Batterie mit hoher Kapazität für den Antrieb in Elektrofahrzeugen
Die alternativ als Antriebsbatterie, Hochvoltspeicher oder Zyklenbatterie bezeichnete Traktionsbatterie ist ein mobiler elektrischer Energiespeicher. Die Batterie wird vor allem für die Energieversorgung der Motoren in Elektrofahrzeugen eingesetzt. Sie kann aber auch als Verbraucherbatterie eingesetzt werden, z.B. in Wohnmobilen oder in Krankenwagen (u.a. Kühlung/Heizung, Licht), oder als Energielieferant für elektrische Flurförderzeuge.
Als Traktionsbatterie wird überdies die Puffer-Batterie in Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeugen bezeichnet, da sie aus mehreren Elementen besteht, die zusammengeschaltet sind.
Keine Erfindung der Neuzeit
Elektromotoren existieren bereits seit den 1830er Jahren und die erste wiederaufladbare Batterie ist ebenfalls schon sehr alt: Sie wurde in den 1850er Jahren als Blei-Säure-Batterie entwickelt. Gustave Trouvé baute rund 20 Jahre später die erste Traktionsbatterie (Nennspannung: 12 Volt), mit der schließlich 1881 das erste Elektrofahrzeug angetrieben wurde – das Trouvé Tricycle.
Weitere Meilensteine in der Entwicklung der Traktionsbatterie:
- 1881: William Edward Ayrton und John Perry präsentieren Traktionsbatterie mit Nennspannung von 20 Volt
- ab 1888: industrielle Fertigung von Bleiakkumulatoren durch Accumulatoren-Fabrik Tudorschen Systems Büsche & Müller OHG (heute: VARTA)
- um 1900: Thomas Edison entwickelt einen Nickel-Eisen-Akkumulator (sehr lange Lebensdauer), Waldemar Jungner einen Nickel-Cadmium-Akkumulator
Die Weiterentwicklung der Akkumulatoren und Batterien wurde allerdings durch die Entwicklung des elektrischen Anlassers ausgebremst, denn dadurch konnten Verbrennungsmotoren in Verbindung mit einer Starterbatterie sehr leicht gestartet werden.
Erst als 1990 Autohersteller in Kaliforniern gesetzlich dazu verpflichtet wurden, emissionsfreie Fahrzeuge zu bauen, nahm die Forschung zu Akkumulatoren wieder Fahrt auf. Das führte schließlich auch zur Entwicklung der Lithium-Ionen-Akkus, wobei es noch über 20 Jahre dauerte, bis diese Akkus wirklich für die Fahrzeugindustrie bedeutsam wurden – im Zuge der globalen Energiewende.
Wie ist eine Traktionsbatterie aufgebaut? Wie funktioniert sie?
Traktionsbatterien können viele verschiedene Bauformen und Baugrößen haben, da die Batterien zum Teil nach individuellen Kundenwünschen gefertigt werden. Ihre Kapazität liegt deutlich über der von Gerätebatterien und Konsumerzellen. Außerdem werden nur hochstromfeste, zyklenfeste Akkumulatoren eingesetzt, damit die Batterie passend zum Fahrzeugzustand elektrische Energie abgibt/aufnimmt und viele Lade-/Entladezyklen standhält.
Da Traktionsbatterien einen großen Energieinhalt erfordern, bestehen sie aus vielen zusammengeschalteten Akkumulatorzellen oder Akkumulatorblöcken. Genaugenommen werden erst mehrere Zellen zu Modulen verknüpft und diese Module werden zu Strängen zusammengefasst. Dann werden mehrere Stränge (Anzahl abhängig von der erforderlichen Batteriekapazität) in einem Gehäuse installiert. Aufgrund erhöhter Sicherheitsvorschriften werden die Batterien mit weiteren Systemen zusammen installiert – dieses Gesamtkonstrukt trägt die Bezeichnung Batteriesystem.
