kfztech.de E-Lexikon - Fachbegriffe aus der E-Mobilität - B

Im Teil 2 unseres E-Lexikons für Fachbegriffe aus der Elektromobilität geht es um Begriffe mit dem Buchstaben B. Dabei kommt schwerpunktmäßig die Batterie nicht zu kurz.

Begriffe wie das Batterie-Prinzip, die Antriebsbatterie, die Batteriekühlung, der Batterieladezustand, das Batteriemanagement oder das Bidirektionale Laden sind nur ein paar Beispiele.

Zwei Monteure demontieren die obere Batterieabdeckung einer Antriebsbatterie des ID.3 - Bild Volkswagen

Batterie-Prinzip

Die grundsätzliche Funktionsweise einer Batterie, egal ob Starterbatterie oder Antriebsbatterie, beruht darauf, dass zwei unterschiedliche Werkstoffe – zumeist Metalle – unterschiedliche Werte in der elektrochemischen Spannungsreihe aufweisen (Bild 1). So liegt zum Beispiel Kupfer (Cu) in der Spannungsreihe bei +0,339 V und Zink (Zn) bei -0,762 V, was eine Spannung von ca. 1,1 V ergibt.

In der elektrochemischen Spannungsreihe kann man die unterschiedlichen Spannungswerte von Werkstoffen ablesen. - Bild 1 kfztech.de

Um eine Batterie zu erhalten, werden die beiden Elektroden - Kupfer und Zink - in getrennten Behältern in eine geeignete Elektrolytlösung (Salzlösung, Säure) gehängt. Die beiden Metalle lösen im Elektrolyten unterschiedlich stark Ionen und lassen dabei Elektronen in dem Metallstab zurück.

So nehmen die Ionen der edleren Metalle wie Kupfer bereitwilliger Elektronen auf als die Ionen unedlerer Metalle, die leichter Elektronen abgeben. Umgekehrt nehmen unedlere Metalle bereitwilliger Elektronen auf. Dies bedeutet in unserem Beispiel, dass Zn, das zu den unedleren Metallen gehört leichter zu oxidieren ist, während sein Reaktionspartner Cu reduziert wird.

Im Zink-Behälter sind viele positive Zink-Ionen in Lösung und viele Elektronen im Zinkstab. Im anderen Behälter sind nur wenig positive Kupfer- Ionen in der Lösung und wenig Elektronen im Kupferstab. Die Behälter sind durch eine Ionenbrücke miteinander verbunden, so dass aufgrund der unterschiedlichen Ionenkonzentrationen ein Ladungstransport einsetzt. Aufgrund des hohen Elektronenüberschusses im Zinkstab wirkt dieser als Anode, während der Kupferstab die Kathode bildet.

Zwischen beiden Elektroden lässt sich aufgrund der unterschiedlichen Elektronenkonzentrationen eine Spannung messen. Verbindet man beide Elektroden durch einen Leiter, fließen die Elektronen von der Anode zur Kathode. Dieser Aufbau wird allgemein als galvanische Zelle bezeichnet und ist die einfachste Form einer Batterie.

Wird Energie von der Batterie abgegeben, ist die Anode der Minuspol. Bei wiederaufladbaren Batterien kann dieselbe Elektrode abwechselnd als Anode oder Kathode arbeiten, je nachdem ob die Batterie geladen oder entladen wird.

Batterie: Antriebsbatterie (Traktionsbatterie, Hochvoltbatterie)

Die Antriebsbatterie von Elektroauto und Co ist ein Akkumulator, der als Energiespeicher dient. Er ist das Herzstück und zugleich das teuerste Bauteil des Elektrofahrzeugs. Die Traktionsbatterie sorgt für den Vortrieb der Hochvoltautos, indem mobil elektrische Energie für den Antrieb bereitgestellt wird.

