mini|Antriebsbatterie des Elektroautos Nissan Leaf aus Zellenblöcken mit jeweils mehreren Einzelzellen Eine Antriebsbatterie (auch als Traktionsbatterie, Zyklenbatterie oder Fahrbatterie bezeichnet und im deutschen Batteriegesetz (BattG) als Industriebatterie klassifiziert) ist ein elektrischer Energiespeicher, der in einem Elektrofahrzeug den für den Vortrieb sorgenden Elektromotor mit elektrischer Energie versorgt. Dazu zählen auch Puffer-Batterien in Brennstoffzellenfahrzeugen und bei Hybridantrieben. Eine Antriebsbatterie besteht aus mehreren Batteriezellen (Akkumulatoren), einem Batteriemanagementsystem (BMS) und meist einem System zur Kühlung und Heizung (Thermomanagement).
Allgemeines
Bei Elektroautos sind Nennspannungen von mehreren Hundert Volt Gleichspannung (daher auch die Bezeichnung Hochvolt-Speicher), die in einer gewissen Relation zu den üblichen elektrischen Spannungen in Dreiphasenwechselstromnetzen stehen können, durchaus gängig. Höhere Batterie-Nennspannungen (oberhalb von 400 Volt, hineingehend bis in den Bereich von 1000 Volt Gleichspannung) sind in batterieelektrisch angetriebenen High-Performance-Autos ebenso wie in Batteriebussen und Elektrolastkraftwagen keine Seltenheit. Für Pedelecs und Elektromotorroller sind Spannungen von 24, 36 und 48 Volt üblich. Bei Gabelstaplern und anderen Flurförderfahrzeugen mit Elektroantrieb werden häufig Bleibatterien mit 80 Volt Nennspannung eingesetzt, die zugleich dem Gewichtsausgleich dienen und oftmals als Traktionsbatterien (Batterien für Traktionsanwendungen) bezeichnet werden. Solche Traktionsbatterien sind – anders als Starterbatterien für Kraftfahrzeuge – nicht auf höchste Leistungsdichte ausgelegt, sondern auf hohe Zyklenfestigkeit, und daher anders aufgebaut.
Verbraucher wie Licht, Scheibenwischer, Radio, Fernbedienung usw. werden bei Elektrofahrzeugen üblicherweise nicht aus der Hochvolt-Antriebsbatterie versorgt, sondern durch ein übliches 12- oder 48-Volt-Bordnetz mit kleinem elektrischem Energiespeicher ähnlich der Starterbatterie in herkömmlichen Kraftfahrzeugen. Während Starterbatterien mit der Karosserie verbunden sind („Minuspol an Masse“), werden Antriebsbatterien mit höherer Spannung in Kraftfahrzeugen isoliert zur Karosserie eingebaut.Tassilo Sagawe: Sicherheit der Hochvolttechnik bei Elektro- und Hybridfahrzeugen. 4. Sachverständigentag, 1. und 2. März 2010 in Berlin. Abgerufen am 21. Februar 2020.
Antriebsbatterien von Elektro- und Hybridfahrzeugen gehören nach dem Batteriegesetz zur Klasse der Industriebatterien und nicht zur Klasse der Fahrzeugbatterien.
Geschichte
mini|Antriebsbatterie im Egger-Lohner-Elektromobil, Baujahr 1899: tief in Fahrzeugmitte
Nachdem die Elektrizität Anfang des 19. Jahrhunderts für die Nachrichtenübertragung eingesetzt wurde, waren um 1837/1838 auch die Grundlagen für einen elektromotorischen Antrieb bekannt und der Elektromotor einsatzfähig entwickelt. 1854 wurde von Wilhelm Josef Sinsteden und darauf aufbauend 1859 von Gaston Planté der Bleiakkumulator entwickelt.
Eine Anordnung aus sechs dieser Zellen mit einer Nennspannung von jeweils 2 Volt und spiralförmig gewickelten Bleiplatten bildeten 1881 im Trouvé Tricycle von Gustave Trouvé die erste Antriebsbatterie (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 Antriebsbatterie unterwegs. Die zehn Bleizellen speicherten bei einer Nennspannung von 20 Volt 1,5 kWh Energie und konnten einzeln zu- und abgeschaltet werden, was eine Leistungs- und Geschwindigkeitsregulierung ermöglichte. Schon bei den ersten Fahrzeugen wurde dabei die schwere Antriebsbatterie möglichst tief angeordnet, um so Kippstabilität und Fahrverhalten zu verbessern.
Während aber bei den ersten Fahrzeugen die Akkumulatorzellen noch offen platziert waren, baute man bei den ersten Elektroautos (ab 1888) die Antriebsbatterie schon in spezielle Gehäuse bzw. verkleidete sie. Die Accumulatoren-Fabrik Tudorschen Systems Büsche & Müller OHG (heute bekannt als Varta AG) stellte 1888 als erstes Unternehmen in Deutschland Bleiakkumulatoren industriell her. Im Eisenbahnbereich wurde der Wittfeld-Akkumulatortriebwagen mit diesen Akkus betrieben. Um 1900 erfolgten erfolgreiche Versuche, um Binnenschiffe mit Einsatz von Akkumulatoren elektrisch anzutreiben. Als Ergebnis hat die Watt-Akkumulatoren-Werke A. G. als Nachfolgegesellschaft einer Studiengesellschaft die Ziegel-Transport-Aktiengesellschaft (ZTG) in Zehdenick gegründet. Die E-Motoren von über 100 Binnenschiffen wurden von Akkumulatoren gespeist und versorgten Berlin mit Ziegelsteinen., aufgerufen am 29. Oktober 2017. Vor dem Hintergrund heutiger Bestrebungen interessant ist dabei, dass die Akkus dieser Schiffe mit Strom aus Wasserkraft der Havel geladen wurden.
