Traktionsbatterie

Als Traktionsbatterie (synonym auch als Traktionsakku, Antriebsbatterie oder Zyklenbatterie bezeichnet) wird eine Zusammenschaltung von einzelnen Akkumulatorenzellen oder Blöcken als Energiespeicher zum Antrieb von Elektrofahrzeugen bezeichnet. Da sie in der Verwendung zyklischen Lade- und Entladeprozessen ausgesetzt sind, kommen ausschließlich Akkumulatoren (Sekundärelemente) zum Einsatz.

Geschichte

Nachdem die Elektrizität Anfang des 19. Jahrhundert für die Nachrichtenübertragung eingesetzt wurde, waren um 1837/1838 auch die Grundlagen für einen elektromotorischen Antrieb bekannt und der Elektromotor einsatzfähig entwickelt. Von Gaston Planté wurde um 1859 die Blei-Säure-Batterie, der (Bleiakkumulator) als erste wiederaufladbare Batterie entwickelt.

Sechs dieser Zellen mit einer Nennspannung von 2 Volt und spiralförmig gewickelten Bleiplatten bildeten 1881 im Trouvé Tricycle von Gustave Trouvé die erste Traktionsbatterie (Nennspannung 12 Volt) für den Antrieb des autarken Elektrofahrzeuges ohne Schienen oder Kabelbindung. Geregelt wurde lediglich durch Schließen oder Öffnen des Stromkreises. Allerdings besaß das "Trouvé Tricycle" noch die Tretkurbeln des als Basis dienenden Dreirades.

Wenige Monate später war 1882 das Elektrodreirad von Ayrton & Perry nicht nur ohne Tretkurbeln und mit elektrischer Beleuchtung, sondern auch mit einer verbesserten Traktionsbatterie unterwegs. Die 10 Bleizellen speicherten bei einer Nennspannung von 20 Volt 1,5 kWh und konnten einzeln zu- und abgeschaltet werden, was eine Leistungs- und Geschwindigkeitregulierung ermöglichte. Schon bei den ersten Fahrzeugen wurde dabei die schwere Traktionsbatterie möglichst tief angeordnet, um so Stabilität und Fahrverhalten zu verbessern.

Während aber bei den ersten Fahrzeugen die Akkumulatorzellen noch offen platziert waren, bauten man bei den ersten Elektroautos (ab 1888) die Traktionsbatterie schon in spezielle Gehäuse bzw. verkleidete man sie. Die Accumulatoren-Fabrik Tudorschen Systems Büsche & Müller OHG (heute bekannt als VARTA) stellte 1888 als erste Firma in Deutschland Bleiakkumulatoren industriell her. Der Flocken Elektrowagen von 1888 verwendete vermutlich als erstes Fahrzeug diese Akkus. Im Eisenbahnbereich wurde der Wittfeld-Akkumulatortriebwagen mit diesen Akkus betrieben. Die Energiedichte betrug damals 27 Wh/kg und die Lebensdauer erreichte bis zu 25 Jahre.

Mit dem um 1900 entwickelten Nickel-Eisen-Akkumulator (Thomas Edison) und dem von dem Schweden Waldemar Jungner entwickeltem Nickel-Cadmium-Akkumulator standen alternative Zellenchemien für Traktionsbatterien zu Verfügung. Der NiFe-Akku wurde nachweislich in verschiedenen Autos eingesetzt und besitzt eine sehr hohe Lebensdauer. Jay Leno in den USA besitzt einen Baker Electric, bei dem die Nickel-Eisen-Akkus nach fast 100 Jahren noch immer funktionsfähig sind. Henry Ford entwickelte das Ford Model T auch als Elektroauto. Er hatte schon 150.000 Nickel-Eisen-Akkumulatoren bei Edison bestellt, als seine Abteilung für Elektroautos in Flammen aufging.

Die Erfindung des elektrischen Anlassers, durch den mit Hilfe einer Starterbatterie der Verbrennungsmotor ohne körperliche Anstrengung gestartet werden konnte, leitete den Niedergang der ersten Blütezeit der Elektroautos ein, in dessen Folge auch die Akkumulator- und Batterieentwicklung stagnierte. Erst als 1990 durch die CARB-Gesetzgebung in Kalifornien die Automobilhersteller gezwungen werden sollten, stufenweise emmisionsfreie Fahrzeuge (Zero Emission Vehicle) anzubieten, erhielt die Akkumulatorforschung wieder starke Impulse.