Die Hochvoltbatterie besteht grundsätzlich aus mehreren zusammengeschalteten Batterieelementen (Zellen), die, parallel und seriell, zu Zellgruppen (Modulen) zusammengeschaltet werden. Die verbundenen Module wiederum ergeben das Batteriesystem (Bild 2). So ergeben sich Batteriespannungen von oftmals rund 400 V. Es gibt aber auch Low-Volt-Batterien mit 48V und Hochvolt-Batterien bis 800 V Spannung. Im ID3 von Volkswagen beispielsweise bilden 24 Zellen ein Batteriemodul. Die Anzahl der Module ist je nach Modell und Reichweite variabel. Beim ID.3 werden über einen Hochvoltverbinder bis zu zwölf Module zu einem Batteriesystem verbunden, was eine Nennspannung von 408 Volt ergibt.

Batteriesystem bei Volkswagen Zellen werden zu Modulen und diese zum System verbunden -  Bild 2 Volkswagen

Aufbau einer Antriebsbatterie von VW - Bild 3 Volkswagen

Je nach Werkstoff des Akkus ergeben sich unterschiedliche Zellenspannungen. In der Regel werden heute für das Hochvolt-Batteriesystem Lithium-Ionen-Zellen genutzt, wie sie im Prinzip auch in Mobiltelefonen oder Notebooks verwendet werden. Die Ladeschlussspannungen liegen zwischen 1,2 V und 4,2 V. Der meistverwendete Lithium-Ionen-Akku besitzt eine Nennspannung von 3,7 Volt. Die 88 zusammengeschalteten Zellen des Mitsubishi i-MiEV Akkus mit 4,20 V Zellspannung ergaben eine Systemspannung von 325 V.

 Doch die reine Größe allein garantiert keine große Reichweite. Das Fahrzeug muss auch sparsam mit der gespeicherten Energie umgehen. Die im Fahrzeug sinnvollerweise mitgeführte elektrische Energiemenge (Kapazität der Batterie) hängt maßgeblich von der angestrebten elektrischen Reichweite, dem Fahrzeuggewicht und dem dynamischen Verhalten (Beschleunigungsvermögen, Bremsen mit oder ohne Rekuperation) ab.

Wichtige Kriterien für die Auslegung einer Batterie sind die gravimetrische Energie (Wh/kg), die volumetrische Energie (Wh/l), die Peak-Leistung (W/kg), die Leistung bei Kaltstart (W/kg) und der Preis (Euro/kWh).

Batterien altern – auch dann, wenn sie nicht genutzt werden. Ihre maximale Speicherkapazität reduziert sich über die Zeit (s. kalendarische Alterung) sowie in Abhängigkeit von der Anzahl der Ladungen (s. zyklische Alterung). Um Verwechslungen mit der Starterbatterie (s.u.) zu vermeiden, redet man auch von der Traktions- oder Hochvoltbatterie.

Batterie: Starterbatterie

Elektrofahrzeuge haben wie jeder Pkw mit Verbrennungsmotor eine 12-Volt-Starterbatterie. Diese ist notwendig, um das Hochvoltsystem des Fahrzeugs vor Fahrtantritt zu aktivieren und Verbraucher des Bordnetzes, wie Steuergeräte, Beleuchtung oder Infotainment, mit Energie zu versorgen. Ist die Starterbatterie leer oder defekt, kann – wie bei einem Verbrenner – das Fahrzeug nicht gestartet werden.

Zwingend erforderlich wäre die Starterbatterie für das E-Auto nicht, sie verbraucht jedoch erheblich weniger Energie als die deutlich größere Antriebsbatterie. Zudem hält die Starterbatterie die erforderliche Energie für alle 12-Volt Komponenten des Bordnetztes für einige Wochen vor. Als Starterbatterie wird zwar nach wie vor der Blei-Akku im Fahrzeug eingesetzt, aber teilweise werden auch schon Lithium-Ionen-Batterien (meist LiFePO4) verwendet.

