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Schlüsseltechnologien für Elektrofahrzeuge: Die Akku-Packs

Autor / Redakteur: Mark Patrick / Benjamin Kirchbeck

Teil 2 der Serie "Schlüsseltechnologien für E-Fahrzeuge". Diesmal geht es um die vollelektrische Revolution beim Antrieb von Fahrzeugen, beginnend mit der Lithium-Ionen (Li-Ion)-Technologie, die dies alles erst möglich gemacht hat.

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Automobilhersteller gehen im Mittel davon aus, dass die Akkus mindestens 6.000 Ladezyklen oder zehn Betriebsjahre verkraften.
Automobilhersteller gehen im Mittel davon aus, dass die Akkus mindestens 6.000 Ladezyklen oder zehn Betriebsjahre verkraften.
(Bild: Mouser)

Angesichts der wachsenden Besorgnis über den Beitrag der mit fossilen Brennstoffen betriebenen Lastwagen und Autos zur Erderwärmung ging die Automobilindustrie scheinbar einhellig zu einer einzigen Batteriechemie für ihre elektrifizierten Fahrzeugplattformen über: Lithium-Ionen (Li-Ion). Als auf dem Markt für wiederaufladbare Haushaltsbatterien, der zuvor von Nickel-Cadmium(NiCad)- und dann Nickel-Metall(NiMH)-Hydrid-Akkus dominiert wurde, Li-Ionen-Akkus eingeführt wurden, veränderte dies die Welt der mobilen Geräteelektronik.

Im Vergleich zu seinen Vorgängern bietet die Li-Ion-Technologie mit 100 bis 250Wh/kg eine außergewöhnlich gute Energiedichte, die doppelt so hoch ist wie bei der herkömmlichen NiMH-Technologie und viermal so hoch wie bei NiCad. Im Gegensatz dazu liefern fossile Brennstoffe etwa 12.000Wh/kg. Elektrische Energie kann jedoch effizienter in Bewegung umgewandelt werden als die Verbrennung fossiler Brennstoffe, und durch den Einsatz regenerativer Bremstechnologie kann die Energiequelle wieder aufgeladen werden, was bei einem Benzin- oder Dieselfahrzeug nicht möglich ist.

Die Li-Ion-Akkus

Li-Ion ist ein Sammelbegriff für eine Vielzahl von Chemikalien, zu denen Lithiummangantitanat, Lithiummanganoxid und dotiertes Lithiumnanophosphat gehören, um nur einige zu nennen. Mit jeder Variante soll die Energiedichte optimiert und gegen die Sicherheit der Zelle bei missbräuchlicher Verwendung, gegen die Kosten und die Leistung im Hinblick auf die gelieferte Leistung abgewogen werden. All diese und weitere Chemikalien werden in den heute verfügbaren Elektrofahrzeugen (EV) eingesetzt.

Der Akku des Elektrofahrzeugs selbst ist ein komplexes System, das aus vielen verschiedenen Komponenten besteht, die typischerweise als Zelle, Modul und Pack bezeichnet werden. Die Zelle ist die Basis-Batterieeinheit. Sie funktioniert und sieht genauso aus wie jede zylindrische oder flache Batterie, die in Konsumgütern wie Spielzeug und tragbaren Geräten zu finden ist. Li-Ion-Zellen haben typischerweise eine Leerlaufspannung von etwa 3,2V bis 3,7V und eine Ladespannung von 3,6V bis 4,2V, je nach Batteriechemie.

