03 - Batterietechnik

Um die elektrische Energie im Fahrzeug bereitzustellen, wird ein HV-Speicher benötigt. Dieser vereint folgende Funktionen:

• Energie aufnehmen,
• Energie speichern und
• Energie abgeben.

Um diese Aufgaben erfüllen zu können, sind nicht nur Zellen notwendig, sondern auch noch weitere Komponenten.

Daher zeigt dieses Modul nicht nur die Hauptparameter von Batterien auf, sondern informiert im zweiten Teil auch über die technische Umsetzung in der Kfz-Technik.

Je nach Herstellungswerkstoff des Akkus ergeben sich unterschiedliche Zellenspannungen. Diese liegen zwischen 1,2 V und 4,2 V (Ladeschlussspannung). Der meist verwendete Lithium-Ionen Akku besitzt eine Nennspannung von 3,6 Volt.

Bildquelle: BMW Lehrgangsunterlagen, Nutzung für schulische Zwecke gestattet

Als Nennspannung einer Zelle bezeichnet man einen vom Hersteller angegebenen geeigneten, angenäherten Wert der elektrischen Spannung in Volt.  Dieser Wert bleibt beim Entladen längere Zeit konstant und dient zur Kennzeichnung einer Zelle. Die Nennspannung der HV-Batterie ergibt sich als Summe der in Reihe geschalteten Einzelspannungen. Grundsätzlich sind HV-Batterien in Reihe geschaltete Einzelzellen oder Zellengruppen, bei denen die Zellen auch parallel geschaltet sein können. Die Nennspannung und Anzahl der Zellen ergeben neben der Gesamtspannung auch die Gesamtkapazität der HV-Batterie.

Die Spannung einer Zelle hängt ab:

• vom Ladezustand und
• von den verwendeten Werkstoffen für Kathode, Elektrolyt und Anode.

Bildquelle: BMW TH16-1666, Nutzung für schulische Zwecke gestattet

Als Kapazität K (in englischsprachigen Publikationen: C) bezeichnet man die in der Batterie bzw. in der Zelle gespeicherte elektrische Ladung.

Sie wird in der Einheit Amperestunden (Ah) angegeben und berechnet sich als Produkt aus dem von der Batterie abgegebenen Strom I und der Zeitdauer t, über welche der Strom von der vollständig geladenen Batterie abgegeben werden kann, bevor ein definierter Wert der Klemmenspannung unterschritten wird. Alternativ kann die Kapazität auch in Kilowattstunden (kWh) angegeben werden.

Die Temperatur der Batterie und die Geschwindigkeit der Entladung haben einen großen Einfluss auf die nutzbare Kapazität. Im Allgemeinen führen höhere Entladegeschwindigkeiten und niedrigere Temperaturen zu einer Verringerung der entnehmbaren Energie.

Die Nennkapazität wird bei fest definierter Temperatur und Entladegeschwindigkeit ermittelt und vom Hersteller unter Einhaltung der vorgegebenen Bedingungen für einen festgelegten Zeitraum bzw. für eine bestimmte Fahrleistung gewährleistet, z. B. mindestens 80 % der Nennkapazität für 8 Jahre bzw. 160000 km.

Bildquelle: ALP-Dillingen

Der Ladezustand (engl.: State of Charge SoC) ist die aktuell noch verfügbare Kapazität der Batterie in Prozent. Um die Lebensdauer der HV-Batterie zu erhöhen, steht für den Betrieb nicht die gesamte Kapazität zur Verfügung. Es erfolgt weder eine komplette Entladung noch eine komplette Vollladung. Dies wird für den Fahrer auch in der Anzeige im Fahrzeug berücksichtigt. (siehe Bild 1)

Da die Berechnung des Ladezustands mithilfe der einzelnen Zellspannungen zu ungenau ist, erfolgt die Beurteilung des Ladezustandes über einen Coulombzähler. Dabei werden die in die HV-Batterie fließenden bzw. von der HV-Batterie entnommenen Ladungen im Betrieb bestimmt. (siehe Bild 2)

Der Gesundheitszustand (engl.: State of Health SoH) beschreibt den Alterungszustand einer HV-Batterie. HV-Batterien unterliegen einem Alterungsprozess, durch welchen sich deren Leistungsfähigkeit verringert.