Der grundsätzliche Aufbau des Blei-Säure-Akkus im Automobil als Starterbatterie ist bekannt und wird hier deshalb nicht weiter thematisiert. Die Weiterentwicklung der offenen Bauweise mit flüssigem Elektrolyten, wie z. B. Vlies- oder Gelkonzepte unterscheidet sich im chemischen Wirkprinzip nicht. Wegen der geringen Energiedichte von ca. 20-35 Wh/kg ist ein weitergehender Einsatz im Bereich der Elektromobilität nicht zu erwarten.

Batteriegarantie

Das Vertrauen zu den Antriebsbatterien war bei Autofahrern anfänglich noch nicht sehr groß. Schließlich kennt man Startprobleme und Batterieausfälle von der Starterbatterie zu Genüge. Von Lithium-Ionen-Akkus aus Handys und Laptops weiß man auch, dass diese mit der Zeit an Leistung verlieren (Degradation).

Bei Lithium-Ionen-Akkus ist das jedoch etwas anders: Denn Elektroautos verfügen über ein intelligentes Batteriemanagement (Bild 3). Das misst die Temperatur und Spannung jeder einzelnen Zelle in der Batterie. Dadurch wird sichergestellt, dass sie weder überhitzen noch zu kalt werden kann und somit nicht so schnell an Leistungsfähigkeit einbüßen würde. Ziel ist immer, die Zellchemie so gut wie möglich zu schonen.

Um Vertrauen in die neue Technologie zu schaffen, geben die Fahrzeughersteller daher großzügige Garantien auf die Traktionsbatterie. Dies kann zum einen eine Garantie für den Totalausfall sein oder zum anderen auch eine Garantie für den Kapazitätsverlust der Batterie sein. Infolge der Weiterentwicklung bis heute haben sich die Hersteller – mit wenigen Ausnahmen – auf eine Akkugarantie von acht Jahren und 160.000 Kilometer geeinigt. Lexus gibt auf den neuen UX300e sogar eine Garantie von 10 Jahren bzw. 1 Million Kilometer – ein Wert, der durchaus neue Maßstäbe setzt.

Traktionsbatterien haben je nach Hersteller eine garantierte speicherbare Energiemenge von mindestens 70 Prozent innerhalb von acht Jahren oder bis zu 160.000 Kilometern im Betrieb. Sollte innerhalb dieser Zeit eine Batterie über weniger Leistung verfügen, muss aber nicht zwingend die ganze Batterie getauscht werden, oft ist eine modulare Reparatur ausreichend. Da alle Zellen in Reihe geschaltet sind, ist die schwächste Zelle diejenige, die die Kapazität der restlichen Zellen begrenzt.

Beispiele aus Langzeittests des ADAC belegen, dass Antriebsbatterien durchaus über einen langen Zeitraum ihre Kapazität halten können. So konnte z.B. beim BMW i3, Baujahr 2014 nach fünf Jahren und 100.000 Kilometern noch eine Energiekapazität von 86 Prozent nachgewiesen werden. Die ADAC-Ingenieure gehen vorsichtig davon aus, dass die Abnahme der Kapazität auf 70 Prozent erst nach etwa 200.000 Kilometern erfolgt wäre. Das wäre hochgerechnet nach 10 Jahren.

Batteriekapazität

Unter der Kapazität K (auch: Speicherkapazität) einer Batterie versteht man die Menge an elektrischer Ladung oder von elektrischer Energie, die die Batterie im Betrieb speichern (und auch wieder abgeben) kann.

Auf Starterbatterien wird die Kapazität der elektrischen Ladung in der Einheit Amperestunden (Ah) angegeben. Sie berechnet sich als Produkt aus dem von der Batterie abgegebenen Strom I und der Zeitdauer t, über welche der Strom von der vollständig geladenen Batterie abgegeben werden kann, bevor ein definierter Wert der Klemmenspannung unterschritten wird. Die Temperatur der Batterie und die Geschwindigkeit der Entladung haben einen großen Einfluss auf die Kapazität. Im Allgemeinen führen höhere Entladegeschwindigkeiten zu einer Verringerung der entnehmbaren Ladung.

