzelnen Akkumulatorenzellen oder Blöcken als Energiespeicher zum Antrieb von Elektrofahrzeugen bezeichnet. Da sie in der Verwendung zyklischen Lade- und Entladeprozessen ausgesetzt sind, kommen ausschließlich Akkumulatoren (Sekundärelemente) zum Einsatz.

Traktionsbatterie des Elektroautos Nissan Leaf aus Zellmodulen mit jeweils mehreren Einzelzellen

Geschichte[Bearbeiten]

Traktionsbatterie 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. Von Gaston Planté wurde um 1859 die Blei-Säure-Batterie, der (Bleiakkumulator) als erste wiederaufladbare Batterie entwickelt.

Sechs dieser Zellen mit einer Nennspannung von 2 Volt und spiralförmig gewickelten Bleiplatten bildeten 1881 im Trouvé Tricycle von Gustave Trouvé die erste Traktionsbatterie (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 Traktionsbatterie unterwegs. Die 10 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 Traktionsbatterie 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 Traktionsbatterie schon in spezielle Gehäuse bzw. verkleidete sie. Die Accumulatoren-Fabrik Tudorschen Systems Büsche & Müller OHG (heute bekannt als VARTA) stellte 1888 als erste Firma in Deutschland Bleiakkumulatoren industriell her. Der Flocken Elektrowagen von 1888 verwendete vermutlich als erstes Fahrzeug diese Akkus. Im Eisenbahnbereich wurde der Wittfeld-Akkumulatortriebwagen mit diesen Akkus betrieben. Die Energiedichte betrug damals 27 Wh/kg und die Lebensdauer erreichte bis zu 25 Jahre.

Mit dem um 1900 entwickelten Nickel-Eisen-Akkumulator (Thomas Edison) und dem von dem Schweden Waldemar Jungner entwickeltem Nickel-Cadmium-Akkumulator standen alternative Zellenchemien für Traktionsbatterien zu Verfügung. Der NiFe-Akku wurde nachweislich in verschiedenen Autos 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 Model T auch als Elektroauto. Er hatte schon 150.000 Nickel-Eisen-Akkumulatoren bei Edison bestellt, als seine Abteilung für Elektroautos 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 Elektroautos ein, in dessen Folge auch die Akkumulator- und Batterieentwicklung stagnierte. Erst als 1990 durch die CARB-Gesetzgebung in Kalifornien die Automobilhersteller gezwungen werden sollten, stufenweise emissionsfreie Fahrzeuge (Zero Emission Vehicle) anzubieten, erhielt die Akkumulatorforschung wieder starke Impulse.

Während beispielsweise in den ersten Traktionsbatterien des GM EV1 noch die verfügbaren, preiswerten Bleiakkumulatoren zum Einsatz kamen, (26 Blöcke mit einer Gesamtkapazität von 16,3 kWh und einer Nennspannung von 312 Volt)[1], wurden in der zweiten Ausführung die von Stanford R. Ovshinsky serienreif entwickelten Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren eingesetzt[2]. Die Traktionsbatterie 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[3] nie Serienreife erlangten, verhalf die für die „Mercedes A-Class electric“ weiterentwickelte Natrium-Nickelchlorid-Zelle (ZEBRA-Batterie) dem Fahrzeug nicht nur zu einer praktischen Reichweite von über 200 km[4], sondern auch zu Anwendungen beim Militär und in der Raumfahrt. Interessant ist bei diesem Fahrzeug auch die kompakte Blockanordnung, die die Montage der gesamten Traktionsbatterie 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[Bearbeiten]

Im Vergleich zu Gerätebatterien bzw. Konsumerzellen besitzen die Zellen einer Traktionsbatterie 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-Traktionsbatterien durch spezielle Ausführung der Bleigitter und Separatoren bis zu 80 % tief entladen 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. Höheren 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 Fahrspannung bzw. Traktionsspannung. Durch Vergrößerung der Baugröße der Zellen oder durch Parallelschaltung von Zellen kann die Speicherkapazität und Strombelastbarkeit erhöht werden. Das Produkt aus Traktionsspannung (V) und elektrischen Ladung/galvanische Kapazität der Einzelzellen/parallel geschalteten Zellen (Ah) ergibt den Energiegehalt der Traktionsbatterie.

