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3.2.
Hauptparameter der Batterie Als Nennspannung einer Zelle bezeichnet man die elektrische
Spannung in Volt, gemessen zwischen Plus- und Minuspol einer Zelle.
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3.2.1 Kapazität
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. Die Temperatur der Batterie und die Geschwindigkeit der Entladung haben einen großen Einfluss auf die Kapazität. Im Allgemeinen führen höhere Entladegeschwindigkeiten zu einer Verringerung der entnehmbaren Ladung. Die Nennkapazität wird bei fest definierter Temperatur und Entladegeschwindigkeit ermittelt und unter Einhaltung der vorgegebenen Bedingungen vom Hersteller gewährleistet. |
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Der Ladezustand (engl.: State of Charge SoC) ist die aktuell noch verfügbare Kapazität der Batterie in Prozent. Bei der herkömmlichen Starterbatterie ist die Beurteilung des
Ladezustandes über die Säuredichte oder die Ruhespannung der
unbelasteten Die Reichweite eines HV-Fahrzeuges hängt von der Kapazität des Akkus und den Verbrauchern ab. Die Überwachung der Hochvolt-Akkus übernimmt das Batteriemanagement. Dieses überwacht den Ladezustand jeder einzelnen Zelle, um alle auf die gleiche Spannung zu laden. Der Memory-Effekt der bei NiCd-Akkus sowie bei Nickel-Metallhydrid-Akkus auftrat, kommt bei Lithium-Ionen-Akkus nicht vor. Der Nachteil dieser Akkus besteht darin, dass vollständiges Ent- und Vollladen die Lebensdauer des Akkus reduziert. Wird der Akku im Teilladungsbereich betrieben, so verlängert sich die Lebensdauer. Aus diesem Grund ist es für die Lebensdauer der Batterie von Vorteil, diese "flach" zu entladen. Arbeitsbereich einer Lithium-Ionen-Batterie
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3.2.2 Energiedichte 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 der
gespeicherte Energiegehalt einer Batterie in Wh/kg festgelegt. Der Mitsubishi i-MiEV kann eine elektrische Energiemenge von 16 kWh speichern. Dies entspricht in etwa der Kraftstoffmenge von zwei Litern, bei einer Kraftstoffmasse von 1,4 kg Benzin, mit einer mittleren Dichte von 0,75 kg/l. Bei einem Wirkungsgrad von 90% des E-Motors und durchschnittlich 30% beim Verbrennungsmotor benötigen wir für die gleiche umsetzbare Fortbewegungsenergie 6 Liter Kraftstoff. Dieser Zusammenhang wird durch die Abbildung verdeutlicht. In der Abbildung ist der Vergleich von Gewicht und Volumen für 500 km Reichweite für Dieselkraftstoff und Lithium-Ionen-Zellen grafisch veranschaulicht. Wenn Sie auf das Bild klicken, wird es Ihnen in Originalgröße angezeigt. |
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3.2.3 Leistungsdichte 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 den Elektromotor abgegeben werden kann. Eine hohe Leistungsdichte sorgt zudem für eine schnellere Aufladung des Akkumulators. Akkumulatoren für Fahrzeuge mit HV-Systemen 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. |
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3.2.4 Sicherheit Im Gegensatz zum herkömmlichen 12 V Bleiakku beinhalten Li-Ionen-Batterien für den elektrischen Antrieb hohe Energiemengen und unterschiedlichste Chemikalien. Diese sind leicht entzündlich und bilden beim Austreten explosive Gemische. Die Vorfälle im Zusammenhang mit Entzündungen oder Explosionen bei Li-Ionen-Akkus bei Laptops und Fahrzeugbränden in E-Fahrzeugen aber auch den Bränden an Bord des Dreamliners von Boeing sorgen für eine entsprechende Medienpräsenz und Fokussierung auf die Sicherheit von Batteriesystemen in Elektromobilen. Lithium-Ionen-Akkus reagieren äußerst empfindlich, wenn sie nicht innerhalb des definierten Temperaturfensters (0°C bis 65°C) betrieben werden. Bei tiefen Werten wird zwar der Alterungseffekt verlangsamt, aber auch die Leistungsfähigkeit reduziert, da der Elektrolyt nicht mehr so gut leitet. Auch Tiefentladungen sollen aufgrund auftretender Korrosion vermieden werden. Nachdem aber in den Akkus wie oben beschrieben auch brennbare und
leicht entzündliche Chemikalien eingebra 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. Das Problem beim Dreamliner ist auf Kobaltoxid als Kathodenmaterial zurückzuführen, da dies zu thermischer Zersetzung bei relativ geringen Temperaturen neigt und das Lithium mit dem freiwerden Oxid eine exotherme Reaktion anstößt. Die freiwerdende Wärme sorgt sodann ab 300°C dafür, dass der Elektrolyt zu brennen beginnt. Dieses thermische Durchgehen (thermal runaway) wird bei Kathodenmaterial aus Lithium-Eisenphosphat nahezu ausgeschlossen. Die Übersicht stellt die relevanten Parameter bei verschiedenen Batteriesystemen gegenüber. |
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Batterie vergleichsweise einfach. Bei anderen
Batterietypen bedarf es dazu meist einer mehr oder weniger
aufwändigen Elektronik, welche dann auch den Ladevorgang überwacht
(Batteriemanagementsystem).
cht sind, können ein
Kurzschluss, eine Überladung oder ein Überschreiten der zulässigen
Zellspannung die Zelltemperatur erhöhen und im ungünstigsten Fall
zum unkontrollierten Temperaturanstieg führen. Dabei reagiert das
Graphit an den Elektroden mit dem hoch reaktiven Lithium. Dies führt
in der Zelle zu einer Kettenreaktion. Batteriebrand und Explosion
aufgrund des in der Zelle entstehenden Überdrucks sind die Folgen.