Wenn an dieser Stelle von Batterien gesprochen wird, sind Sekundärelemente d.h. wiederaufladbare Elemente gemeint. Mit der Batterie steht und fällt das ganze Elektroauto. Leider können Batterien nur sehr geringe Energiemengen bei hohem Gewicht und Volumen speichern.
Blei-Batterie | Nickel-Cadmium Batterien | Nickel-Hydrid-Batterie | Natrium-Schwefel-Batterie | Natrium Nickel Chlorid Batterie | Zink-Brom-Batterie
Unfallverhalten von Batterien | Arbeiten an Batteriesystem | Fahrzeugmanagement
Der Gewichtsunterschied ist so hoch, daß es sehr schwierig ist mit einem Elektrofahrzeug annehmbare Reichweiten zu erzielen. Böse Zungen behaupten das Elektrofahrzeug sei nur dazu da seine eigene Batterie zu bewegen.
Der Vorteil des Elektrofahrzeuges liegt im besseren Wirkungsgrad mit der die Energie weiterverarbeitet wird und im kontrolliertem Schadstoffausstoß im Kraftwerk.
Eine Batterie muß möglichst leicht sein und eine möglichst hohe Speicherkapazität haben.
Um zusätzlich eine hohe Zellenspannung zu bekommen wählt man Stoffe aus dem Periodensystem der Elemente die möglich weit auseinander liegen (rechts und links). Um ein niedriges Gewicht zu erhalten sollten die Stoffe im Periodensystem möglichst weit oben liegen. Diese Bedingungen erfüllt z.B. die Stoffkombination Natrium und Schwefel. Allerdings ist es nicht leicht diese optimalen Stoffpaarungen zu einer funktionierenden Batterie zu verarbeiten.
Um Batterien miteinander vergleichen zu können benutzt man folgende Einheiten.
Die Spannung einer Batterie setzt sich aus den Teilspannungen der in Reihe geschalteten Einzelzellen zusammen. Einige Batterietypen werden auch als Einzelzellen geliefert.
Die Spannung untergliedert sich in verschieden Spannungsangaben für eine Batterie:
Die Nennspannung gibt an, welchen Nennwert die Spannung der Batterie hat. Diese Spannung liegt aber meistens unter der Leerlaufspannung.
Die Leerlaufspannung ist die Spannung die an der Batterie ohne Belastung gemessen wird. Nach einer Ladung oder Entladung braucht die Leerlaufspannung einige Zeit um sich einzupendeln. Bei vielen Batterietypen läßt sich aufgrund der Leerlaufspannung der Ladezustand abschätzen.
Die Ladespannung untergliedert sich in:
Gasungspannung, Dauerladespannung und maximale Ladespannung.
Die Entladespannung gibt an bis zu welcher Spannung eine Batterie entladen werden kann ohne Schaden zu nehmen.
Diese Spannungsangabe ist oft mit einem bestimmten Entladestrom gekoppelt, z.B. bei 200 A Entladung 0,8 V/Z.
Die Kapazität ist die wichtigste Angabe bei einer Batterie.
Diese Angabe ist meistens von sehr vielen Faktoren abhängig.
Kapazität = Spannung * Strom * Zeit, wobei Spannung und Strom über die Zeit der Entladung nie konstant bleiben.
Die Kapazität unterscheidet sich ebenfalls in verschieden Kapazitätsangaben.
Die Nennkapazität gibt an wieviel Energie der Batterie bei einer definierten Entladedauer entnommen werden kann.
Gemessen wird in Kilowattstunden [kWh] mit einer Zeitangabe in Stunden C X, K X oder in Amperestunden [Ah] ebenfalls mit einer Zeitangabe in Stunden.
Bei vielen Batterien ist die entnehmbare Kapazität vom Entladestrom d.h. von der Entladedauer abhängig.
Z.B 8kWh C5 d.h. 8kWh entnehmbare Kapazität bei 5 Stunden Entladedauer. D.h. eine Entladeleistung von 1,6 kW.
Eine Entladedauer über 5 Stunden ist bei Elektrofahrzeugen sehr unrealistisch, da die meisten Fahrzeuge nach 1 bis 2 Stunden "leergefahren" sind. Deshalb setzt sich auch die Angabe C1 oder C2 immer mehr durch. D.h. Kapazität bezogen auf 1 oder 2 stündige Entladung.
Beispiel:
Solarbatterie 12 Volt 100 Ah C 100
D.h. 1Ampere Entladestrom über eine Dauer von 100 Stunden bis zu einer Entladeschlußspannung von üblicherweise 10,5 Volt bei einer 12 Volt Bleibatterie.
Oder die gleiche Batterie 80 Ah C5, d.h. 16 Ampere * 5 Stunden
oder 55 Ah C1 d.h. 55 Ampere * 1 Stunde.
Bei Solarbatterien wird üblicherweise die 100-stündige Kapazität angegeben, bei Autobatterien üblicherweise die 20-stündige Kapazität, bei Traktionsbatterien die 5-stündige Kapazität und bei USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgungen) wird die 1-stündige Kapazität angegeben.
Unter Haltbarkeit versteht man das Ergebnis eines Dauertestes unter Laborbedingungen, bei denen die Batterie genau festgelegten Lade/Entladezyklen unterworfen wird.
Die Lebensdauer ist von der Tiefe der Entladungen abhängig. Bei einer Entladung bis zur zulässigen Entladungsgrenze und anschließender Ladung spricht man von einem Vollzyklus.
Blei-Batterien z.B. dürfen nur bis 20 % Restkapazität entladen werden, während NC Batterien ab und zu tiefentladen werden müssen (je nach Typ)
Die Lebensdauer wird meistens in Vollzyklen angegeben.
Beispiel SAFT STM NC nach 2000 Zyklen mit 80% Entladung noch 80% Restkapazität.