Autobatterien haben typischerweise Kapazitäten von 36 bis 100 Ah. Das bedeutet, dass eine vollgeladenen 100 Ah Batterie bei Stromentnahme rechnerisch 20 Stunden lang 5 A abgeben kann. Bei Hochvoltbatterien ist eher die abgegebene Energiemenge von Interesse, da die Batterie ja als Energiespeicher dient und zusammen mit dem Verbrauch pro 100 km die Reichweite ergibt.

Multipliziert man die Ladung mit der elektrischen Spannung (Spannung ist Energie pro Ladungsmenge) so erhält man die Energiemenge. Für das obige Beispiel bedeutet dies 100 Ah mal 12 V ergibt 1.200 Wh oder 1,2 kWh. Hochvoltakkus sind um einiges größer. Ein VW ID.4 hat z.B. eine Batteriekapazität von 82/77 kWh (brutto/netto; Herstellerangabe) und kommt mit einem Testverbrauch von 22,8 kWh/100 somit rechnerisch damit 360 km weit.

Batteriekühlung

Die Batteriekühlung sorgt in den meisten Elektroautos und Hybrid-Fahrzeugen dafür, die Li-Ionen-Batterie in einem optimalen Temperaturbereich zu halten. Neben der Batterie ist es auch notwendig, die Temperatur des E-Motors und der Leistungselektronik zu kühlen. Die Thematik wird deshalb ausführlich bei dem Begriff Thermomanagement beschrieben werden.

Batterieladezustand (SoC)

Siehe SoC

Batteriemiete

Die Batteriemiete wurde bei einigen Elektroautos wie z.B. dem Renault Zoe optional angeboten. Der Autofahrer kaufte in diesem das Auto ohne Antriebsbatterie. Dies hatte einen niedrigeren Kaufpreis zur Folge. Der Kunde jedoch monatlich eine Batteriemiete. Gleichzeitig hätte im Schadensfall auch eine neue Batterie erhalten. Dies sollte für potenzielle E-Autofahrer einen Anreiz bieten, weil e niedriger Kaufpreis verbunden mit einer Batteriegarantie lockte. Inzwischen hat auch Renault dieses Angebot eingestellt.

Batteriemanagementsystem (BMS)

Als Batteriemanagementsystem (BMS) bezeichnet man ein elektronisches System innerhalb der Antriebsbatterie, dass in Echtzeit die Leistungsfähigkeit der einzelnen Batteriezellen eines Elektrofahrzeugs (EV) überwacht und die Ladung kontrolliert. Eine Lithium-Ionen-Hochvolt-Batterie kommt heute ohne ein Batteriemanagementsystem (BMS) nicht mehr aus.

Durch die effektive Überwachung jeder einzelnen Zelle kann ein Mikrocontroller im EV die ordnungsgemäße Funktion sämtlicher Zellen sicherstellen und die Last gleichmäßig aufteilen. Dadurch dass in einer Traktionsbatterie oft weit mehr als 100 Zellen in Reihe geschaltet sind, ist eine ausgefeilte Technik erforderlich, um Diagnoseinformationen der einzelnen Zellen zu erhalten.

Im Einzelnen kümmern sich Batteriemanagementsysteme (Bild 4) um den Zellschutz, die Kontrolle beim Laden, das Lastmanagement, die Bestimmung des Ladezustandes, das Ausbalancieren der Zellen, die Authentifizierung und Identifizierung, die Historie, die Kommunikation und um das Thermomanagement.

In jedem Batteriezellenmodul des A3 e-tron befindet sich ein Cell Management Controller für das BMS - Bild 4 Audi

Fabrikneue Batteriezellen besitzen aufgrund von Fertigungstoleranzen Unterschiede in den Zellen. Zudem lässt die Speicherkapazität einzelner Zellen im Betrieb mit der Zeit unterschiedlich stark nach. Aus diesen Gründen ist eine sinnvolle Auslastung der einzelnen Zellen notwendig, um das Batteriemodul und dadurch das ganze Batteriesystem zu optimieren. Die effektive Reichweite und Lebensdauer der Batterie verlängern sich durch das BMS.