mini|Plan von Zehdenick mit Trockendock und Akkufabrik um 1900
Mit dem um 1900 entwickelten Nickel-Eisen-Akkumulator (NiFe, Thomas Edison) und dem von dem Schweden Waldemar Jungner entwickelten Nickel-Cadmium-Akkumulator (NiCd) standen alternative Zellchemien für Antriebsbatterien zur Verfügung. Der NiFe-Akku wurde nachweislich in verschiedenen Automobilen 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 Modell T auch als Elektrofahrzeug. Er hatte schon 150.000 Nickel-Eisen-Akkumulatoren bei Edison bestellt, als seine Abteilung für Elektromobile in Flammen aufging.
Die Erfindung des elektrischen Motoranlassers, durch den mithilfe einer Starterbatterie der Verbrennungsmotor ohne körperliche Anstrengung gestartet werden konnte, leitete den Niedergang der ersten Blütezeit der Elektroautomobile ein, in dessen Folge auch die Akkumulator- und Batterieentwicklung stagnierte. Bis zum Ende des 20. Jahrhunderts bildeten zyklenfeste Bleiakkumulatoren praktisch den Standard für Antriebsanwendungen. Dazu zählten unter anderem U-Boote, Akkutriebwagen, Industriefahrzeuge wie Gabelstapler und Lastkarren, aber auch elektrische Rollstühle. Französische Hersteller produzierten in den 1990er Jahren mehrere tausend straßenzugelassene Fahrzeuge mit Nickel-Cadmium-Akkumulatoren. Als 1990 durch die CARB-Gesetzgebung in Kalifornien die Kraftfahrzeughersteller gezwungen werden sollten, stufenweise emissionsfreie Fahrzeuge anzubieten, erhielt die Akkumulatorforschung wieder starke Impulse.
Während beispielsweise in den ersten Antriebsbatterien des General Motors EV1 noch die verfügbaren und preiswerten Bleiakkumulatoren zum Einsatz kamen (26 Blöcke mit einer Gesamtkapazität von 16,3 kWh und einer Nennspannung von 312 Volt)Elweb.info: Datenblatt des GM EV1, wurden in der zweiten Ausführung die von Stanford Ovshinsky serienreif entwickelten Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren eingesetztThe Economist, 6. März 2008: In search of the perfect battery, aufgerufen am 28. Juni 2012.. Die Antriebsbatterie 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-BatterieDer Spiegel, 13/1994: Triumph eines Tüftlers, aufgerufen am 28. Juni 2012. nie Serienreife erlangten, verhalf die für die „Mercedes-Benz A-Class electric“ weiterentwickelte Natrium-Nickelchlorid-Zelle (Zebra-Batterie) dem Fahrzeug nicht nur zu einer praktischen Reichweite von über 200 kmDaimler Pressestelle, Dezember 1997: The A-Class Electric Vehicle, Powered by the ZEBRA Battery System, PDF, aufgerufen am 18. Juni 2012., sondern auch zu Anwendungen beim Militär und in der Raumfahrt. Interessant ist bei diesem Fahrzeug auch die kompakte Blockanordnung, die die Montage der gesamten Antriebsbatterie 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, sodass Lithium-Ionen-Akkumulatoren erst im 21. Jahrhundert als Antriebsbatterien Bedeutung erlangten. Heute zählen die verschiedenen Varianten als Hoffnungsträger für deutliche Verbesserungen beim Leistungsgewicht und der Belastbarkeit.
Physikalisch-technische Eigenschaften mini|Zylindrische Zelle (18650) vor dem Zusammenbau. Einige Tausend davon bilden den Akku des Tesla Model S (siehe Gigafactory). mini|Batteriemodule im Heck eines Batteriebusses mini|Akkuzellen auf dem Dach eines Batteriebusses mini|Elektrolastkraftwagen e-Force One Im Vergleich zu Gerätebatterien bzw. Konsumerzellen besitzen die Zellen einer Antriebsbatterie 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-Antriebsbatterien durch spezielle Ausführung der Bleigitter und Separatoren bis zu 80 % tiefentladen 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. Höhere 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 Versorgungsspannung. Durch Vergrößerung der Baugröße der Zellen oder durch Parallelschaltung von Zellen kann die Speicherkapazität und Strombelastbarkeit erhöht werden. Das Produkt aus Spannung (V) und elektrischer Ladung/galvanischer Kapazität der Einzelzellen/parallel geschalteten Zellen (Ah) ergibt den Energiegehalt der Antriebsbatterie.
Anforderungen beim Einsatz in Fahrzeugen Die mobile Anwendung der Antriebsbatterien 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) und auch eine Kombination beider Methoden. Wie stark der Einfluss der Sicherheitsanforderungen bei Antriebsbatterien ist, kann am Beispiel des verzögerten Produktionsstarts des Opel Ampera nachvollzogen werden. Grund war die (erst mehrere Wochen) nach einem Crashtest in Brand geratene Antriebsbatterie des baugleichen Modells Chevrolet Volt.
Unterschiedliche Anforderungen bei vollelektrischen und Hybrid-Fahrzeugen