Anforderungen beim Einsatz in Fahrzeugen[Bearbeiten]

Die mobile Anwendung der Traktionsbatterien 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) oder auch eine Kombination beider Methoden. Wie stark der Einfluss der Sicherheitsanforderungen bei Traktionsbatterien ist, kann am Beispiel des verzögerten Produktionsstart des Opel Ampera nachvollzogen werden. Grund war die (erst mehrere Wochen) nach einem Crashtest in Brand geratene Traktionsbatterie des baugleichen Modells Chevrolet Volt.

Unterschiedliche Anforderungen bei vollelektrischen und Hybrid-Fahrzeugen[Bearbeiten]

Da vollelektrische Fahrzeuge ausschließlich elektrische Energie für die Fortbewegung speichern, kommen spezielle Hochenergiezellen[5] zum Einsatz, um Platzbedarf und Gewicht für die benötigte Energiemenge zu minimieren. Auf Grund 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 länger als bei Hybridfahrzeugen.

In Hybridelektrofahrzeugen ist der Hauptteil der Antriebsenergie meist als chemische Energie gespeichert. Die Traktionsbatterie hat eine deutlich kleinere Kapazität. Sie speichert elektrische Energie für die Fortbewegung und nimmt Rekuperationsenergie der Nutzbremse auf. Dafür werden Hochstromzellen[6] eingesetzt, die trotz geringerer Kapazität die notwendige (oftmals kurzzeitige) hohe Strombelastung bei gutem Wirkungsgrad und der benötigten Lebensdauer realisieren können.

Nennkapazität, Belastbarkeit, Herstellerangaben[Bearbeiten]

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 Traktionsbatterie 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[7] 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.

Immer häufiger wird die Kapazität einer Traktionsbatterie nicht mehr in Amperestunden der Einzelzellen, sondern in Wattstunden angegeben. So sind auch unterschiedliche Bauarten miteinander vergleichbar, da die Spannung mit einfließt. Starterbatterien kommen auf einen Energiegehalt von 496,8 bis 960 Wh, Traktionsakkus für Gabelstapler auf 4.800 bis 28.800 Wh und für den Toyota Prius II auf 1.310 Wh.

Einflüsse auf die nutzbare Kapazität[Bearbeiten]

Im Traktionsbetrieb 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 Traktionsbatterie 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 Traktionsbatterien Balancer und Batterie-Management-Systeme eingesetzt. Auch tiefere Temperaturen verringern die Fähigkeit der Traktionsbatterie 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 Traktionsbatterien oft auch mit einer zusätzlichen Heizung ausgestattet[8]. 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 Traktionsbatterie auch im Winter zur Verfügung steht.

Die Entladetiefe der Akkuzellen wird zu Gunsten der Lebensdauer oft durch das Batteriemanagementsystem (BMS), meist auf 60–80 % der Nennkapazität, begrenzt. Vor allem bei Verbrauchsberechnungen und Vergleichen von verschiedenen Traktionsbatterien 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 30–80 % angegeben, das sind (zugunsten der Haltbarkeit) lediglich 50 % der Nennkapazität von 16 kWh.

Lebensdauer und Zyklenfestigkeit[Bearbeiten]

Plug in America hat unter Fahrern des Tesla Roadster eine Umfrage durchgeführt bezüglich der Lebensdauer der verbauten Akkus. Dabei ergab sich, dass nach 100.000 Meilen = 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.[9][10] Der Tesla Roadster wurde zwischen 2008 und 2012 gebaut und verkauft. Heutige Akkutechnik dürfte fortgeschrittener sein und vermutlich besser abschneiden.

Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren, welche auch als Traktionsbatterien eingesetzt werden, erreichen nach Herstellerangaben mehr als 5000 Zyklen bei jeweiliger Entladetiefe von 70 % (Depth of Discharge, DOD). [11] Wenn man 300 Ladezyklen pro Jahr für ein Auto annimmt (also etwa ein Ladevorgang pro Tag), könnte dies für ein Autoleben ausreichend sein, zumal selten an einem Tag die volle Kapazität eines Akkus genutzt wird und flachere Ladezyklen im Allgemeinen zu einer längeren Lebensdauer führen (s. Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator).