Module bestehen aus mehreren Zellen in einem mechanischen Rahmen, der sie vor Stößen, Vibrationen und Hitze schützt, und das Paket besteht aus mehreren Modulen - hier steigt der Komplexitätsgrad deutlich an. In einem Elektrofahrzeug müssen die Zellen bei einem Crash geschützt werden. Die hohe gespeicherte Energie könnte bei einem Crash durch einen Kurzschluss zu einem Brand oder einer Explosion führen. Aus elektrischer Sicht benötigt das Akku-Pack ein Batterie-Management-System (BMS). Das BMS überwacht den Ladezustand der Batterie, gegebenenfalls bis hinunter auf jede einzelne Zelle, die Temperatur während des Betriebs sowie die Entladeleistung. Diese Informationen werden mit den anderen Systemen des Elektrofahrzeugs ausgetauscht, um dem Fahrer über die Instrumententafel Informationen über den Batteriestatus zu liefern.

Die Kapazität

Akku-Packs unterscheiden sich in ihrer Kapazität und sind auf die Anforderungen des Fahrzeugs abgestimmt (Größe, Gewicht, Verwendungszweck). Es ist daher nicht überraschend, dass bei einem voll aufgeladenen Akku ein direkter Zusammenhang zwischen Kapazität und Reichweite des Elektrofahrzeugs besteht. Der zweisitzige Renault Twizzy verfügt beispielsweise über einen 6,1kWh-Akku und bietet eine Reichweite von 90km (56Meilen). Zum Vergleich: Der Nissan Leaf ZE1 verfügt über einen 40kWh-Akku und erreicht eine Reichweite von rund 250km (155Meilen).

Was bedeutet dies für den Fahrer? Würde man Smartphones als Maßstab heranziehen, wäre der Betrieb eines Elektrofahrzeugs mit einer Restkapazität des Akkus im einstelligen Bereich eine riskante Sache. Elektrofahrzeuge zeigen die Batteriekapazität stattdessen als Reichweite (km/Meilen) und nicht in Form des tatsächlichen Ladezustands an. Für das Fahren ist dies eine nützlichere Angabe als ein prozentualer Ladezustand. Außerdem nimmt die Kapazität eines Akkus im Laufe der Zeit ab, und zwar abhängig von der Anzahl der Ladezyklen, der Aggressivität des Lade- und Entladevorgangs und der Temperatur, bei der er gelagert und geladen wird.

Tesla gibt an, dass das Unternehmen bei seinen Modellen zur Verlängerung der Batterielebensdauer vermeidet, dass die Zellen in seinen Akkupaketen während des Ladevorgangs die Spitzenspannung und während der Entladung die Mindestspannung erreichen. Tesla versucht zudem, die Ladeleistung unter C/2 (die Hälfte der spezifizierten Lade-/Entladeleistung) zu halten. Dazu wird das Akku-Pack auch erwärmt, um sicherzustellen, dass eine Ladung unter 0°C nicht stattfindet.

Aufgrund dieser Ansätze gehen die Automobilhersteller davon aus, dass sie mindestens 6.000 Ladezyklen oder zehn Betriebsjahre verkraften können. Aber was passiert danach? Glücklicherweise sind Li-Ionen-Akkus bei der Entsorgung weniger umweltschädlich als ihre Vorgänger. Lithium ist zudem ein seltenes Metall, also sollte der Schwerpunkt auf Recycling und Rückgewinnung liegen. Aufgrund der Volatilität des Marktpreises müssen die Regierungen jedoch möglicherweise Recyclingprogramme subventionieren. Auch wenn die Zellen möglicherweise nicht mehr die erwartete Leistung in einem Elektrofahrzeug bieten, können Zellen, Module und sogar Packs in anderen Zusammenhängen noch nützlich sein. Bei der Energiespeicherung, sei es in einem netzgebundenen oder häuslichen Kontext, können diese cleveren Stromversorgungssysteme über Jahrzehnte und nicht nur Jahre genutzt werden.

Teil 1: Die Elektromobilität und ihre Herausforderungen

Teil 3: Der elektrische Antriebsstrang

Teil 4: Die Ladekonzepte

Teil 5: Die Wasserstoff-Brennstoffzellen

Teil 6: Ein Ausblick auf das Jahr 2030

* Mark Patrick ist für Mouser Electronics als Technical Marketing Manager tätig.

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