Der State of Health (SoH) beschreibt den Alterungszustand im Vergleich zu dem Neuwert. Angegeben wird dieser Kennwert in Prozent. Ein SoH von z. B. 90 % bedeutet, dass eine HV-Batterie im Vergleich zur Ursprungskapazität von beispielsweise 50 kWh nur noch über einen Energiegehalt von 45 kWh verfügt. Der State of Health (SoH) gibt an, wie effektiv die Zellen geladen werden können.

Der State of Health hängt unter anderem ab von:

• der kalendarischen Alterung,
• der zyklischen Alterung,
• der Häufigkeit der Schnellladung und
• der Temperatur.

Bildquelle: ALP-Dillingen

Das Energiespeichervermögen des Akkus wird durch die Energiedichte beeinflusst. Sie ist ein wichtiges Maß für die Reichweite des Fahrzeugs. Sie berechnet sich aus dem Produkt der Ladungsdichte in Ah/kg und der Zellspannung in V. Damit ist die Energiedichte einer Batterie in Wh/kg festgelegt.

Derzeit liegen die Energiedichten im Bereich von 100 bis 200 Wh/kg. Experimentelle Sekundärzellen weisen zwar Werte bis zu 350 Wh/kg auf, werden aber auf absehbare Zeit noch nicht serienreif sein.

Die derzeit möglichen Werte sind Vergleich zu fossilen Brennstoffen äußerst niedrig. So hat Diesel einen Heizwert von ca. 42.500 kJ/kg, was etwa 11.800 Wh/kg entspricht.

Aktuelle HV-Fahrzeuge können eine elektrische Energiemenge von mehr als 60 kWh speichern. Dies entspricht in etwa der Kraftstoffmenge von 6 Litern, bei einer Kraftstoffmasse von 5 kg Diesel, mit einer mittleren Dichte von 0,83 kg/l.

Bei einem Wirkungsgrad von 90% des E-Motors und durchschnittlich 30% beim Verbrennungsmotor benötigen wir für die gleiche umsetzbare Fortbewegungsenergie ca. 18 Liter Kraftstoff. Dieser Zusammenhang wird durch die Abbildung verdeutlicht. Sie veranschaulicht den Vergleich von Masse und Volumen für 500 km Reichweite für Dieselkraftstoff und Lithium-Ionen-Zellen grafisch.

Bildquelle: Verkehrsexperte, CC BY-SA 3.0 , via Wikimedia Commons

Um hohe Leistungen zu realisieren, muss die in einer Batterie gespeicherte Energie in kurzer Zeit abrufbar sein. Die Leistungsdichte beschreibt die über einen bestimmten Zeitraum abrufbare Energie:

Es ist die Leistung bezogen auf die Batteriemasse in W/kg, die an die elektrischen Verbraucher abgegeben werden kann.

HV-Speicher stellen einen Kompromiss zwischen Energie- und Leistungsdichte dar. In reinen Elektrofahrzeugen kommen Batterien mit einer hohen Energiedichte zum Einsatz, wohingegen bei Hybridfahrzeugen eher Batterien mit einer hohen Leistungsdichte verbaut werden, da bei Hybridfahrzeugen die Reichweite durch den Verbrennungsmotor erweitert wird.

Bildquelle: BMW TH19-1761, Nutzung für schulische Zwecke gestattet

Im Gegensatz zum herkömmlichen 12 V-Bleisäurebatterie beinhalten Li-Ionen-Batterien für den elektrischen Antrieb hohe Energiemengen und reaktionsfreudige Chemikalien.

Lithium-Ionen-Akkus reagieren empfindlich, wenn sie außerhalb ihres optimalen Temperatur-arbeitsbereiches von ca. 25°C bis 40°C betrieben werden, dementsprechend ist eine Kühlung bzw. Beheizung der HV-Batterie nötig. Bei tiefen Werten wird zwar der Alterungseffekt verlangsamt, aber auch die Leistungsfähigkeit reduziert, da die elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyten abnimmt. Bei zu hohen Temperaturen besteht die Gefahr einer dauerhaften Schädigung. Um die Sicherheit und die Lebensdauer der HV-Batterie zu gewährleisten, muss sowohl eine Überladung als auch Tiefentladungen der Zellen vermieden werden.

Ein Kurzschluss, eine Überladung oder ein Überschreiten der zulässigen Zellspannung können die Zelltemperatur erhöhen und führt im ungünstigsten Fall zum unkontrollierten Temperaturanstieg. Dabei reagiert das Graphit an den Elektroden mit dem hoch reaktiven Lithium. Dies führt in der Zelle zu einer Kettenreaktion, es besteht die Gefahr eines Brandes der HV-Batterie.