Eine Lebensdauerangabe in Jahren ist nicht sinnvoll, da dabei nicht festgelegt ist wie, oft die Batterie zykliert wird. Eine solche Angabe kann nur eine Mindestlebensdauerangabe sein bei sehr wenigen Zyklen z.B. Standby Betrieb in Notstromversorgungen.
Manchmal wird die Lebensdauer auch als Energiedurchsatz in kWh angegeben die der Batterie über der Lebensdauer entnommen werden können, bei maximaler Entladung.
Berechnung:
Kapazität * %Entladetiefe * Zyklen = entnehmbare Gesamtkapazität
Der Ladewirkungsgrad gibt an wieviel Prozent Energie geladen werden muß, um 100 % Energie wieder zu entladen, z.B. 1,4 = 140% Ladung, 100 % Entladung. Besonders bei Batterietypen die stark Gasen oder am Ende der Ladung Wärme freisetzen ist dieser Faktor besonders hoch und damit ungünstig. Die heißen Batterien sind ein Sonderfall, da sie ständig Verlustwärme haben.
Die Energiedichte in Wh/l (Energievolumen) gibt den Energieinhalt pro Volumen an und die Energiedichte in Wh/kg (Energiegewicht) gibt den Energieinhalt pro Gewicht an. Beide Werte sollten möglichst hoch sein.
Die Leistungsdichte gibt die entnehmbare Leistung pro Gewicht (Leistungsgewicht) bzw. pro Volumen (Leistungsvolumen) an. Dies ist eine sehr wichtige Größe, da dadurch das Beschleunigungsvermögen des Fahrzeuges festliegt. Einige der neueren Batterietypen haben zwar eine sehr gute Energiedichte aber nur eine sehr mäßige Leistungsdichte.
Die Betriebstemperatur gibt an bei welcher Umgebungstemperatur die Batterie betrieben wird (bei nicht isolierten System). Viele Batteriesysteme verlieren stark an Kapazität bei tiefen Temperaturen. So kann z.B. eine Angabe lauten 60 % Kapazität bei 0°C.
Bei heißen Batterien ist die Temperatur im inneren der Batterie gemeint z.B. 300°C. Diese Temperatur ist unabhängig von der Außentemperatur, da sie getrennt geregelt wird. Wenn das Heiz- und Kühlsystem dieser heißen Batterien ausreicht ist die Umgebungstemperatur beliebig.
Die Blei-Batterie ist der am häufigsten verwendete Batterietyp überhaupt. Er findet seinen Einsatz als Starterbatterie in Verbrennungskraftfahrzeugen, als Traktionsbatterie in Flurförder- und Elektrofahrzeugen, sowie als Energiespeicher bei unterbrechungsfreien Stromversorgungen. Trotz millionenfacher Anwendung ist dieser Batteriertyp noch nicht ausentwickelt. Größere Leistungssteigerungen sind allerdings nicht zu erwarten.
Dieser Batterietyp ist Stand 1998 noch der gebräuchlichste Batterietyp bei Elektrofahrzeugen. Er ist in der Anschaffung der billigste, pro Kilometer aber relativ teuer.
Es gibt diesen Batterietyp in vielen verschiedenen Ausführungen, die sich meist durch die Plattenoberfläche-, zusammensetzung und durch die Isolation unterscheiden. Für Verbrennungsfahrzeuge gibt es Starterbatterien, die einen niedrigen Innenwiderstand und damit gute Hochstromfestigkeit haben. Diese Batterien sind aber meistens nicht zyklenfest.
Traktionsbatterien sind zudem noch zyklenfest und damit um den Faktor 2- 4 teurer. Vor allem für Flurförderfahrzeuge gibt es sehr robuste und schwere Traktionsbatterien.
Röhrchenplattenbatterien sind besonders zyklenfest, haben aber einen relativ hohen Innenwiderstand und damit bei hohen Strömen einen schlechten Wirkungsgrad.
Solarbatterien sind eine Sonderbauform der Blei-Säure-Batterie die besonders auf gute Zyklierbarkeit und niedrige Selbstentladung ausgelegt sind und nicht für Hochstromladung und Entladung geeignet sind.
Bei Blei-Gel-Batterien ist der Elektrolyt als Gel vorhanden. Dadurch arbeitet dieser Batterietyp lageunabhängig und wartungsfrei. Die Ladeschlußspannung dieser Batterie muß unter der Gasungsspannung liegen. Blei-Gel-Batterien sind geschlossen, sie haben lediglich ein Sicherheitsventil, das bei zu hohem Innendruck Aufgrund von zu hoher Ladespannung öffnet, damit entweicht der Elektrolyt und die Batterie ist zerstört.
Vorteile der Blei-Gel-Batterie sind die höhere Lebensdauer, eine bessere Energieeffizienz durch weniger Spannungshub, sowie bessere Entladbarkeit bei Kälte und Wartungsfreiheit. Dieser Blei Batterietyp ist damit der am besten geeignete Blei Batterietyp. Ein typischer Vertreter dieses Batterietyps sind Batterien Typ Sonnenschein dryfit A 500C.
Blei-Flies-Batterien sind eine Sonderbauform der Blei-Batterie und momentan relativ selten. Bei diesem Typ ist der Elektrolyt (Schwefelsäure) in einem Flies gebunden.
Vorteile:
Die Batterie ist tiefentladbarkeit, hohe Lebensdauer, gute Kapazität auch bei niedrigen Temperaturen. Ein Typischer Vertreter dieses Batterietyps ist die Absolyte Batterie Typ 5000 oder 9000.
Eine Sonderbauform der Blei-Flies Batterie sind die Batterien der Firma www.optimabatteries.com hier sind die Bleiplatten gewickelt, ähnlich wie bei einem MP Kondensator. Durch die große Oberfläche haben die Batterien einen sehr niedrigen Innenwiderstand.