Während beispielsweise in den ersten Traktionsbatterien des GM EV1 noch die verfügbaren, preiswerten Bleiakkumulatoren zum Einsatz kamen, (26 Blöcke mit einer Gesamtkapazität von 16,3 kWh und einer Nennspannung von 312 Volt)^[1], wurden in der zweiten Ausführung die von Stanford R. Ovshinsky serienreif entwickelten Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren eingesetzt^[2]. Die Traktionsbatterie war dabei fest in einem Mitteltunnel im Fahrzeugboden verbaut, was zu einer hohen Crashsicherheit und sehr guten Fahreigenschaften beitrug.

Während die Natrium-Schwefel-Batterie für den BMW E1 oder die für den Hotzenblitz angekündigte Zink-Brom-Batterie^[3] nie Seriereife erlangten, verhalf die für die "Mercedes A-Class electric" weiterentwickelte Natrium-Nickelchlorid-Zelle (ZEBRA-Batterie) dem Fahrzeug nicht nur zu einer praktischen Reichweite von über 200 km^[4], sondern auch zu Anwendungen beim Militär und in der Raumfahrt. Interessant ist bei diesem Fahrzeug auch die kompakte Blockanordnung, die die Montage der gesamten Traktionsbatterie in einem Stück von unten ermöglichte und auch zur hohen Sicherheit für die automotive Anwendung beitrug.

Auch die Grundlagen der Zellchemie für Lithium-Ionen-Akkumulatoren wurden in dieser Zeit gelegt. Allerdings stoppte die Automobilindustrie nach der Lockerung der CARB-Gesetze diese Aktivitäten, so dass Lithium-Ionen-Akkumulatoren erst im 21. Jahrhundert als Traktionsbatterien Bedeutung erlangten. Heute zählen die verschiedenen Varianten als Hoffnungsträger für deutliche Verbesserungen beim Leistungsgewicht und Belastbarkeit.

Physikalisch-technische Eigenschaften

Traktionsbatterie des Elektroautos Nissan Leaf aus Zellmodulen mit jeweils mehreren Einzelzellen

Im Vergleich zu Gerätebatterien bzw. Konsumerzellen besitzen die Zellen einer Traktionsbatterie eine vielfach höhere Kapazität. Außerdem werden sie von verschiedenen Herstellern in verschiedenen Bauformen, teils auf Kundenwunsch entwickelt und hergestellt. Standardisierte Baugrößen gibt es nicht. Üblich sind sowohl Rundzellen, bei denen die Elektroden stab- und becherförmig ausgeführt sind, zum Beispiel Produkte von A123 Systems, als auch prismatische Zellen mit plattenförmiger Elektrodenanordnung, zum Beispiel Zellen der Firma Winston Battery.

Es werden hochstromfeste, zyklenfeste Akkumulatorsysteme verwendet, die in der Lage sind, elektrische Energie je nach Fahrzustand abzugeben oder aufzunehmen und viele Lade-Entlade-Zyklen zu überstehen. Im Gegensatz zu Starterbatterien können beispielsweise Blei-Traktionsbatterien durch spezielle Ausführung der Bleigitter und Separatoren bis zu 80 % tief entladen werden, ohne Schaden zu nehmen.

Während Blöcke für Blei-Pkw-Starterbatterien bei 12 V bzw. 24 V Kapazitäten von 36 bis 80 Amperestunden (Ah) haben, werden für Gabelstapler Zellen mit Kapazitäten von 100 bis über 1000 Ah zusammengeschaltet, um Betriebsspannungen von beispielsweise 24 bis 96 Volt, für Elektroautos bis zu mehreren hundert Volt zu erreichen. Die Baugrößen sind dementsprechend teils erheblich größer. Höheren Spannungen reduzieren die fließenden Ströme und sollen so unter anderem die ohmschen Verluste in den Leitungen und die thermischen Verluste bei Lade- und Entladevorgängen vermindern sowie das Gewicht (Kabel) verringern.

Durch serielle Zusammenschaltung von Einzelzellen ergibt sich die Fahrspannung bzw. Traktionsspannung. Durch Vergrößerung der Baugröße der Zellen oder durch Parallelschaltung von Zellen kann die Speicherkapazität und Strombelastbarkeit erhöht werden. Das Produkt aus Traktionsspannung (V) und elektrischen Ladung/galvanische Kapazität der Einzellzellen/parallel geschalteten Zellen (Ah) ergibt den Energiegehalt der Traktionsbatterie.