In Solarbatterien eingesetzte Lithium-Ionen-Akkumulatoren weisen teilweise eine sehr hohe Zyklenfestigkeit von mehr als 10000 Lade- und Entladezyklen und eine lange Lebensdauer von bis zu 20 Jahren auf.[12][13]

Ladezeiten[Bearbeiten]

Elektroautos wie Tesla Model S, Renault Zoe, BMW i3 usw. können ihre Akkus an Schnellladestationen innerhalb von 30 Minuten zu 80 Prozent aufladen.[14][15][16][17] In wenigen Jahren möchte Tesla seine Autos innerhalb von 5 bis 10 Minuten wiederaufladen können.[18]

In Labors der Firma StoreDot aus Israel können Akkus bereits (4/2014) in 30 Sekunden geladen werden. Die Akkus sollen 2016 in den Verkauf kommen.[19][20][21][22][23]

Einsatzbeispiele[Bearbeiten]

Traktionsbatterie für ein Pedelec als herausnehmbarer Akkupack

Traktionsbatterien aus geschlossenen Bleiakkumulatoren werden als Gegengewichte zur Stapelware in elektrischen Gabelstaplern eingesetzt, um diese mit der Hilfe der Gegengewichte in die Lage zu versetzen, 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 Traktionsbatterien 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) Traktionsbatterien vom Typ Nickel-Metall-Hydrid-Akku mit Spannungen von mehreren 100 Volt und unter 10 Amperestunden eingesetzt. Die Kapazitätsbeschränkung ergibt sich dabei aus patentrechtlichen Bestimmungen, die Produktion und Weiterentwicklungen stark einschränken. Neuentwicklungen sind meist mit Traktionsbatterien 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-Traktionsbatterie. Die Zellen stammen vom thüringischen Zellproduzenten Gaia Akkumulatorenwerk GmbH.

In Elektroautos kommen heute (3/2014) fast nur noch Lithium-Ionen-Akkumulatoren zum Einsatz (s. Tesla Model S, BMW i3, Renault Zoe, Nissan Leaf, VW E-up! usw.).

Umweltaspekte[Bearbeiten]

Traktionsbatterien bestehen aus Einzelzellen, die sowohl in der Größe (Kapazität) als auch in der Anzahl der Einzelzellen (Spannung) deutlich über den Gerätebatterien bzw. Konsumerbatterien 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 Traktionsbatterien als Bleiakkumulator wurde daher in Deutschland mit der Batterieverordnung ein Batteriepfand von 7,50 €/Stück eingeführt. Die Rückführungsquote liegt bei über 90 %.[24]

Für moderne Lithium-Ionen-Akkumulatoren existiert eine solche Pfandlösung noch nicht. Allerdings ist zu erwarten, dass die Wiederverwertung, vor allem des enthaltenen Lithium, gerade bei Traktionsbatterien wirtschaftlich realisierbar ist. Aufgrund der aufwendigen Lithiumgewinnung und des hohen Energieeinsatzes bei der Produktion der Akkumulatoren wurde oftmals davon ausgegangen, dass Lithium-Akkumulatoren die Ökobilanz von Elektroautos deutlich verschlechtern. Neuere Untersuchungen haben aber gezeigt, dass der ökologische Rucksack deutlich geringer ist als bisher angenommen[25]

Preisentwicklung[Bearbeiten]

Die Preise für Traktionsbatterien sind wegen der verfügbaren und preiswerten Ausgangsmaterielien nur in geringem Maß durch die Rohstoffe bestimmt. Während bei Einzel- und Kleinserienfertigung von Traktionsbatterien 2008–2010 Preise von teils deutlich über 500 €/kWh Nennkapazität genannt wurden, fielen die Preise für die ersten in Serie gefertigten Traktionsbatterien 2012 schon auf 280 bis 350 €/kWh. 2013 bezifferte Li-Tec den Preis auf 200 €/kWh und suchte damals Partner, um die kostengünstige Massenproduktion umzusetzen. Ein weiterer Preisverfall auf unter 150 €/kWh sei "in nicht allzu ferner Zukunft" zu erwarten, so im Februar 2012 der Geschäftsführer von Tesla Motors, Elon Musk[26][27] (siehe auch Akkupreisentwicklung). Ursache ist die anlaufende Massenproduktion, welche 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 Traktionsbatterie des Mitsubishi i MiEV von 16 kWh für etwa 150 km Reichweite kosteten im Jahre 2013 etwa noch 3.200 Euro in der Herstellung.