Um eine höhere Gesamtspannung zu erreichen, lassen sich Blei-Säure-Batterien einfach in Reihe schalten. Kapazitätsdifferenzen der einzelnen Zellen korrigieren sich beim Laden automatisch. Zellen, die bereits geladen sind, erhöhen ihre Spannung bei weiterem Laden kaum noch. Es wird lediglich Knallgas freigesetzt und die Zelle hat damit einen erhöhten Wasserverbrauch. Somit ist sichergestellt, daß alle Zellen immer die gleiche Spannung haben. Kleinere "Sünden" wie der Teilspannungsabgriff für Minimalverbraucher verzeiht dieses Batteriesystem, sie sind aber trotzdem nicht zu empfehlen.
Bei Blei-Gel-Batterien ist die Reihenschaltung problematischer als bei Blei-Säure-Batterien. Dieser Batterietyp kommt nicht oder nur bedingt in die Gasungsphase. Dadurch ist der automatische Ausgleich nicht gewährleistet. Da Batterien ab Werk nie genau die gleiche Kapazität haben, sind die "kleinen" Kapazitäten beim Laden zuerst voll und werden leicht überladen. Vor allem bei der Reihenschaltung sehr vieler Zellen ist dies sehr leicht möglich. Durch die Überladung öffnet meist das Sicherheitsventil der betreffenden Zelle und Elektrolyt tritt aus. Damit verliert diese Zelle zusätzlich an Kapazität und dieser Prozeß schaukelt sich immer weiter auf. Auch Ausgleichsladungen können dies nicht aufhalten. Teilspannungsabgriffe sind bei diesem Batteriesystem auf keinen Fall möglich. Eine Lösung dieses Problems bietet ein System, bei dem ein Energiespeicher (Kondensator) mehrmals pro Sekunde von Zelle zu Zelle weitergereicht wird. Dieser Kondensator gleicht Spannungs- und damit Kapazitätsunterschiede zwischen den Zellen aus. Alternativ gibt es andere Systeme die durch Lastwiderstände die hohen Batteriespannungen "abfackeln", bzw durch kleine Bordnetzwandler die schwächste Batterie nachladen. Die Energie wird dabei aus der Reihenschaltung aller Batterien entnommen.
Das Temperaturverhalten der Blei Batterie ist relativ schlecht, d.h. die Batterie verliert bei tiefen Temperaturen sehr stark an Leistung und entnehmbarem Energieinhalt. Um dies zu kompensieren muß man die Batterien isolieren und gegebenfalls beheizen. Durch zyklischen Betrieb der Batterie bei Vielfahrern erwärmt sich die Batterie durch Spannungsfall am Innenwiderstand, so daß oft eine Isolierung der Batterien genügt. Bei weniger oft benutzten Fahrzeugen ist eine Beheizung, der Batterien, für den Winterbetrieb unerläßlich. Man eine Heizleistung von 10 - 50 Watt / kWh Batteriekapazität. Wichtig ist dabei die Batterietemperatur zu regeln. Die Batterie sollte eine Maximaltemperatur von 40°C nicht überschreiten, da ab dieser Temperatur die Selbstentladung stark ansteigt. Optimal sind Temperaturen um 20 - 25°C. Leider verbrauchen diese Batterieheizungen oft erhebliche Energien und verschlechtern dabei sehr stark den Gesamtwirkungsgrad. Es ist nicht sinnvoll diese Heizung aus der Batterie selbst zu versorgen. Bei normaler Nutzung des Fahrzeuges reicht es aus die Batterieheizung beim Laden der Batterien zu Aktivieren. Die Wärmekapazität der Batteriemasse reicht aus um die Wärme einige Stunden zu speichern. Realisieren läßt sich eine Batterieheizung mit Heizfolien oder Heizleitungen. Heizfolien gibt es für verschiedene Anwendungen, erhältlich sind sie z.B. im Elektronikversandhandel. Heizleitungen gibt es ebenfalls in verschiedenen Anwendungen. Damit die Heizleitung und die Batterie mechanisch nicht beschädigt werden, sollte die Heizleitung in eine Isolierplatte eingelegt werden. Wichtig bei der Isolierung ist, dabei nicht brennbares oder schwer entflammbares Material zu benutzen! Bei der Isolierung ist darauf zu achten, daß die Entgasung der Batterie nicht beeinträchtigt wird, d.h. Der Entgasungsschlauch muß durch die Isolierung ins Freie geführt werden!
Bei der Ladung einer Blei-Batterie wird dem Elektrolyten Wasser entzogen und konzentrierte Schwefelsäure gebildet. Die gegenüber Wasser schwere Säure sinkt in den unteren Zellenbereich ab und ruft eine Elektrolytenschichtung hervor. Diese Schichtung wird wieder aufgehoben, wenn in der Nachladephase durch Gasung die Säure durchmischt wird. Hieraus resultieren Energieverbrauch, Zeitverlust, Temperaturerhöhung und Wasserverbrauch. Um diese Gasungsphase zur Säuredurchmischung einzusparen gibt es mehrere Möglichkeiten.
Bei der Elektrolytumwälzung wird der Elektrolyt jeder einzelnen Zelle separat innnerhalb jeder Zelle umgepumpt. Durch die Säurebewegung ist eine gute Säuredurchmischung gegeben. Durch die Einsparung der Gasungsphase reduziert sich der Ladefaktor. Diese Technik ist allerdings sehr aufwendig da viele einzelne Systeme benötigt werden.
Beim Trak-air-System wird der Elektrolyt durch aufsteigende Luftbläschen in Bewegung gebracht, ähnlich einem Luftstein in einem Aquarium. Diese Elektrolyumwälzung geschieht bereits während der Hauptladephase, so daß die komplette Nachladephase (Gasungsphase) entfallen kann. Durch diesen Wegfall verbessert sich der Ladefaktor von 1,2 auf 1,05 so daß hier niedrigere Energiekosten entstehen. Dieses System ist vom Aufbau recht einfach, da mit einer Luftpumpe für eine ganze Batterie gearbeitet werden kann.
