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Batterie-Technologien für Fahrzeuge#

Von

Gerhard Metz

Alle Bilder mit freundlicher Genehmigung von Varta/Johnson Controls

Die Elektrik und Elektronik von Fahrzeugen, ich will hier in erster Linie Personenkraftfahrzeuge betrachten, hat sich in den letzten Jahren immer schneller weiterentwickelt. War früher, als man noch nicht an Umweltschutz oder gehobenen Fahrkomfort dachte, die alleinige Aufgabe der Batterie den Motor zu starten, so sind heute viele anderen Anforderungen dazugekommen. Bedingt durch eine enorme Steigerung der Fahrzeugelektronik in Bezug auf Fahr- und Bedienungskomfort, der gesetzlichen Vorgabe hin zu weniger Kraftstoffverbrauch sowie verbesserte Umweltverträglichkeit (CO2 Ausstoß) und auch sicherheitsrelevanter Aspekte, sind starke Veränderungen in puncto der Batterie-Technologie als Energiespeichertechnologie notwendig geworden. Hier der Versuch einer Aufzählung in Reihenfolge der historischen Entwicklung:

  • Starten des Motors vor Beginn der Fahrt
  • Elektrische Verbraucher nicht nur für Licht, z.B. Fensterheber, Sitzheizung, etc.
  • Vielfältige Elektronik, die eine elektrische Versorgung auch während langer Parkphasen erfordert
  • Start-Stop Automatik
  • Bremsenergierückgewinnung zum Aufladen der Batterie (Rekuperation)

Überblick Batterie Technologie#

Überblick über Batterie Technologie

SLI-Batterien (Konventionelle Bleisäure Batterien)#

Konventionelle Bleisäure Batterie
Konventionelle Bleisäure Batterie: Energiefluss
Konventionelle Bleisäure Batterie
Konventionelle Bleisäure Batterie

Diese „Nassbatterien“ werden seit über 100 Jahren produziert und wurde für den Einsatz in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren entwickelt und angepasst. Für das Anlassen eines Verbrennungsmotors durch den elektrischen Anlasser ist eine relativ hohe kurzzeitige Leistungsabgabe notwendig, die auch im Winter bei tiefen Temperaturen gewährleistet sein muss. Diese Batterien gab es früher auch mir 6V Spannung, heute sind nur mehr 12V für Personenkraftfahrzeuge und 24V für Lastkraftfahrzeuge am Markt üblich.

EFB-Batterien (Enhanced Flooded Blei-Säure Batterien)#

Enhanced Flooded Blei-Säure Batterie
Enhanced Flooded Blei-Säure Batterie
Enhanced Flooded Blei-Säure Batterie
Enhanced Flooded Blei-Säure Batterie: Energiefluss

War die Lebensdauer bei den SLI-Batterien durch die Anzahl der Ladezyklen stark begrenzt, wenn diese dauernd entladen und geladen wurde, so werden mit der EFB-Batterien (= verbesserte Nassbatterien) 2-fach Zyklusleistungen erreicht. Auch wenn zusätzliche elektrische Verbraucher in einem Fahrzeug für höhere und häufigere Entladung sorgen, wird dadurch eine bessere Zuverlässigkeit und höhere Lebensdauer erreicht. Diese Batterien kommen überwiegend bei Fahrzeugen mit einfachen Start-Stop Systemen (ohne Aufladung durch Bremsenergie) zum Einsatz. Bei Fahrzeugen mit Start-Stopp-Systemen in Verbindung mit EFB-Batterien ist eine bis zu 5 % bessere Kraftstoffeffizienz möglich.

