Antriebsbatterien für e-Fahrzeuge (Teil 1) / 30.08.2019

Antriebsbatterien für e-Fahrzeuge (Teil 1)

 

Markus Peter, AGVS


Tags: Elektrofahrzeuge / Antriebsbatterie / Lithium-Ionen-Batterie / Angabe des Energieinhalts


Das Herzstück von reinen Elektrofahrzeugen und zugleich auch die teuerste Komponente
bildet die Antriebsbatterie. Während in den Anfangszeiten der Elektromobilität (das war vor
rund 120 Jahren!) noch auf Bleibatterien gesetzt wurde, kamen später Nickel-Cadmium- und
schliesslich Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz. Bei Hybridfahrzeugen ohne externe Lademöglichkeit
bewähren sich die Nickel-Metallhydrid-Batterien, welche verhältnismässig günstig
sind und deren Nachteil der stärkeren Selbstentladung insofern nicht gravierend ist, als
die Batterie durch den Verbrennungsmotor oder Rekuperation wieder aufgeladen wird. Plug-
In-Hybridfahrzeuge bedienen sich demgegenüber analog zu den reinen Elektrofahrzeugen in
aller Regel der Lithium-Ionen-Technologie.


Typische Werte für eine in einem Elektroauto eingesetzte Lithium-Ionen-Batterie sind eine
Spannung von 400 Volt und ein Energieinhalt von 50 kWh. Dies reicht bei einem für Mittelklasseautos
üblichen Verbrauch von 15 bis 20 kWh/100 km für eine Reichweite von rund 300
Kilometer. Fertig konfektioniert und inklusive der Kühl- und Sicherheitselemente beträgt die
charakteristische Energiedichte 150 Wh pro kg. Für eine 50 kWh-Lithium-Ionen-Batterie bedeutet
dies folglich ein Gewicht von 333 Kilogramm. Die in den meisten Hybrid-Autos anzutreffenden
Nickel-Metallhydrid-Batterien weisen Spannungen im Bereich von 200 Volt und
Energieinhalte im einstelligen kWh-Bereich auf. Dem Vorteil dieser kompakten Batterien
steht der Nachteil einer eingeschränkten rein elektrischen Reichweite von einigen wenigen
Kilometern gegenüber.


Für automobile Anwendungen wurde noch vor einigen Jahren auf herkömmliche Zellen aus
der Unterhaltungselektronik zurückgegriffen. Inzwischen kommen spezifisch für den Fahrzeugbereich
entwickelte Zellen zum Einsatz.


Dementsprechend hat sich auch der elektrische Aufbau innerhalb einer Batterie verändert.
Wurden beispielsweise beim Tesla Roadster noch tausende Rundzellen parallel und seriell
miteinander verbunden, genügen bei neueren Elektroautos rund 100 in Serie geschaltete
Zellen, da eine einzelne Zelle schon eine sehr hohe Kapazität aufweist. Mit Hilfe der Serienschaltung
wird die Zellspannung von 3,7 Volt (gilt für Lithium-Ionen; Nickel-Metallhydrid-
Zellen haben eine Spannung von 1,2 Volt) entsprechend der Anzahl Zellen auf Werte von
mehreren hundert Volt für die ganze Batterie multipliziert. Dank des hohen Spannungsniveaus
kann die für den Elektromotor benötigte Stromstärke über verhältnismässig geringe
Leiterquerschnitte geführt werden.


Wer sich über die technischen Daten bzgl. des Energieinhalts der Batterie informieren möchte,
stösst zuweilen auf unterschiedliche Angaben zu deren Höhe. Das liegt zum einen daran,
dass bei immer mehr Herstellern verschieden grosse Batterien zur Auswahl stehen.
Darüber hinaus wird zwischen Brutto- und Nettoenergieinhalt unterschieden. Während für
den Autofahrer vor allem der Nettoenergieinhalt, also die für ihn nutzbare Energiemenge,
relevant ist, so ist für Werkstätten und Hersteller auch der Bruttoenergieinhalt interessant, da
dieser eine Aussage über die aufgrund der Zellchemie zur Verfügung stehende maximal
mögliche Energiemenge erlaubt. Während letztere aufgrund der Alterungs- und Lade-
Entladeprozesse kontinuierlich abnimmt, wird der Nettoenergieinhalt über einen möglichst langen Zeitraum aufrechterhalten. Dies bedeutet gleichzeitig, dass die Differenz zwischen
Netto- und Bruttoenergieinhalt stetig kleiner wird.


(Teil 2 des Artikels folgt im nächsten SSM-Newsletter im Januar 2020)


30.08.19; SSM-Information Nr. 18

 

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