Die Lebensdauer von Blei-Batterien ist je nach Ausführung und Behandlung der Batterie recht unterschiedlich.
Batterien für hohe Entladeströme (Starterbatterien) haben sehr dicht gepackte Platten um einen niedrigen Innenwiderstand zu bekommen. Dadurch ist die Selbstentladung relativ hoch, und die Batterie muß oft in die Gasungsphase gebracht werden, um die Säure zwischen den Platten gut durchzumischen.
Batterien für Solaranwendungen haben relativ große Plattenabstände und damit eine niedrigere Selbstentladung, aber auch einen höheren Innenwiderstand.
Bei zu wenig Gasung der Batterien tritt eine Säureschichtung ein und der Elektrolyt zwischen den Platten wird nicht richtig durchmischt, bei zuviel Gasung quellen die Platten auf.
Alle Werte sind ca. Werte die sehr stark von der Behandlung der Batterie abhängen. Bei Bleibatterien ist ein Zyklus eine Entladung bis zu 20 % Restkapazität.
Vorteile der Blei-Batterie:
Nachteile der Blei Batterie:
Da die Lebensdauer von Blei-Batterien bei Elektrostraßenfahrzeugen erfahrungsgemäß bei etwa 10.000 km (unter optimalen Bedingungen 20.000 km) liegt, sollte sie für zukünftige Elektrostraßenfahrzeuge ausscheiden. Durch diese kurze Lebensdauer ist die Bleibatterie eine relativ unbefriedigende Lösung.
Nickel-Cadmium-Batterien zählen zu den langlebigsten Batterien die auf dem Markt erhältlich sind. Sie werden dort eingesetzt wo sehr viel Zyklen benötigt werden, z.B. bei im Bergwerk bei Grubenlampen, Bergwerklokomotiven, Flugzeugstarterakkus, Modellbau, Unter-haltungselektronik usw..
Neuere Elektrofahrzeuge kommen jetzt schon ab Werk mit Nickel-Cadmium Batterien auf den Markt, da diese Batterien in der Anschaffung zwar sehr teuer sind, aber der Kilometerpreis niedriger liegt als bei Blei-Batterien. Zudem ist die Energiedichte von Nickel Cadmium Batterien höher, so daß höhere Reichweiten erzielt werden.
Da dieser Batterietyp sehr teuer ist, kann man die Batterie bei einigen Fahrzeugen auch leasen.
Offene Typen gibt es schon seit langer Zeit in vielen Größen. Bei Verwendung in Elektrostraßenfahrzeugen ist ein automatischer Wassernachfüllsystem unerläßlich, da der Wasserverbrauch dieser Batterietypen bei mehreren Litern pro Woche liegen kann. Sonst ist dieser Batterietyp ziemlich unverwüstlich.
Geschlossene Ausführungen waren bei NC Akkus bisher nur als Kleinakku erhältlich (Mignon Zellen o. ä.) Um das Elektrofahrzeug wartungsfrei zu machen wurde bei Daho (Daug-Hoppecke) ein geschlossener NC Akku mit Faserstruktur entwickelt. Dieses System nennt sich "recom" und basiert auf einer neuartigen Anordnung der Elektroden, außerdem herrscht im Inneren der Zelle ständig Unterdruck. "Daho" gibt es so nicht merh, die Rechte an der Batterie sind soviel ich weiß bei Daimler Chrysler. Von Hoppecke ist dieser Typ heute nicht merh erhältlich.
Zwischen den halbierten negativen Platten befinden sich massefreie Rekombinationsgerüste, an denen während der Ladung enstehender Sauerstoff mit hoher Geschwindigkeit reduziert wird.
Um die Aktive Fläche der Zellen zu vergrößern gibt es verschiedene Verfahren. Ein Verfahren ist, auf eine Kunststoffaserstruktur die aktive Masse aufzubringen. Eine andere ist, die Faserstruktur selbst aus der aktiven Masse herzustellen.
Diese Faserstruktur Typen gibt es als offene oder geschlossene Typen z.B. von Hoppecke (FNC)
NC Batterien sind zwar schnelladefähig aber auch hier besteht die Gefahr des Kristallwachstumes. Diese Kristalle können den Separator durchdringen und die Zelle zerstören. Nach Möglichkeit sollten die Zellen mit einer IoIa* Kennlinie geladen werden. Kleinere NC Akkus werden mit Pulsströmen mit bis zu 10 * I geladen, d.h mit einem 10 mal höherem Strom als die Nennkapazität ist. Als Ladespannungen werden oft 1,5 bis 1,6 Volt angegeben. Im Traktionsbetrieb sollte man etwas höher gehen, kurzzeitig bis 1,7 V /Z (bei offenen Typen).
*Jen ach Typ werden sehr spezielle Ladeverfahren vorgeschrieben.
Nickel-Cadmium-Batterien haben den besonderen Effekt, daß sie Kapazität "vergessen" falls diese lange nicht gefordert wird. D.h. die entnehmbare Kapazität wird kleiner, falls diese lange nicht entnommen wird. Bei reduzierter Kapazität kann diese teilweise wieder "antrainiert" werden durch zyklisches Laden und Entladen der Batterie. Kleinakkuladegeräte entleeren den Akku erst vollständig vor erneuter Ladung. Bei einem Fahrzeug ist dies nicht so einfach möglich und es bleibt abzuwarten wie stark sich dieser Effekt bemerkbar macht.