Anforderungen beim Einsatz in Fahrzeugen

Die mobile Anwendung der Traktionsbatterien bedingt höhere Sicherheitsanforderungen im Vergleich zur stationären Verwendung. So muss vor allem die Sicherheit bei mechanischen Einwirkungen nachgewiesen werden. Erreicht wird dies durch Verwendung sicherer Zellchemien (beispielsweise Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren) mit oft schlechteren elektrischen Kennwerten, die sichere konstruktive Gestaltung der Unterbringung im Fahrzeug (beispielsweise crashgetestete Batterietröge im Unterboden) oder auch eine Kombination beider Methoden. Wie stark der Einfluss der Sicherheitsanforderungen bei Traktionsbatterien ist, kann am Beispiel des verzögerten Produktionsstart des Opel Ampera nachvollzogen werden. Grund war die (erst mehrere Wochen) nach einem Crashtest in Brand geratene Traktionsbatterie des baugleichen Modells Chevrolet Volt.

Unterschiedliche Anforderungen bei vollelektrischen und Hybrid-Fahrzeugen

Da vollelektische Fahrzeuge ausschließlich elektrische Energie für die Fortbewegung speichern, kommen spezielle Hochenergiezellen zum Einsatz, um Platzbedarf und Gewicht für die benötigte Energiemenge zu minimieren. Auf Grund der notwendigen Kapazität der Batterie (Zell- bzw. Modulgröße) ist die Strombelastbarkeit der Zellen für die Entlade- und Ladevorgänge in der Regel gegeben. Auch erfolgt die Belastung gleichmäßiger und länger als bei Hybridfahrzeugen.

In Hybridelektrofahrzeugen ist der Hauptteil der Antriebsenergie meist als chemische Energie gespeichert. Die Traktionsbatterie hat eine deutlich kleinere Kapazität. Sie speichert elektrische Energie für die Fortbewegung und nimmt Rekuperationsenergie der Nutzbremse auf. Dafür werden Hochstromzellen eingesetzt, die trotz geringerer Kapazität die notwendige (oftmals kurzzeitige) hohe Strombelastung bei gutem Wirkungsgrad und der benötigten Lebensdauer realisieren können.

Nennkapazität, Belastbarkeit, Herstellerangaben

Die Nennkapazität ist die vom Hersteller unter festgelegten Kriterien zugesicherte, entnehmbare Energiemenge. Bei Kapazitätsvergleichen ist es wichtig, diese Kriterien zu beachten. So hat ein Akkumulator mit den Angaben 12 V/60 Ah C3 eine höhere Kapazität als ein Akkumulator gleicher Baugröße mit Kennzeichnung C5 oder C20. Die Angabe Cx charakterisiert dabei die Entladedauer für die angegebene Kapazität in Stunden. Bei C3 können in drei Stunden gleichmäßiger Entladung 60 Ah entnommen werden, es sind also höhere Ströme möglich als bei C5 oder C20, was für den Einsatz als Traktionsbatterie wichtig ist, da die Ströme in der Praxis oftmals über diesen Messströmen liegen (Siehe auch C-Rate).

Bei hochbelastbaren Lithium-Ionen-Akkumulatoren hat sich die Angabe der Strombelastbarkeit im Verhältnis zur Kapazität durchgesetzt. Dabei bedeutet dann beispielsweise für eine Zelle 3,2 V 100 Ah^[5] der Firma Winston Battery bei Standardentladung mit 0,5 C (oder auch 0,5 CA), dass die Kapazität mit einem Entladestrom von 50 A ermittelt wurde. Üblich sind Kapazitätsangaben bei 0,5 C oder 1 C, wobei die zulässige Dauerbelastbarkeit durchaus 3 C oder mehr (im Beispiel bei 3 C also 300 A), die kurzzeitige Belastung noch deutlich mehr (hier 20 CA, also 2000 A) betragen kann.

Immer häufiger wird die Kapazität einer Traktionsbatterie nicht mehr in Amperestunden der Einzelzellen, sondern in Wattstunden angegeben. So sind auch unterschiedliche Bauarten miteinander vergleichbar, da die Spannung mit einfließt. Starterbatterien kommen auf einen Energiegehalt von 496,8 bis 960 Wh, Traktionsakkus für Gabelstapler auf 4.800 bis 28.800 Wh und für den Toyota Prius II auf 1.310 Wh.