AGM Batterien (Absorbent Glass Mat)#

AGM Batterien
AGM Batterien
AGM Batterien
AGM Batterien: Energiefluss
Diese Batterien, die seit 2001 produziert werden, haben Glasvlies-Separatoren eingebaut, dass die Elektrolyten an Ort und Stelle rund um die Platten verbleiben. Der bauartbedingt geringe Innenwiderstand begünstigt eine schnelle Reaktion zwischen der Säure und den Platten, wodurch schnell hohe Energiemengen bewegt werden können. Das Ergebnis ist eine bis zu 4-fache Zyklusleistung gegenüber normalen SLI-Batterien. Voraussetzung ist ein intelligentes Batterie-Management-System (BMS), um unter anderem eine Überladung der Batterien mit Gasaustritt zu vermeiden. Ein weiterer wichtiger Punkt des BMS ist die Regulierung der elektrischen/elektronischen Verbraucher. Durch die besondere Bauweise der AGM Batterien ist es in Verbindung mit dem BMS ebenfalls möglich, entstehende Bremsenergie umzuwandeln und als Ladestrom wieder in die Batterie einzuspeisen. Das Ergebnis ist daher ein weiter reduzierter Kraftstoffverbrauch und geringerer CO2 Ausstoß. Die AGM-Batterie ist nicht nur lageunabhängig einbaubar, sondern auch rüttelfest.

12-Volt-Lithium-Ionen Batterien#

Lithium-Ionen-Akkus, so ist die richtige Bezeichnung, nur bei Autos sagt man Batterien, versorgten anfangs hauptsächlich tragbare Geräte mit hohem Energiebedarf, für die herkömmliche Nickel-Cadmium oder andere zu schwer oder zu groß waren, beispielsweise Mobiltelefone, Tablets, Digitalkameras, Camcorder, Notebooks, Taschenlampen etc. Mittlerweile sind sie in fast allen Bereichen anzutreffen, jedoch noch kaum in Autos mit Verbrennungsmotoren, aber in Wohnmobilen, Booten und Fahrzeugen der „Elektromobilität“ wie E-Bikes, Pedelecs, moderne Elektrorollstühle, Elektroautos und Hybridfahrzeuge. Wenn die Lithium-Ionen Batterien dann auch in „normalen“ Kraftfahrzeugen zur Anwendung kommen, dann werden diese durch den Einsatz von optimierten Start-Stop-Systemen die Kraftstoffeffizienz weiter verbessern. Im Vergleich zu anderen Akkus/Batterien erfordern Lithium-Ionen eine aufwendige elektronische Überwachung der Lade- und Entlade-Vorgänge.

48-Volt-Lithium-Ionen Batterien#

48-Volt-Lithium-Ionen Batterie
48-Volt-Lithium-Ionen Batterie

Kommen bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen zum Einsatz. Die Bezeichnung Lithium-Ionen ist der Oberbegriff für Akkumulatoren auf der Basis von Lithium-Verbindungen in allen drei Phasen der elektrochemischen Zelle. Die reaktiven Materialien sowohl in der negativen als auch in der positiven Elektrode sowie der Elektrolyt enthalten Lithiumionen. Sowohl am Prinzip als auch Bauformen und Lade-Elektroniken wird derzeit noch fleißig entwickelt. Es sieht so aus und ist zu hoffen, dass es hier noch Optimierungsbedarf gibt, um die Reichweiten von Elektroautos noch zu verbessern. Die 48-Volt-Lithium-Ionen Batterien erhöhen die Energiegewinnung aus dem Bremsvorgang, unterstützen die Elektrifizierung neuer oder höherer Strombelastungen einschließlich Klimaanlage, aktives Fahrwerk und elektrische Zusatzheizung. Je höher die Reichweite bzw. kleiner die Schnelladezeit optimiert wird, sind in den Batterien ausgeklügelte Kühl- und elektronische Ladesysteme notwendig.

Lithium-Ionen-Batterien für Plug-in-Hybrid- und Elektrofahrzeuge#

Lithium-Ionen-Batterie
Lithium-Ionen-Batterie

Welche Art von Elektroauto sich durch ein sehr gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis einmal durchsetzen wird, ist heute noch nicht ganz klar.