Nickel-Cadmium-Batterien haben bei der Entladung den besonderen Effekt, daß sie lange Zeit sehr Spannungsstabil bleiben und dann relativ abrupt in der Spannung abfallen. Bei der Reihenschaltung ist auf diesen Effekt besonders zu achten. Für die Reihenschaltung müssen Zellen mit möglichst gleicher Kapazität verwendet werden! Bei der Reihenschaltung kann es sonst passieren, daß eine Zelle bereits leer ist und ihre Spannung gegen 0V geht. Wird dies weiter nicht bemerkt, so kann sich diese Zelle umpolen. Ein Umpolen der Zelle hat ein starkes Kristallwachstum zur Folge. Diese Kristalle können mechanisch den Separator durchdringen und damit einen internen Kurzschluß auslösen, womit die Zelle defekt ist. Beim Wiederaufladen der umgepolten Zelle braucht man mehr Energie als bei der normalen Ladung, d.h. bei der Ladung in Reihe mit den anderen Zellen des Stranges wird diese Zelle nicht ganz geladen und ist damit bei der nächsten Entladung wieder "umpolgefährdet". Abhilfe bringt ein getrenntes Aufladen der geschädigten Zelle. Damit Umpolungen nicht passieren sollten die Zellen möglichst Kapazitätsgleich sein. Falls dies nicht der Fall ist, muß die schwächste Zelle überwacht werden und ggf. der Strang abgeschaltet werden. Abhilfe bringt auch ein Ausgleichssystem wie es im Kapitel Reihenschaltungen von Blei-Batterien beschrieben ist.
Die Vorteile der Nickel Cadmium Batterie sind:
Nachteile der Nickel Cadmium Batterie:
Nickel-Cadmium-Batterien sind eine kurzfristige Alternative für heute zu bauende Fahrzeuge, solange die Hochenergiebatterien noch nicht zur Verfügung stehen.
Saft STM 1.60
Zelle Typ STM 1,60
Nennspannung 1,2 V
Ladespannung 1,5-1,65 V
Entladespannung 1,0 V
Nennkapazität C5 61 Ah
Maße (l * b * h) 85 * 45,5 *278 mm³
Gewicht 2,0 kgElektroden gesinterte positive und kunststoffgebondete negative Elektrode
Elektrolyt Reserve 96 cm³ Max Level 30 mm Min Level 5 mm über Platten
Leistungsdichte C5 56 Wh/kg
Leistungsdichte C1 52 Wh/kg
Leistungsvolumen 95 Wh/l
Spez.Leistung 210 W/kg
Temperaturbereich -20°C - +40°C
Lebensdauer 2000 Zyklen (Garantie 80 % Restkapazität nach 2000 Zyklen mit 80 % Entladung)
Option Wassernachfüllsystem
Hoppecke FNC recom (nicht mehr lieferbar)
Typ FNC H 70
Nennspannung 1,2 V
Entladespannung 1,0 V
Nennkapazität C5 75 Ah
Maße (l * b * h) 115 * 46 *170 mm³
Volumen 0,9 l
Gewicht 1,9 kg
Gasdichtes Zellensystem
Einbaulage: Beliebig
Mit steigendem Umweltbewußtsein paßt sich auch die Industrie diesem Trend an und entwickelt umweltfreundlichere Akkus. Nickel Hydrid Akkus werden bis in wenigen Jahren Nickel Cadmium Akkus ersetzen. Die Nickel Hydrid Batterie ist relativ neu auf dem Markt und momentan (1996) nur als Klein Akku (Mignon Zelle) erhältlich. Größere Einheiten werden aber momentan für Sonderanwendungen hergestellt und getestet.
Vorteile:
Nachteile:
Nickel-Hydrid-Akkus würden die Reichweiten der Fahrzeuge gegenüber Nickel-Cadmium-Fahrzeuge noch weiter verbessern. Auch dieser Batterietyp hat keine Standverluste wie die heißen Batterien NaS und NaNiCl.
Die Natrium/Schwefel-Batterie unterscheidet sich wesentlich von den bekannten Batterien: sie hat als Elektrolyten einen Festkörper, die Reaktanden sind flüssig und ihre Betriebstemperatur liegt bei etwa 300°C. Die Reaktanden Natrium und Schwefel, die beide in geschlossenen Gefäßen flüssig vorliegen, sind durch einen keramischen Elektrolyten voneinander getrennt, der Natriumionen leitet und für Elektronen ein Isolator ist. Diese Eigenschaft hat z. B. ein Werkstoff, der aus Aluminiumoxid, Natriumoxid und Magnesiumoxid besteht. Dem beim Entladen durch den äußeren Lastwiderstand fließenden Elektronenstrom entspricht ein durch den Elektrolyten fließender Natriumionenstrom von der Natriumseite zur Schwefelseite, wo Natriumpolysulfid entsteht. Im Vergleich hierzu hat man es bei der Blei-Säure-Batterie mit festen Reaktionspartnern (Blei, Bleioxid) und einem flüssigen Elektrolysten (verdünnte Schwefelsäure) zu tun. Die der chemischen Reaktion der Natrium/Schwefel-Zelle zugeordnete Ruhespannung beträgt je nach Ladezustand 2,08 V bis 1,78 V. Die Ruhespannung ist bis zu einer Zusammensetzung des Kathodenmaterials von Na2S3 als 100 %ige Entladung bezeichnet. Dies entspricht einer theoretischen Energiedichte von 760 Wh/kg. Aus dem Phasendiagramm von Natrium und Schwefel sieht man, daß eine weitere Entladung möglich ist, jedoch steigt mit zunehmendem Natriumgehalt die Schmelztemperatur rasch an, was eine Anhegung der Betriebstemperatur zur Folge hätte.
Beim Laden und Entladen der Zelle mit konstantem Strom ändert sich die Spannung , d. h. sie verschiebt sich parallel zur Ruhespannung, was bedeutet, daß der Innenwiderstand der Zelle nahezu unabhängig vom Ladezustand ist. Am Ende der Ladung wird die Zelle hochohmig, da dann der nichtleitende Schwefel einen Ladungstransport nicht mehr zuläßt. Dieses starke Ansteigen der Ladespannung ist auch ein einfaches Kriterium für das Beenden des Ladevorgangs.
