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Batterie

Die Batterie (umgangssprachlich für Akkupack) stellt einen wichtigen Bestandteil eines Elektroautos dar. Dabei gibt es viele unterschiedliche Batterietechnologien und Bauweisen. Ebenfalls gibt es viele Mythen um die Batterie in einem Elektroauto. Auf dieser Seite wollen wir Ihnen zeigen, wie eine Batterie aufgebaut ist und wie man sie richtig behandelt.

Eine Batterie in einem Elektroauto besteht aus mehreren Einzelzellen (Akkus). Diese werden

meist in Reihe geschalten, um eine höhere Betriebsspannung zu erreichen. Auf diesem Foto

sieht man  die prismatische Form einer Einzelzelle. Es gibt sie jedoch auch als Rundzelle, wie

sie aus vielen Haushaltsgeräten bekannt sind.

Unterscheiden muss man aber zwischen Akkumulatoren (kurz: Akku) welche wiederaufladbar

sind, und den Primärzellen (welche umgangssprachlich auch Batterie genannt werden), die

man nicht nachladen kann.

 

 

Im Elektrofahrzeug sieht eine Batterie

(der Zusammenschluss aller Akkus) dann so aus:

Zellchemie

Entscheidend für die Funktion ist die Zellchemie. Sie legt die wichtigsten Eigenschaften der Batterie fest. Hier werden wir auf die drei unterschiedlichen Zellen eingehen, welche bei uns zum Einsatz kommen.

Blei-Akku (AGM)

Den Blei-Akku kennen viele vom konventionellen Verbrennungsmotor, er dient dort als "Starterbatterie".

Die Bleibatterien für Elektroautos sind jedoch speziell auf die Anforderungen dort ausgelegt. In unseren Elektrofahrzeugen kommen sogenannte AGM-Batterien (Absorbent Glass Mat, Elektrolyt in einem Glasfaser-Fließ gespeichtert) zum Einsatz..

 

Vorteile:                                                            Nachteile:

- Kostengünstig                                                - Geringere Lebensdauer

- Einfache Handhabung                                   - Hohes Gewicht

- Robust gegen falsche Behandlung                - Geringere Leistungsabgabe

- Wenig Kontrollelektronik erforderlich

- Einfache SoC-Bestimmung

Entscheidend bei Blei-Batterien ist die Ladekurve. Je voller die Batterie geladen ist, desto höher ist die Spannung. Diese Ladeschlussspannung ist abhängig von der Umgebungstemperatur, weshalb die Ladeelektronik anhand der Temperatur die Ladespannung angleichen muss. Des weiteren schadet die Tiefentladung der Batterie. Man sollte deshalb immer darauf achten, dass das Fahrzeug nie ganz leer ist. Falls die Batterie fast leer ist, sollte man das Fahrzeug aufladen, da es im Stillstand ebenfalls Strom benötigt.

Den Ladezustand (State of Charge = SoC) von Bleibatterien kann

man relativ einfach ermitteln, da der Spannungsverlauf linear ist.

In der Grafik rechts ist ein solcher Spannungsverlauf dargestellt.

Dieser Spannungsverlauf gilt bei einer Temperatur von 20°C und im

unbelasteten Zustand. Ändert sich die Temperatur, dann ändert sich die

Spannung. Auch wenn bei der Batterie Strom entnommen wird, sinkt

die Spannung ab und verfälscht die Messung.

Der SoC (Ladezustand) kann bei der Blei-Batterie also nur im Leerlauf

(ohne das Strom entnommen wird) und unter Berücksichtigung der

Temperatur ermittelt werden.

Die Lebensdauer einer AGM-Batterie beträgt zwischen 500 und 1500 Zyklen (Entladen bis 20%, Vollladen bis 100%) oder in etwa 5 bis 15 Jahre. Am Besten betreibt man diese Batterie zwischen 50% und 100% für eine lange Lebensdauer.