Besonderheiten beim Einsatz in Mobilfahrzeugen
Die Sicherheitsanforderungen an Traktionsbatterien sind im mobilen Einsatz wesentlich höher als bei rein stationär verwendeten Batterien. Geprüft wird hierbei vor allem, ob die Batterie mechanischen Einwirkungen in Folge der Mobilität standhält. In der Praxis wird das durch bestimmte Zellchemien (dadurch allerdings oft schlechtere elektrische Kennwerte) und/oder durch konstruktive Lösungen umgesetzt, z.B. in Form spezieller, crashsicherer Batterietröge im Unterboden.
Unterschiedliche Traktionsbatterien in reinen e-Autos und Hybrid-Autos
In einem rein elektrisch angetriebenen Fahrzeug werden Hochenergiezellen benötigt. Sie sollen möglichst platzsparend sein und ein geringes Gewicht besitzen. Gleichzeitig ist es wichtig, dass die Traktionsbatterie im reinen e-Auto eine hohe Kapazität besitzt, damit sie für die Lade- und Entladevorgänge geeignet ist.
Bei Hybridfahrzeugen ist die Kapazität der Traktionsbatterie viel kleiner als bei reinen e-Autos. Sie wird über das Bremsen wieder aufgeladen (Rekuperation). Die Batterien setzen sich aus Hochstromzellen zusammen, die einen guten Wirkungsgrad bieten (in kurzer Zeit können sehr große Energiemengen abgegeben und wieder aufgenommen werden) und auf eine lange Lebensdauer ausgerichtet sind.
Kennwerte der Traktionsbatterie: Kapazität und Belastbarkeit
Die Traktionsbatterie in einem e-Auto muss eine hohe Energiedichte, Leistungsdichte und Zyklendichte bieten. Alle drei Merkmale werden im Zuge der Batterieentwicklung stetig verbessert, sodass sich die Reichweite der elektrisierten Fahrzeuge immer weiter erhöht.
Aktuell setzen fast alle Zulieferer und Fahrzeughersteller auf die Lithium-Ionen-Batterie. Einerseits erfüllt sie von allen bisher entwickelten Chemiezellen am besten die Anforderungen eines e-Autos und andererseits bietet diese Variante noch großes Entwicklungspotenzial.
Der Energiegehalt der Batterie wird in Brutto oder in Netto angegeben:
- Bruttowert: gesamter Energiegehalt
- Nettowert: tatsächlich nutzbarer Energiegehalt
Dieser Unterschiede ergibt sich durch einen Puffer beim Batterieladestand, der durch das Fahrzeug nicht genutzt werden kann. Dadurch wird die Traktionsbatterie nie bis zur maximalen Belastungsgrenze genutzt, was wiederum ihre Lebensdauer verlängert. Rein technisch wäre also der Bruttoenergiegehalt nutzbar, nur eben zu Lasten der Batterielebensdauer.
Die Nennspannung der Traktionsbatterien liegt in e-Autos meist zwischen 350 und 400 Volt, wobei die Batterie nur für den Antrieb genutzt wird. Weitere elektrische Verbraucher wie Licht oder Multimedia werden über eine extra Batterie mit Spannung zwischen 12 und 48 Volt versorgt.
Ist eine Zweitnutzung von Traktionsbatterien möglich?
Daran wird derzeit schon gearbeitet, allerdings ist der aktuelle Rücklauf an Batterien noch zu gering, um hier genauere Aussagen dazu treffen zu können. Das wird sich voraussichtlich um das Jahr 2030 ändern. Wie groß der Anteil wieder nutzbarer Batterien sein wird bzw. für welche Anwendungen sie wieder verwendet werden können, muss noch weiter erforscht bzw. erprobt werden. Außerdem müssen im Zusammenhang mit der Zweitnutzung noch Fragen zur Standardisierung sowie zur Gewährleistung geklärt werden.
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