Im Gegensatz zu anderen Batterien wird bei weiterem Anliegen einer Ladespannung kein Reaktand zersetzt, was z. B. bei der Blei-Säure-Batterie zur Knallgas-Bildung führt. Das bedeutet auch, daß die Natrium/Schwefel-Zelle einen 100 %igen Ladungswirkungsgrad besitzt.
Reale Natrium/Schwefel-Zellen sind zylindrisch aufgebaut. Als zusätzlcihe Elemente enthält eine solche technische Zelle einen Kohlefilz im Schwefelraum, der die Ableitung der Elektronen zum Gehäuse durch den elektrisch isolierenden Schwefel ermöglicht. In den Natriumraum ist eine Elektrode eingebracht, die auc bei sinkendem Natriumpegel den unverminderten Stromtransport ermöglicht. Sie liegt sehr dicht am Elektrolytrohr an, wodruch die gesamte Elektrolytinnenfläche wegen der Kapillarkraft mit Natrium benetzt wird. Andererseits kommt dadurch bei einem gewaltsamen Bruch des Elektrolyten nur wenig Natrium in direkten Kontakt mit dem Schwefel, so daß die exotherme Reaktion nur zu einergeringen Temperaturerhöhung führt. Der Stromabnehmer übernimmt damit gleichzeitig eine Sicherheitsfunktion. Eine Zelle mit der Kapazität von 45 Ah hat einen Durchmesser von 35 mm und eine Länge von 230 mm. Ihr Innenwiderstand liegt bei 7 mOhm.
Im folgenden ist eine Batterie beschrieben und ihre potentiellen Leistungsdaten angegeben.
Diese Batterie wurde von ABB vom Markt genommen - die Entwicklung wird bei ABB nicht weiter verfolgt.
In einem Batteriegehäuse mit einem Volumen von 248 dm³ lassen sich 348 Zellen unterbringen. Das Gehäuse ist als Wärmedämmung ausgebildet. Der Kasten enthält neben den elektrisch isolierenden Zellenhalterungen die Kühlkanäle zwischen den Zellen und die Einrichtungen zum Heizen bzw. Warmhalten der Batterie. Die Öffnungen im Frontbereich des Batteriekastens sind im oberen Teil links und in der Mitte für die Stromdurchführungen und rechts für die Anschlüsse von Batterieheizung und Temperaturfühler vorgesehen. Durch die unteren Öffnungen tritt links und rechts Kühlluft ein und in der Mitte wieder aus. Der Flansch im Zentrum der Frontplatte wird zum Evakuieren der Wärmedämmung während der Fertigung benötigt. Am Gesamtgewicht von 265 kg haben die Zellen einen Anteil von 55 %.
Durch elektrische Verbindung der Zellen in vier parallelen Strängen mit je 96 Zellen erhält die Batterie eine Leerlaufspannung von 200 V bis 170 V. Der Innenwiderstand beträgt in diesem Fall 168 mOhm, die Kapazität 180 Ah. Der Spannungsfall bei Belastung ergibt sich aus dem Produkt von Inndenwiderstand und Batteriestrom, wobei der Innenwiderstand sowohl beim Laden als auch beim Entladen für alle Entladungsgrade konstant bleibt.
Bei einer vollständigen Entladung in zwei Stunden beträgt der Energieinhalt 32 kWh. Dem entspricht eine Energiedichte von rund 120 Wh/kg. Der dazugehörige Entladewirkungsgrad ist 92 %. Wegen des Ladefaktors 1 ist der Ladewirkungsgrad bei zweistündiger Ladung fast gleich groß, nämlich ca. 91 %. Bei zehnstündiger Ladung, was für einen Elektroautospeicher typisch ist, beträgt der Ladewirkungsgrad 98 %. Eine vollständige Entladung mit konstanter Leistung ohne Unterbrechung ist in minimal einer Stunde möglich, eine Entladung zu 80 % in weniger als einer Dreiviertelstunde. Diese Dauergrenzlast ist durch die Bemessung des Kühlsystems der Batterie bestimmt. Es benötigt aufgrund der hohen Betriebstemperatur einen Kühlluftstrom von nur 1 m³/min.
Für wenige Minuten ist die Batterie bis zu zwei Drittel der Leerlaufspannung belastbar. Dies entspricht einer Leistung von etwa 50 kW bzw. 188 W/kg.
Der nicht durch Kühlung abgeführte Teil der Jouleschen Wärmeverluste wird in der Erwärmung der Zellen gespeichert und deckt die Wärmeverluste bis zu 30 h. Während längerer Stillstandszeiten ist jedoch eine Zusatzheizung erforderlich. Die dafür notwendige Energie kann entweder dem elektrischen Versorgungsnetzt (z. B. bei Wartezeiten an der Steckdose) oder der Batterie selbst entnommen werden. Die Verlustleistung der Batterie beträgt aufgrund der guten Wärmedämmung nur 80 W, so daß sie sich mit einer vollen Ladung 16 Tage lang selbst warmhalten kann. Die gegen Atmosphärendruck stabile Wakuumwärmedämmung hat eine Wärmeleitfähigkeit von nur 0,0025 W/mK, die damit etwa 20mal geringer als die der weit verbreiteten Mineralwollisolation ist.
Um die Batterie ständig betriebsbereit zu halten, sollte ihre Temperatur nicht unter den minimalen Betriebswert absinken. Das Aufheizen der Batterie aus dem kalten Zustand dauert etwa 4 h bis 10 h und ist mit dem eingebauten Heizleiter oder einem Heißluftgebläse möglich. Mehr als insgesamt 30 Temperaturwechsel sollten jedoch vermieden werden.
Dem Nachteil des Wärmeverlusts, der aus der erhöhten Betriebstemperatur folgt, steht der Vorteil gegenüber, daß diese Batterie unabhängig von der Außenlufttemperatur arbeitet. Es ist gleichgültig, ob sie in einer Umgebung von
- 50°C oder bei 80°C betrieben wird.