Tiefentladungen von Lithium-Ionen-Akkus führen zum kompletten Versagen der Zelle, was durch eine Schutzschaltung im BMS verhindert wird. Das BMS überwacht auch den Arbeitstemperaturbereich und greift durch Kühlung oder sogar Abschaltung ein. Bei zu niedrigen Temperaturen des Akkus kann dieser auch beheizt werden. Dies wird durch ein Thermomanagement erreicht.

Eine gängige Technik besteht im direkten Zusammenschalten mehrerer hochgenauer Batteriemonitore auf separaten Leiterplatten (Daisy-Chaining). Mit Twisted Pair Kabeln ist es möglich, die aus jedem einzelnen Batteriezellen-Modul gesammelten Daten weiterzuleiten. Mittlerweile gibt es auch kabellose Lösungen, die eine drahtlose Kommunikations-Schnittstelle verwendet. Sie eignet sich besonders bei Batteriespannungen von 400 V bis 800 V. Damit können von vielen Batteriezellen die Spannungen und Temperaturen erfasst werden sowie zuverlässig die Strommessung vorzunehmen, um den Lade- und Betriebszustand des Batteriesatzes berechnen zu können.

Batterie Recycling

Was geschieht mit den Antriebsbatterien, wenn sie für den Antrieb der EV und Hybride nicht mehr geeignet sind? Die Batterien müssen recycelt werden! Jedem ist klar: Sie dürfen keinesfalls nur entsorgt werden. Viele Hersteller arbeiten daran ein zweites Leben für die Akkus zu finden.

So hat Nissan beispielweise ein eigenes Werk gebaut, um die Batteriezellen wiederverwerten und aufbereiten zu können. Diese sollen dann in anderen Nissan Leafs oder in Gabelstaplern ein zweites Leben bekommen.

Laut Audi lassen sich 95% der wertvollen Batterierohstoffe recyceln. Audi und entwickelt mit ihrem Partner Umicore einen geschlossenen Kreislauf für Bestandteile von Hochvoltbatterien, die dadurch immer wieder von neuem nutzbar sind. Besonders wertvolle Materialien sollen von einer Rohstoffbank abrufbar sein. Im Mittelpunkt steht der sogenannte Closed-Loop-Ansatz (geschlossener Kreislauf), indem wertvolle Elemente aus Batterien am Ende ihres Lebenszyklus in neue Produkte einfließen und somit weiter genutzt werden sollen. Mit EnBW nahm Audi in Heilbronn einen nachhaltigen Energiespeicher für die Versorgungssicherheit in Betrieb. Dieser Energiespeicher soll in Wind- und Photovoltaikanlagen zur Verbesserung der Netzstabilität eingesetzt werden (Bild 5).

Ein Energiespeicher aus alten Audi EV-Akkus, geeignet für Photovoltaikanlagen - Bild 5 Audi

BEV

BEV ist die engl. Abkürzung für Battery-powered Electric Vehicle auf Deutsch: batterieelektrisches Fahrzeug (Elektroauto)

Bidirektionales Laden

Beim bidirektionalen Laden kann das Elektrofahrzeug nicht nur Energie vom Netz aufnehmen, sondern auch wieder zurück an das Netz abgeben. Dies ist auch als vehicle-to-grid (v2g) oder vehicle to home (V2h) bekannt. Die Batterie könnte so auch als Teil eines intelligenten Netzes ("Smart Grid") Überkapazitäten etwa aus Solaranlagen speichern und bei Bedarf wieder ans Haus oder Stromnetz abgeben. Einige Fahrezughersteller bereiten ihre Batterieladesysteme darauf bereits darauf vor.