Der Hersteller ist gezwungen, das Gefahrenpotential durch Kurzschlüsse, Überladung, zu hoher Wärmeentwicklung, extremen Umwelteinflüssen und mechanischer Beschädigung weitgehend zu minimieren oder auszuschließen. Um diese Sicherheit zu gewährleisten, spielen das Batteriedesign, die verbaute Mechanik und das Batteriemanagementsystem eine entscheidende Rolle.

Aufgrund der Sicherheitsmaßnahmen stellt Carsten Reinkemeyer, Leiter Sicherheitsforschung im Allianz Zentrum für Technik fest: "In unserer Untersuchung sehen wir weiterhin keine höhere Brandwahrscheinlichkeit bei Elektrofahrzeugen im Vergleich zu konventionellen Benzinern oder Dieselfahrzeugen". Zu ähnlichen Ergebnissen kam auch der Autoindustrieverband VDA. Jedoch ist der Bedarf an Löschmittel und Dauer der Brandbekämpfung höher.

zum Film

Bildquelle: Lehrgangsunterlagen einer Herstellerschulung bei Audi, Audi SSP-675, Nutzung für schulische Zwecke gestattet

Eine HV-Batterie besteht aus folgenden Bauteilen:

1. Gehäusedeckel

2. Zellüberwachungselektronik

3. Kabelbaum Zellüberwachungselektronik

4. Zellmodul

5. Wärmetauscher mit Kühlkanälen und Heizung

6. Gehäuse

7. Elektronikstecker

8. Anschluss Kältemittelleitung

9. Entgasungsöffnung

10. Sicherheitsbox

11. Speichermanagement-Elektronik

Bildquelle: Lehrgangsunterlagen aus Schulung bei BMW, BMW FB6113034, Nutzung für schulische Zwecke gestattet

Eine HV-Batterie besteht aus folgenden Bauteilen:

1. Hochvolt-Batterieeinheit

2. Zellüberwachungselektronik

3. Zellmodul

4. Sicherung

5. Steuerelektronik für die Heizung

6. Sicherheitsbox

7. Schaltschütz für die Vorbelastung

8. Hochvolt-Anschluss (Pluspol)

9. Hochvolt-Anschluss (Minuspol)

10. Hochvolt-Kontaktüberwachung der Hochvolt-Anschluss zum Hochvolt-Bordnetz

11. Schaltschütz (Pluspol)

12. Schaltschütz (Minuspol)

13. Anschluss zum Stromkreis der Hochvolt-Kontaktüberwachung

14. Sicherheitsbatterieklemme

15. Steuergerät Speichermanagementelektronik

16. Bus-Verbindung

17. Zellüberwachungselektronik

18. Zellmodul mit mehreren Batteriezellen

19. Lithium-Ionen-Zelle

20. Sensoren zur Temperaturmessung im Zellmodul

21. Heizung der Hochvolt-Batterie

22. Spannungs-Stromsensor

Bildquelle: Lehrgangsunterlagen einer Herstellerschulung bei BMW, BMW FB6113035, Nutzung für schulische Zwecke gestattet

Lademöglichkeiten für E-Fahrzeuge

Grundsätzlich werden zwei Ladungsarten unterschieden. Das Laden der Hochvoltbatterie ist über AC (Wechselstrom) und ausstattungsabhängig auch über DC (Gleichstrom) möglich.

Die Art des Stromes ist maßgeblich entscheidend für die Ladedauer der Hochvoltbatterie, da durch die Umformung von AC zu DC innerhalb des Speichermanagements Verluste auftreten, während eine DC Ladung nahezu ungehindert gespeichert werden kann.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten die HV-Fahrzeuge zu laden:

Das Laden mit großen Stromstärken birgt jedoch einige Schwierigkeiten für die beteiligten Komponenten, weshalb diese Ladeleistungen nur unter optimalen Betriebsbedingungen realisiert werden können. Einige Faktoren für reduzierte Stromstärke sind:

• Ladezustand der HV-Batterie
• Temperatur der HV-Batterie
• Alterungszustand der HV-Batterie
• Anzahl der Gleichstromladevorgänge uvm.

Weiterhin unterscheiden sich die Ladesteckdosen des Fahrzeugs länderabhängig.