Die einzige erforderliche "Wartung" ist das Warmhalten der Batterie, was vollautomatisch eine Regeleinrichtung übernimmt. Das Nachfüllen von Wasser, wie bei konventionellen Batterien, entfällt systembedingt. Diese und die zuvor beschriebenen Eigenschaften der hohen Energie- und Leistungsdichte sowie die hohen Lade- und Entladewirkungsgrade bieten für die Anwendung im Elektroauto günstige Voraussetzungen.1
Technische Daten Entwicklungsbatterie B15:
Batterietyp B15 Entwicklungsbatterie
Maße (l*b*h) 733 *318 * 320 mm³
Gewicht 98 kg
Thermische Verlustleistung ca. 80 W
Energie (5h) 10 kWh
Energiedichte (5h) 134 Wh/l
Energiedichte (5h) 102 Wh/kg
Nennspannung 72 V
Leerlaufspannung (geladen) 74,9 V
Minimale Leerlaufspannung 64,1 V
Parallele Stränge 4
Innenwiderstand (310° C) 90 m Ohm
Kapazität 140 Ah
Spitzenstrom (<3 min.) 200 A
Dauerentladestrom* 150 A
Dauerladestrom 70 A
Anschlußseite oben, lokal 27 mm zusätzliche Höhe
* bis zur thermischen Begrenzung
Die Daten gelten nur in Verbindung mit der Batter-Management-Einheit BM1
Mit dem Horlacher Sport wurde ein Langstrecken-Weltrekord mit 527 km aufgestellt. Dieses Fahrzeug war mit zwei ABB B15-Batterien sowie einer Brusa-Antriebskonzeption ausgestattet.
Die Natrium Nickel Chlorid Zelle ist vom Aufbau ähnlich der NaS Zelle. Sie ist ebenfalls eine Hochenergiebatterie mit einer Arbeitstemperatur von 300°C.
Technische Daten:
Zellen:
Zellenspannung 2,58 V
Zellenform Quadratisch
Coulombscher Wirkungsgrad 100 %
Energetischer Wirkungsgrad 85 - 90 % (bei 10 h Laden und 2-3 h entladen)
Lebensdauer 1000 Zyklen
Ladung: 50 % in 45 min, 100 % in 4,5h
Ladekennlinie IU
Überladung und Überentladung begrenzt möglich
Batterie:
Maße Entwicklungstyp 1430 * 515 *360 mm³
Kapazität 30 kWh
Betriebstemperatur 250 - 350 °C
Verluste 100 W +/- 50 W
Aufheizzeit 24 h
Überwachung durch Batteriemanagement
Entwicklungsstand: Entwicklungs und Laborphase bei AEG beendet; Pilotfertigung ab Ende 1993... Nach dem Daimler Chrysler das Batterieauto scheinbar abgeschrieben hat ist die Entwicklung dieser Batterie teilweise in England und teilweise in der Schweiz?
Vorteile:
Nachteile:
Die Zink-Brom-Batterie ( ein altes Konzept) wurde erst wieder aufgegriffen und als Lizenz von Exxon von einer internationalen Kooperation von voneinander unabhängigen Firmen darunter auch SEA weiterentwickelt. (Quelle Fa. Zipperling)
Dieser Batterietyp ist momentan noch in der Entwicklung....seit einigen Jahren hört man nichts mehr von diesem Batterietyp (Stand 9/1999)
Während des Ladens wird ein Zinkfilm an der Kathode abgeschieden. Brom wird an der Anode erzeugt, mittels des Komplexes in Form einer organischen Phase aus dem Zellenpaket ausgetragen und im Reservoir als Sumpf gespeichert. Zur Beschleunigung der Brom-Reaktion an der Anode ist eine spezielle Aktivierung der Elektrodenoberfläche notwendig.
Während des Entladens wird eine Emulsion aus bromreicher und wässriger Phase durch das Zellenpaket gepumpt, um elektrochemisch an den Elektroden zu reagieren. Der zwischen den Elektroden positionierte Separator verhindert den direkten Zutritt von Brom zu Zink und reduziert die Selbstentladung auf ein Minimum.
Das Zellenpaket bestimmt durch die aktive Elektrodenoberfläche und durch die Zellenzahl die Spannung (1.76 V/Zelle). Die bipolare Zellenanordnung erfordert pro Zellenpaket nur zwei Kollektoren.
Jede Zink-Brom-Batterie nach dem S.E.A.-Design enthält als Bestandteil des Zellenpaketes Hochleistungs-Wärmetauscher für die Temperaturregelung.
Die Reservoirs inklusive des für die Elektrolytumwälzung notwendigen Rohr- und Pumpensystems können in Form und Aussehen weitgehend beliebig gewählt werden, als auch von den übrigen Komponenten getrennt angeordnet sein. Damit ist die Ausnutzung von Toträumen sowie die Beeinflussung der Schwerpunktlage durch die Batterie möglich.
Der Elektrolyt, der mehr als 60% des Batteriegewichtes ausmacht, ist im entladenen Zustand in beiden Reservoirs gleich. In mehr als 2000 Zyklen wurde nachgewiesen, daß durch den Batteriebetrieb keine Beeinflußung des Elektrolytes erfolgt.