Denkbar ist auch, dass ein Elektroauto dem anderen Elektroauto Pannenhilfe geben könnte, wenn dieses mit leerem Akku liegengeblieben ist, sofern beide das bidirektionale Laden beherrschen würden. Voraussetzung für bidirektionales Laden ist ein CHAdeMO-Anschluss. Bisher wurde bidirektionales Laden in Forschungsprojekten meist nur demonstriert, kommerzielle Lösungen für den Hausgebrauch sind aber in Erprobung.

Bei Volkswagen ist bei seinen neuen Modellen mit der 77 kWh Batterie und der ID. Software 3.5 bidirektionales Laden mit der Funktion „Vehicle to Home“ möglich. Um dies Nutzen zu können ist hausseitig jedoch das Hauskraftwerk S10 E COMPACT und das integrierte Heim Energie Management System (HEMS) mit entsprechender Wallbox des Volkswagen Partners Hager Energy GmbH nötig.

Boosten

Als Boosten versteht man eine Drehmomentunterstützung beim Beschleunigen von Hybridfahrzeugen. Dabei wird der Verbrennungsmotor durch die E-Maschine kurzzeitig unterstützt. Das führt zu einem Extraschub und einer besseren Fahrleistung insbesondere bei Plug-in-Hybridfahrzeugen. Das Verb “to boost” steht im Übrigen für “stärken” oder “erhöhen”. Eingedeutscht wird der Begriff dazu verwendet das Ankurbeln oder die starke Förderung von etwas oder jemandem zu bezeichnen.

Bordladegerät

Das Bordladegerät wird im Elektrofahrzeug benötigt, um Wechselstrom (AC) aus dem Stromnetz (z.B. Wallbox oder Ladesäule) in Gleichstrom (DC) für die Batterie umzuwandeln. Ein 11-kW-Bordladegerät kann auf drei Phasen mit je 16 Ampere laden. Ein 3,7-kW-Bordladegerät nutzt nur eine Stromphase mit 16 Ampere. Das einphasige Laden dauert deutlich länger als das dreiphasige Laden.

Brennstoffzellen-Fahrzeug (FCEV)

Brennstoffzellenfahrzeuge sind Kraftfahrzeuge mit Elektroantrieb, bei denen die elektrische Energie für den Antrieb der E-Maschinen aus Wasserstoff oder Methanol durch eine Brennstoffzelle erzeugt wird. In der Brennstoffzelle erzeugen Wasserstoff aus dem Tank und Luftsauerstoff aus der Umgebungsluft elektrische Energie, als Abfallprodukt entstehen Wärme und Wasser. Brennstoffzellenfahrzeuge werden im Englischen als Fuel Cell Electric Vehicle – FCEV bezeichnet und zählen zu den Elektroautos. Ebenfalls brauchen sie zwingend eine, wenn auch kleinere, Hochvoltbatterie als Zwischenspeicher.

Brennstoffzellenfahrzeuge waren lange nur als Forschungsfahrzeuge und Prototypen auf den Straßen unterwegs. Seit 2014 wird der Toyota Mirai, ein Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug der oberen Mittelklasse, produziert und verkauft. Der Mirai hat eine Reichweite von bis zu 650 km und stößt nur Wasserdampf aus. Die zweite Generation des Mirai (Bild 6) wurde 2020 vorgestellt und hat ein neues Design und mehr Leistung. Der Toyota Mirai bietet eine Reichweite von bis zu 650 Kilometern und kann in nur wenigen Minuten aufgetankt werden. Unter der Haube des Mirai wandelt eine Brennstoffzelle den Wasserstoff in elektrische Energie um, die wiederum einen 130 kW/182 PS starken Elektromotor antreibt. Als Emission entsteht während der Fahrt lediglich Wasserdampf.

Hamburg setzt auf nachhaltige Mobilität: Seit Februar 2023 sind dort nun 25 Toyota Mirai Wasserstoff-Taxis unterwegs. - Bild 6 Toyota

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Quellen: Audi, VW, Toyota, diverse andere,