Lithium Akku (NCM)

Diese Akkutechnik kommt bei Elektroautos sehr häufig zum Einsatz. Lithiumzellen oder Akkus werden so genannt, weil die Lithiumionen für den Strom verantwortlich sind. Um sie zu Speichern wird auf der Minusseite Graphit benutzt, auf der Plusseite eine Mischung aus Nickel, Cobalt, Mangan und Sauerstoff (deshalb NCM).

Vorteile:                                          Nachteile:

- Sehr hohe Speicherdichte           - Brennbar

- Sehr hohe Leistung                     - Aufwendige Überwachungselektronik

- Geringes Gewicht                        - Sehr Teuer

- Einfache SoC-Bestimmung

- Lange Haltbarkeit

Die Ladekurve von NMC-Akkus ist ähnlich wie bei den AGM-Akkus, wodurch der SoC leicht zu bestimmen ist

(~1% Abweichung). Dadurch lässt sich auch die verbleibende Reichweite gut abschätzen.

Lithium-Akkus können bei Temperaturen unter 0°C nicht geladen werden und sind dann auch in ihrer Leistungsabgabe beschränkt, weshalb eine Batterieheizung für den dauerhaften Betrieb in unserer Klimaregion notwendig ist. Je nach Fahrweise können diese Akkus auch relativ warm werden, weshalb sich bei Anwendungen mit hoher Leistungsentnahme eine Batteriekühlung ebenfalls empfiehlt. Ebenfalls erhitzen sich Akkus beim Laden mit hoher Leistung. Beim Schnellladen (CCS) spielt die Temperatur eine wichtige Rolle. Zu geringe oder zu hohe Temperaturen reduzieren die Ladeleistung.

Bei allen Lithium-Akkus ist das Battery-Management-System (kurz: BMS) sehr wichtig, da es die Überspannung und Unterspannung der einzelnen Zelle verhindert. Diese treten auf, wenn eine Zelle zu voll geladen wird, oder zu tief entladen wird. Ladungsunterschiede der einzelnen Zellen müssen demnach ausgeglichen werden, um Folgeschäden zu verhindern, was die Überwachungselektronik (BMS) komplexer werden lässt, als bei den AGM-Batterien.

Lithium Akku (LFP)

Der Lithium Eisenphosphat Akku (kurz LFP oder LiFePo) ist nicht so weit verbreitet wie der NCM Akku, hat jedoch einige Vorteile gegenüber den NCM Akkus. Bei den LFP Akkus besteht der Minuspol ebenfalls aus Graphit, der Pluspol jedoch aus Eisenphosphat.

Vorteile:                                    Nachteile:

- Sehr hohe Leistung               - Hohes Gewicht

- Hohe Speicherdichte             - Komplizierte SoC-Bestimmung

- Sehr lange Haltbarkeit           - Aufwendige Überwachungselektronik

- Hohe Belastbarkeit                - Teuer

- Nicht brennbar

Der LFP-Akku hat gegenüber dem NCM-Akku den Vorteil der Haltbarkeit (Bis zu 6.000 Zyklen), der hohen Belastbarkeit vor allem beim Laden und er ist sehr sicher sowie nicht brennbar. Entscheidender Nachteil ist das Gewicht, denn um die gleiche Reichweite wie ein NCM-Akku zu erzielen, muss der LFP-Akku um ~30% größer und schwerer sein.

Temperaturmäßig verhalten sich die Lithium-Akkus relativ ähnlich.

Durch die lineare Lade- / Entladekurve bei LFP-Akkus, ist hier die SoC-Bestimmung kompliziert und kann um fast 10% abweichen. Dafür sind sie aber auch etwas günstiger als die NCM-Akkus.

Durch die sehr hohe Zyklenfestigkeit (3.000-6.000) sind die LFP-Akkus dennoch sehr attraktiv, da ein Fahrzeug mit einer Reichweite von 300 km (etwa wie unser Elektro-Wohnmobil) somit eine Akkulebensdauer von bis zu

1.800.000 km hat.

Fazit: Egal welche Akkutechnologie oder Zellchemie eingesetzt wird, jede hat ihre Vorteile für gewisse Einsatzzwecke. 

DSC_0006.JPG
Batteriezelle.jpg
Lade- Entladekurve AGM Batterie.jpg