Nutzkapazität, praktische Einflüsse

Im Traktionsbetrieb wird in der Regel nicht die gesamte Nennkapazität genutzt. Zum Einen wird die nutzbare Kapazität bis zum Absinken auf die festgelegte Schlussspannung bei hohen entnommenen Strömen geringer, zum Anderen wird die Entladetiefe der Akkuzellen zu Gunsten der Lebensdauer durch ein Batteriemanagementsystem (BMS) meist auf 60–80 % der Nennkapazität begrenzt. Vor allem bei Verbrauchsberechnungen und Vergleichen von verschiedenen Traktionsbatterien müssen diese Umstände beachtet werden. Diese „Nutzkapazität“ wird vom Autohersteller selten ausgewiesen, sondern als nutzbarer Bereich der Nennkapazität beschrieben. So wird beim Chevrolet Volt bzw. Opel Ampera ein nutzbares Akkufenster von 30–80 % angegeben, das sind (zugunsten der Haltbarkeit) lediglich 50 % der Nennkapazität von 16 kWh.

Die Zellen einer Traktionsbatterie weisen fertigungsbedingt sowie durch Nutzungseinflüsse auch immer Unterschiede in der Kapazität und Stromabgabe (innerer Widerstand) auf. Da dadurch im Betrieb die Zellen unterschiedlich belastet werden, kommt es zu einem Auseinanderdriften, was die nutzbare Kapazität der gesamten Batterie verringert. Während die Kapazität der besten Zellen nie gänzlich ausgenutzt werden kann, werden die schwachen Zellen regelmäßig überlastet, tiefentladen oder überladen. Auch um diese Effekte zu verringern bzw. zu vermeiden, werden bei modernen Traktionsbatterien Batterie-Management-Systeme eingesetzt.

Da sich mit sinkenden Temperaturen generell die Beweglichkeit der Elektronen verringert, verringert sich auch die Fähigkeit der Traktionsbatterie zur Abgabe hoher Ströme. Um diesem Effekt entgegenzuwirken und da verschiedene Akkutechnologien bei tieferen Temperaturen unbrauchbar werden, sind Traktionsbatterien oft mit einer zusätzlichen Heizung ausgestattet^[6]. Diese übernimmt entweder während der Verbindung zum Stromnetz die Temperierung, oder heizt sich aus ihrem Energiegehalt selbst. Dadurch und durch zusätzliche Verbraucher wie elektrische Innenraumheizung oder Klimaanlage verringert sich die winterliche Reichweite, obwohl der nutzbare Energiegehalt der Traktionsbatterie auch im Winter zur Verfügung steht.

Werkstoffspezifische Typeneinteilung von Traktionsbatterien

Üblicherweise werden die Traktionsbatterien nach den Materialien, welche für die galvanischen Zellen verwendet werden, unterschieden.

Bleiakkumulator-Systeme waren in Deutschland bislang die am häufigsten verwendeten Traktionsbatterietypen, jedoch wird intensiv an der Verwendung von Akkusystemen höheren Energiedichten und besseren elektrischen Kennwerten entwickelt.

Nickel-Cadmium-Akkusysteme haben eine weite Verbreitung gefunden, da sie sehr robust und langlebig sind. In Europa werden sie als Nasszellen vorrangig von der Firma Saft gefertigt und wurden in verschiedenen französischen Elektroautos eingesetzt. Allerdings enthalten sie das giftige Cadmium. Obwohl das europaweite Verbot NiCd-Traktionsakkus derzeit noch ausklammert, sind sie wohl keine Option für Weiterentwicklungen mehr. Auch leiden NiCd-Akkus unter dem reversiblen Memory-Effekt, der zum Kapazitätserhalt eine vollständige Entladung erfordert.

Der Nickel-Metallhydrid-Akkumulator wurde auf Grund seiner hohen Energiedichte erfolgreich als Traktionsakku eingesetzt (Bsp.: General Motors EV1), jedoch verhinderten patentrechtliche Sanktionen eine Fertigung hochkapazitiver Zellen (mehr als 10 Ah) und damit eine stärkere Verbreitung und Weiterentwicklung.

Auch Thermalbatterien wie die Zebra-Batterie wurden erfolgreich als Traktionsakkumulator eingesetzt^[7]. Sie eignet sich vor allem für regelmäßigen bzw. Dauereinsatz, da dann die systembedingten Energieverluste vernachlässigbar sind.

Lithium-Ionen-Akkusysteme sind die derzeit (2012) modernste Variante unter den Traktionsbatterien. Ihnen wird ein großes Entwicklungspotential für die Zukunft bescheinigt.

Praktischer Einsatz

Traktionsbatterien aus geschlossenen Bleiakkumulatoren werden als Gegengewichte zur Stapelware in elektrischen Gabelstaplern eingesetzt, um diese mit der Hilfe der Gegengewichte in die Lage zu versetzen, eine bestimmte (größere) physikalische Masse transportieren zu können. Auch in fahrerlosen Transportsystemen bei ebenen Anwendungen werden sie noch eingesetzt. Das hohe Gewicht wirkt sich nachteilig bei Höhenunterschieden bzw. Steigungen aus. Daher sind sie für die Anwendung in Elektroautos weniger geeignet.