Werkstoffspezifische Einteilung und praxisbezogene Hinweise[Bearbeiten]

Üblicherweise werden die Traktionsbatterien nach den Materialien, welche 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 Traktionsbatterie[Bearbeiten]

Bleiakkumulator-Systeme waren in Deutschland bislang die am häufigsten verwendeten Traktionsbatterietypen. 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, Traktions-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.[28] Batteriemanagementsysteme sind kaum verfügbar, ein praktischer Einsatz ist lediglich mit dem BADICHEQ-System (BAttery DIagnostic & CHarge EQualizing)[29] 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 Traktionsbatterie[Bearbeiten]

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 Traktionsbatterie[Bearbeiten]

Der Nickel-Metallhydrid-Akkumulator wurde auf Grund seiner hohen Energiedichte erfolgreich als Traktionsakku 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 Traktionsbereich 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 Traktionsbatterie[Bearbeiten]

Auch Thermalbatterien wie die Zebra-Batterie werden erfolgreich als Traktionsakkumulator eingesetzt.[30] Sie eignet sich vor allem für regelmäßigen bzw. Dauereinsatz, da dann die systembedingten Energieverluste vernachlässigbar sind. Der Vorteil liegt vor allem in der uneingeschränkten Wintertauglichkeit, da durch die hohen Betriebstemperaturen die Umgebungstemperatur keinen Einfluss hat, und der hohen Betriebssicherheit. Ausfallende Zellen werden niederohmig und verringern zwar die Kapazität, verhindern aber nicht die Nutzung.

Lithium-Ionen-Akkumulatoren als Traktionsbatterie[Bearbeiten]

Lithium-Ionen-Akkusysteme sind mit Stand 2012 die aktuelleste Variante unter den Traktionsbatterien. In Elektroautos kommen mit Stand 2014 fast nur noch Lithium-Ionen-Akkumulatoren zum Einsatz, beispielsweise Tesla Model S, BMW i3, Renault Zoe, Nissan Leaf, VW E-up!. Der Begriff Lithium-Ionen-Akkumulator stellt einen Oberbegriff für eine Vielzahl verschiedener Varianten von Akkumulatoren mit verschiedenen Eigenschaften dar.