Der modulare Aufbau der Zink-Brom-Batterie erlaubt die Anordnung der einzelnen Komponenten in vielfacher Weise und damit eine Anpassung der Batterieform in unterschiedliche Einsatzgegebenheiten
Batteriespannung nominal 48, 72, 96 V
Zellenspannung nominal 1,5 V
Leerlaufspannung 1,79 V
Entladespannung 1 V
Ah-Kapazität nominal 90 mAh/cm²=108 Ah/Elektrode
Coulumb`sche Effizienz 86 - 91 %
Voltaische Effizienz * 82 - 87 %
Energie-Effizienz brutto * 68 - 75 %
Energieeffizienz netto * 65 - 70 %
Energiedichte 65 - 70 Wh/kg
Volums.Energiedichte 60 - 70 Wh/l
Spezifische Leistung 100 - 120 W/kg
Betriebstemperatur 20° - 40°C
Batteriekapazitäten (kWh) 48V: 5 kWh, 10 kWh
72V: 15 kWh
96V: 10 kWh, 20 kWh
108V: 22,5kWh, 45 kWh
* bei dreistündiger Entladung
(Quelle SEA)
Vorteile
Nachteile
Brom ist relativ aggressiv gegenüber Kunststoffen. Da die Elektrode aber aus Kunststoff ist, ist dieses Teil momentan noch Problematisch. Es treten noch Probleme mit der Verstopfung der Elektrode auf.
Da SEA nur eine Entwicklungsgesellschaft ist, wird die Batterie voraussichtlich von der Firma ELIN in Österreich produziert. Im Frühjahr 1992 laufen verschiedene Verhandlungen zwischen SEA und Elektrofahrzeugherstellern. Da die Batterie individuell an das Fahrzeug angepaßt wird sind größere Stückzahlen nötig um die Batterie wirtschaftlich produzieren zu können.
Um beim Crash ein Auslaufen der Batterie zu verhindern, wird die Batterie in einen reißfesten Sack eingepackt. Beim TÜV München wurden verschieden Untersuchungen darüber gemacht.
Positive Erfahrungen wurden bei VW mit Blei-Gel-Batterien gemacht. Bei diesem Batterietyp ist der Elektrolyt gebunden und kann bei einem Unfall nicht auslaufen. Bei Blei-Säure-Batterien ist mit einem Auslaufen der Säure zu rechnen. Gefährlich ist der Kontakt mit der Säure besonders bei Verletzten mit offenen Wunden.
Das Schwermetall Cadmium ist nicht das Problem, da es als festes Teil vorliegt und wieder eingesammelt werden kann. Gefährlich ist hier ebenfalls der Elektrolyt, der die Insassen verletzen kann.
Über diesen Batterietyp liegen noch relativ wenig Erkenntnisse vor. Zwar hat z.B. der Behälter der ABB Batterie eine Druckfestigkeit von 15o kN, dies ist aber bei einem Unfall nicht viel, so daß auch hier mit einem Auslaufen der Batterie zu rechnen ist. Die hohen Temperaturen des Batterieinneren mit 300°C sollten natürlich den Insassen möglichst fern gehalten werden. Auch die Inhärante Sicherheit ist ein weiterer wichtiger Punkt.
Über diesen Batterietyp liegen ähnlich wenige Erkenntnisse wie über die NaS Batterie vor. Dieser Typ soll aber auf jeden Fall eine Inhärente Sicherheit besitzen.
Brom ist sehr giftig, es muß demanch unter allen Bedingungen verhindert werden, daß es ausläuft. Da eine ZnBr Batterie sehr aufwendig gebaut ist, mit sehr vielen Verbíndungsstellen, hat man vor die gesamte Batterie in einen reißfesten Sack einzupacken. Bei einem Unfall soll so ein Auslaufen verhindert werden.
Damit die Batterien im Falle eines Unfalls möglichst wenig Schaden anrichten, sollten die Batterieträger so konstruiert sein, daß die Batterie beim Crash unter das Fahrzeug rutscht und damit den Insassen nicht mehr gefährlich werden kann.
Bei Arbeiten an Batteriesystem ist höchste Vorsicht geboten. Anders als bei Arbeiten am Allgemeinen Stromnetz sind an Batterien nicht immer Sicherungen vorhanden die den Kurzschlußstrom begrenzen.
Besonders ist der Ein- und Ausbau von einzelnen Zellen oder Batterieblöcken gemeint. Das Hantieren mit Gabelschlüssel oder anderen metallischen Gegenständen kann sehr gefährlich werden, da Batterien im Kurzschlußfall Ströme von 1000 A und mehr abgeben können! Es kann passieren daß sich das Werkzeug mit dem der Kurzschluß ausgelöst wurde mit dem Batteriepol verschweißt und die Batterie Aufgrund des Kurzschlusses explodiert. Es ist nach Möglichkeit isoliertes Werkzeug zu verwenden. Auch metallische Uhrarmbänder können zum Verhängnis werden.
Bei der Aufteilung der Fahrzeugbatterie in mehrere Batterieblöcke innerhalb des Fahrzeuges sollten zwischen den Blöcken Sicherungen gesetzt werden um die Möglichkeiten eines unabgesicherten Kurzschlusses zu minimieren.
Batteriepole sollten keinen Drehmomenten ausgesetzt werden. Beim Anziehen der Batterieverbinder mit einem zweiten Schlüssel gegenhalten!
Das Chassis des Fahrzeuges sollte in jedem Fall von der Batterie getrennt sein, um so daß Risiko eines Kurzschlusses zu minimieren.
Bei Arbeiten am Hauptstromkreis muß die Batterie immer abgeklemmt werden.
Dies geschieht sehr vorsichtig. Die von der Fahrzeugelektrik kommenden Leitungen (plus und minus) nicht kurzschließen da in der Motorsteuerung und im Ladegerät große Kondensatoren sind, die sich erst langsam entladen müssen.
Beim Wiederanklemmen müssen diese Kondensatoren auch zuerst wieder aufgeladen werden.
Der Trend geht dazu eine Elektronikbox im Fahrzeug zu haben die gleichzeitig Motorsteuerung, Ladegerät, sämtlich Schütze Relais und Überwachungseinrichtungen enthält. Diese Komponenten werden dann in einem Gehäuse zusammen untergebracht. Da auch in der Richtung Motorsteuerung und Ladegerätre eine starke Miniaturisierung zu beobachten ist wird diese Gesamtelektronik bald nicht größer als ein Schuhkarton sein?