In Elektrofahrrädern/Pedelecs kommen aus Platz- und Gewichtsgründen fast ausschließlich Akkumulatoren auf Lithiumbasis zum Einsatz. Anfänglich eingesetzte Bleiakkumulatoren haben sich nicht bewährt.

Bei Elektromotorrollern sind als Traktionsbatterien verschiedenste Akkusysteme im Einsatz. Auch hier gilt der Bleiakkumulator als veraltet.

Beim Einsatz in Hybridfahrzeugen wie dem Toyota Prius oder dem Honda Civic IMA werden derzeit (2012) Traktionsbatterien vom Typ Nickel-Metall-Hydrid-Akku mit Spannungen von mehreren 100 Volt und unter 10 Amperestunden eingesetzt. Die Kapazitätsbeschränkung ergibt sich dabei aus patentrechtlichen Bestimmungen, die Produktion und Weiterentwicklungen stark einschränken. Neuentwicklungen sind meist mit Traktionsbatterien auf Lithiumbasis ausgerüstet.

In Solarfahrzeugen werden aus Gewichts- und Volumengründen ausschließlich moderne Hochleistungsbatterien auf Lithiumbasis eingesetzt. Das weltgrößte Solarfahrzeug, der Katamaran Tûranor PlanetSolar, besitzt die derzeit mit 1,13 MWh auch weltgrößte Lithium-Traktionsbatterie. Die Zellen stammen vom thüringischen Zellproduzenten Gaia Akkumulatorenwerk GmbH.

Umweltaspekte

Traktionsbatterien bestehen aus Einzelzellen, die sowohl in der Größe (Kapazität) als auch in der Anzahl der Einzelzellen (Spannung) deutlich über den Gerätebatterien bzw. Konsumerbatterien liegen. Daher enthalten sie größere Mengen einzelner Rohstoffe, so dass nach der Nutzung eine Rückführung in den Stoffkreislauf (Recycling) volkswirtschaftlich und ökologisch sinnvoll und notwendig ist. Für Starterbatterien und Traktionsbatterien als Bleiakkumulator wurde daher in Deutschland mit der Batterieverordnung ein Batteriepfand von 7,50 €/Stück eingeführt. Die Rückführungsquote liegt bei über 90 %.^[8]

Für moderne Lithium-Ionen-Akkumulatoren existiert eine solche Pfandlösung noch nicht. Allerdings ist zu erwarten, dass die Wiederverwertung, vor allem des enthaltenen Lithium, gerade bei Traktionsbatterien wirtschaftlich realisierbar ist. Aufgrund der aufwendigen Lithiumgewinnung und des hohen Energieeinsatzes bei der Produktion der Akkumulatoren wurde oftmals davon ausgegangen, dass Lithium-Akkumulatoren die Ökobilanz von Elektroautos deutlich verschlechtern. Neuere Untersuchungen haben aber gezeigt, dass der ökologische Rucksack deutlich geringer ist, als bisher angenommen^{[9] [10]}.

Preisentwicklung

Die Preise für Traktionsbatterien sind wegen der verfügbaren und preiswerten Ausgangsmaterielien nur in geringem Maß durch die Rohstoffe bestimmt. Während bei Einzel- und Kleinserienfertigung von Traktionsbatterien 2008–2010 Preise von teils deutlich über 500 €/kWh Nennkapazität genannt wurden, fielen die Preise für die ersten in Serie gefertigeten Traktionsbatterien 2012 schon auf 280–350 €/kWh, ein weiterer Preisverfall auf unter 150 €/kWh sei zu erwarten^[11]. Ursachen sind die anlaufende Massenproduktion, welche die Stückkosten durch bessere Technologien und Skaleneffekte deutlich verringern. Allerdings werden die sinkenden Produktionskosten nur verzögert an die Kunden weitergegeben, da auf diesem Markt, speziell in Deutschland, durch die wenigen Angebote nur ein geringer Preisdruck besteht.

Weblinks

Commons: Traktionsbatterie – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Vorlage:Commonscat/WikiData/Difference

• Trends bei Lithium-Ionen-Batterien , Dr. Norbert Schall (Süd-Chemie) im Interview, YouTube, aufgerufen am 6. Juli 2012

• Cost and performance of EV Batterys Final Report on Climate Change, 21/03/2012, aufgerufen 30. August 2012

Einzelnachweise