  • 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 Traktionsbatterie genutzt werden. Eine längere Lagerung bei Nichtnutzung sollte nicht über etwa 95% Ladezustand erfolgen.
  • Sowohl an der unteren wie an der oberen Zellspannungsgrenze setzen Prozesse ein, die die Lebensdauer der Akkus verringern oder sie zerstören. Daher sind die Grenzspannungen sowohl bei der Ladung als auch bei der Entladung zu meiden, entsprechende Überwachungselektronik (Balancer/BMS) ist i. d. R. obligatorisch.
  • Während Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren (LiFePO4) eher unempfindlich gegen Minustemperaturen sind, vor allem bei der Entladung, werden andere Akku (LiPo) bei Frost zerstört. Die beste Leistungsfähigkeit von LiFePO4 erhält man bei 25–35 °C, allerdings verstärken höhere Temperaturen den schleichenden Kapazitätsverlust durch Alterung.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Traktionsbatterie – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Elweb.info: Datenblatt des GM EV1
  2. The Economist, 6. März 2008: In search of the perfect battery, aufgerufen 28. Juni 2012
  3. Der Spiegel, 13/1994: TRIUMPH EINES TÜFTLERS, aufgerufen 28. Juni 2012
  4. Daimler Pressestelle, Dezember 1997: The A-Class Electric Vehicle, Powered by the ZEBRA Battery System, PDF, aufgerufen 18. Juni 2012
  5. AESC: High energy cell (for BEV), Zellspezifikation, Diagramme, eingefügt 28. Juni 2013
  6. AESC: Cell performance - High power cell (for HEV), Zellspezifikation, Diagramme, eingefügt 28. Juni 2013
  7. Winston Battery: WB-LYP100AHA Datenblatt, eingefügt 14. Februar 2012
  8. AutoStromer, 31. Januar 2012: Das Elektroauto im Winter, eingefügt 12. April 2012
  9. greenmotorsblog.de: Tesla Roadster – Batterie langlebiger als erwartet, abgerufen am 31. März 2014
  10. pluginamerica.org: Plug In America Research Shows That Tesla Roadster Battery Performance Bests Tesla Motors’ Own Projections, abgerufen am 31. März 2014
  11. 3xe-electric-cars.com: Winston Battery, Herstellerangaben, abgerufen am 31. März 2014
  12. solarserver.de "Die Tests setzten die Batterien extremen Belastungen aus. So wurden über einen Zeitraum von 5 Jahren bei einer Entladungstiefe von 60 % mehr als 10.000 äquivalente Vollzyklen erreicht." und „Simulationen, die sich auf unsere Laborergebnisse und die unserer Kollegen vom ZSW stützen, zeigen, dass bei Berücksichtigung beider Alterungsprozesse die Batterien im BPT-S 5 Hybrid bis zu 20 Jahre betriebsfähig sind“, abgerufen am 29. März 2014.
  13. solarserver.de "Die Zellen haben laut Hersteller eine voraussichtliche Lebensdauer von 20 Jahren und könnten bis zu 15.000 Mal aufgeladen werden.", abgerufen am 29. März 2014.
  14. BMU, März 2011: golem.de Neue Stromtankstelle: Elektroautos laden in 20 Minuten
  15. zeit.de Die Ladezeit dauert je nach Station zwischen 30 Minuten (Gleichstrom-Ladestation) und etwa acht Stunden (Haushaltssteckdose).
  16. bild.de Die Akkus im Renault Zoe können in der schnellsten von vier Ladegeschwindigkeiten in 30 Minuten bis zu 80 Prozent aufgeladen werden.
  17. golem.de Mit einem Schnellladegerät lässt sich der Akku des i3 in nur 30 Minuten zu 80 Prozent aufladen.
  18. dailygreen.de Supercharger: Tesla will Elektroautos in fünf bis zehn Minuten aufladen.
  19. zdnet.com: StoreDot: Inside the nanotech that can charge your phone in 30 seconds, aufgerufen 9. April 2014
  20. netzwelt.de: Galaxy S4 in 30 Sekunden geladen: StoreDot demonstriert neue Akkutechnik, aufgerufen 9. April 2014
  21. futurezone.at: Ladezeit von neuem Akku angeblich 30 Sekunden, aufgerufen 9. April 2014
  22. time.com: StoreDot: Another Promising, Far-Off Answer to Smartphone Battery Problems, aufgerufen 9. April 2014
  23. winfuture.de: 'Günstiger' Quantenpunkt-Akku lädt in 30 Sekunden, aufgerufen 9. April 2014
  24. Batterieverordnung - Batterieverwertung eingefügt 6. Februar 2012
  25. Empa 27. August 2010: Die Ökobilanz von Lithium-Ionen-Akkus für Elektroautos, Webseite eingefügt 6. Februar 2012
  26. Martin Seiwert,Wirtschaftswoche online, 15. Juni 2013: Dramatischer Preisverfall: E-Auto-Batterien: Daimler und Evonik suchen Partner für Li-Tec, aufgerufen 28. Juni 2013
  27. Elektroauto, Februar 2012: Batterien für Elektroautos werden immer günstiger, eingefügt 27. April 2012
  28. CSB-Battery: Datenblatt EVH 12390 (PDF; 608 kB), aufgerufen 28. Juni 2013
  29. Battery-Kutter: BADICHEQ-Systembeschreibung, PDF, aufgerufen 28. Juni 2013ff
  30. Prospekt der Daimler-Benz AG, 12/1997:The A-Class Electric Vehicle, Powered by the ZEBRA Battery System PDF-Prospekt, eingefügt 7. Februar 2012