Plug-in-Hybrid-Fahrzeuge verbinden auf der einen Seite Vorteile von Batteriefahrzeugen und Verbrennerfahrzeugen. Auf kürzeren Strecken und im Stadtverkehr fährt das Auto mit dem elektrischen Antrieb leise, emissionsfrei und sparsam mit Strom aus der Batterie, während durch den zweiten Antrieb (z. B. dem Benzinverbrenner) das Auto auch dann noch fährt, wenn die Batterie leer ist und so eine höhere Reichweite möglich wird. Hier wird ein Hochvolt-Batteriesystem komplett mit Zellen, Modulen, Batterieverwaltungssystem und flüssigkeitsgekühlter thermischer Regelung benötigt.

Ein Blick in die Zukunft von Batterie-Systemen für Autos#

Durch neue EU-Gesetze sinken die CO2-Grenzwerte (130 g/km in 2015, 95 g/km in 2020). Fahrzeughersteller führen daher Effizienzprogramme für heutige Fahrzeuge ein. Dabei spielte die Start-Stop-Technologie eine immens wichtige Rolle. Dieser Technologiewandel unterstützt die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und ist schon jetzt ein fester Bestandteil von in über 80% der neu zugelassenen Fahrzeuge in Europa.

Zur Einhaltung der CO2-Grenzwerte werden neue Technologien wie Mild- oder Full-Hybrid in den kommenden Jahren immer gebräuchlicher werden.

Weltweites Ziel: CO2-Emissionen verringern!

Überblick CO2 Emissionen
Überblick CO2 Emissionen

Zur Reparatur bzw. zum Austausch und zur Wartung#

von solche hochentwickelten Batterie-Systemen in Auto-Werkstätten gilt daher:

  • Aufgrund der Zugehörigkeit der Batterie zu einem komplexen Energiesystem und des schwierigen Zugangs zur Batterie sind Ein- und Ausbau sehr komplexe Vorgänge.
  • Nur wenn die Batterie ordnungsgemäß eingebaut und registriert wird, werden die CO2-Grenzwerte eingehalten und das Start-Stop-System sowie die Fahrzeugelektronik und die Verbraucher arbeiten zuverlässig.
  • bei den meisten Start-Stop-Fahrzeugen ist ein Diagnose-Tool, ein fahrzeugspezifischer Aus-/Einbauprozess sowie eine Registrierung der Batterie über das BMS notwendig, um eine sorgenfreie Nutzung des Fahrzeuges zu gewährleisten

Zum Schluss: Problematik „Recycling“ hängt von der Alterung ab#

Recycling Symbol

Für alle Arten von Elektroautos geben die Hersteller, egal ob die Batterie-Systeme mit dem Auto mitgekauft oder getrennt zu fixen Jahresgebühren geleast werden, mit Stand Anfang 2017, der Erstellung dieses Artikels, erstaunlich lange Garantiezeiten an. Dies vermutlich deshalb, weil das für das Ankurbeln des Absatzes notwendig ist.

Hier gibt es Überlegungen, wie man solche Batteriesysteme „zweitnützen“ könnte, da in den Autos, wenn die Ladekapazität durch Alterung, sprich Ladevorgänge, relativ schnell sinkt, diese durch schnell sinkende Reichweite im Auto einfach nicht mehr zu gebrauchen sind. Vielleicht könnte hier eine Nachnutzung die Problematik des „zu oft“ notwendigen Recycling entschärfen.

Böse Zungen behaupten ja, dass Elektroautos „Sondermüll auf Rädern“ seien, ein Recycling sich nie auszahlen wird. Das ist sicher falsch, aber wie sich das kostenoptimierte Recycling der komplexen Batteriesysteme entwickelt, steht noch in den Sternen – nein eher am Anfang der Entwicklung.

Soviel weiß man schon, Lithium wird als seltener Rohstoff nicht das Hauptproblem sein, eher Kobalt, Nickel und Kupfer. Momentan sind die vorhandenen Recyclingkapazitäten in Belgien und Frankreich mit dem Recycling der Akkus von Smartphones völlig ausgelastet.

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