Für die Elektromobilität ist der Speicher für elektrische Energie von zentraler Bedeutung. Der Energiespeicher – auch Akkumulator genannt – muss wiederaufladbar sein, sollte geringe Lade- und Entladeverluste haben und über eine hohe Energiedichte verfügen. Auch wenn Akkumulatoren oft auch als Batterien bezeichnet werden, ist zu beachten, dass eine Batterie auch ein Speicher von elektrischer Energie ist, jedoch im Gegensatz zum Akkumulator nicht wiederaufladbar ist.
Technologie
Sind hohe Energiedichten nötig, wie etwa bei Transportfahrzeugen, so kommen vor allem Lithium-Ionen-Akkumulatoren zum Einsatz. Diese sind im Vergleich zu den Bleiakkumulatoren um den Faktor 10 leichter und ermöglichen ein schnelles Aufladen.
| Lithium-Ionen | Blei | |
| Nennspannung Zelle | 3,2 bis 3,7 V | 2 V |
| gravimetrische Energiedichte | 150 Wh/kg | 20 Wh/kg |
| Volllastzyklen | bis 10.000 | bis 2.000 |
| schnellladefähig | Ja | Nein |
| Effizienz (Laden/Entladen) | größer 90% | größer 80% |
| Einzelzellenregelung | erforderlich | nicht erforderlich |
| Temperierung | wünschenswert | nicht nötig |
Spannungsniveau
Ein Akkumulator für ein Fahrzeug besteht immer aus vielen Einzelzellen, die teils in Reihe, teils parallel verschaltet sind. Nur so lässt sich die gewünschte Spannung erreichen. Selbst die in jedem Auto verbaute Starterbatterie besteht aus sechs in Reihe geschalteten Blei-Zellen, um die Nennspannung im Bordnetz auf 12 Volt (V) zu heben. Für einfache Traktionsanwendungen und niedriger Leistung bis etwa 10 kW sind Spannungen von mindestens 48 V nötig. Bei diesem Spannungsniveau sind die nötigen Schutzanforderungen der spannungsführenden Komponenten zu überschaubaren Kosten realisierbar. Für Traktionsanforderungen in Autos oder in der Landwirtschaft sind in deutlich höhere Leistungen mit einem folglich höheren Spannungsniveau erforderlich.
Batterie-Management-System (BMS)
Die einzelnen Zellen dürfen weder überladen noch tiefentladen werden. Im Unterschied zu Blei-Akkus ist bei Lithium-Ionen-Akkus dafür die Überwachung jeder einzelnen Zelle notwendig (BMS). Das BMS erkennt, dass einzelne Zellen entweder beim Laden oder Entladen eine zu hohe oder zu niedrige Spannung erreichen und kann hierzu gegensteuern (Balancing). Nur so kann eine Überbeanspruchung der einzelnen Zellen vermieden werden.
Betriebstemperatur und Gehäuse
Akku-Zellen haben einen Temperaturbereich, in dem sie optimal arbeiten. Bei Kälte laufen die chemischen Prozesse langsamer ab, so dass sowohl die entnehmbare Energiemenge abnimmt, die Ladeleistung zurückgeht und dabei die Haltbarkeit der Zelle abnimmt.
Zu hohe Temperaturen beschleunigen ebenfalls den Alterungsprozess und schädigen die Zellen. Es ist zusätzlich zu berücksichtigen, dass die Verluste durch den Innenwiderstand der Zellen zu einer Erwärmung führen. Bei hohen Lade- oder Entladeleistungen kommt es damit unweigerlich zu einer Erwärmung des Akkupacks. Die Hersteller machen Angaben zum optimalen Betriebstemperaturbereich für die Zellen (z. B. von 10 °C bis 35 °C).
Während für viele Anwendungen wie z. B. den meisten Kleinwagen auf eine Temperierung und Kühlung verzichtet wird, ist bei leistungsstärkeren Fahrzeugen zumeist eine Konditionierung (Vorwärmung oder Kühlung) der Zellen vorhanden. Dadurch können die einzelnen Zellen höhere Dauerbelastungen bei geringer Alterung tolerieren.
Die einzelnen Zellen werden in einem Gehäuse zu einem Akkupack zusammengefasst. Die Ummantelung schützt das Innenleben vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, Staub oder auch mechanischer Belastung und verbindet die einzelnen Elemente elektrisch zuverlässig miteinander.
Bild 1: geöffnetes Gehäuse mit Akku und Batterie-Management-System (BMS)
Lebensdauer und Auslegung
Batterien unterliegen einer Alterung. Zumeist wird dabei die Zeit der Entladung, also des Betriebs, als wesentlich angesehen. Auch die kalendarische Alterung ist für die Akku-Hersteller ein Kriterium, das z. B. für stationäre Akku-Anwendungen von Bedeutung sein kann. Die Definition der Lebensdauer bezieht sich auf die Restkapazität. Hier ist je nach Hersteller ein Bereich von 75 bis 85 % üblich. Unterschreitet der Akku die Kapazität, so gilt er als defekt. Für mobile Anwendung wird die Lebensdauer oft in Volllade- oder Entladezyklen angeben.
Beispielhaft soll die Situation an einem Auto dargestellt werden, das pro Akku-Ladung eine Reichweite von 200 km hat. Der Hersteller garantiert nun eine Lebensdauer von 200.000 km bei 80 % Restkapazität.. Bei dieser Laufleistung muss der Akku eine Reichweite von 160 km ermöglichen (200 km multipliziert mit 80 %). Das Ende der Garantie tritt dann bei etwa 1.000 Vollladezyklen ein (200.000 km geteilt durch 200 km Reichweite).
Von landwirtschaftlichen Fahrzeugen wird eine Lebensdauer von 10.000 Stunden erwartet. Wird eine Autarkie (durchschnittliche Nutzungsdauer von Akkumulator „voll“ bis „leer“) des Fahrzeuges von 4 Stunden unterstellt, so errechnen sich daraus 2.500 Vollladezyklen. Garantiert der Hersteller des Akkumulators eine Lebensdauer von mindestens 2.500 Volladezyklen, so lassen sich damit die Anforderungen für landwirtschaftliche Fahrzeuge erfüllen.
Empfehlungen für den Betrieb
Die Lebensdauer wird neben der Qualität des Akkumulators stark von der Auslegung beeinflusst. Sie hängt jedoch auch vom Nutzungsverhalten ab. Folgende Punkte wirken sich negativ auf die Lebensdauer eines Lithium-Ionen-Akkus aus:
| Betrieb (Entladen) hohe Belastungtiefe Entladung (unter etwa 30% Ladestand)hohe Temperaturbelastung (ohne Temperierung bei Umgebungstemperatur über etwa 30 °C) |
| Laden SchnellladenLaden bei niedriger oder hoher Temperatur (ohne Temperierung bei Temperatur unter etwa 0 °C und über 30°C)Laden über etwa 80% Ladezustand |
| Lagerung Bei niedrigem Ladestand unter 30% und über 80%Bei Temperaturen von über etwa 20°C |