Eine Traktionsbatterie (im Folgenden auch als Elektrofahrzeugbatterie, Fahrbatterie oder Fahrradbatterie bekannt) ist ein Energiespeicher, der für den Antrieb von Elektrofahrzeugen verwendet wird und eine Vielzahl von miteinander verbundenen Elementen (daher „Batterie“) umfasst. Sie besteht aus einigen bis tausenden Akkumulatorzellen oder Zellblöcken, die parallel und seriell miteinander verbunden sind. Superkondensatoren oder mechanische Schwungradspeicher können auch als Traktionsbatterie bezeichnet werden, wenn mehrere zum Antrieb eines Fahrzeugs kombiniert werden.
Allgemeines
Die Traktionsbatterie in Elektroautos hat oft eine Nennspannung von 350 bis 400 Volt, entsprechend dem üblichen dreiphasigen Wechselstrom. Bei Pedelecs und Elektrorollern sind Spannungen von 24, 36 und 48 Volt üblich. In Gabelstaplern mit elektrischem Antrieb werden üblicherweise Blei-Säure-Batterien mit 80 V Nennspannung eingesetzt. Die Traktionsbatterie dient hier zum Gewichtsausgleich.
Für Licht, Scheibenwischer, Radio, Fernbedienung usw. verwenden Elektrofahrzeuge meist nicht direkt ihre Hochvolt-Traktionsbatterie, sondern ein herkömmliches 12- oder 48-Volt-Bordnetz mit kleinem elektrischen Energiespeicher ähnlich der Starterbatterie in herkömmlichen Fahrzeugen .
Geschichte
Nachdem der Strom Anfang des 19. Jahrhunderts zur Informationsübertragung genutzt wurde, waren um 1837/1838 auch die Grundlagen für einen elektromotorischen Antrieb bekannt und der Elektromotor betriebsbereit. 1854 wurde von Wilhelm Josef Sinsteden und 1859 von Gaston Planté die Bleibatterie gebaut.
Eine Anordnung von sechs dieser Zellen mit einer Nennspannung von 2 Volt und spiralförmig gewickelten Bleifolien bildete 1881 im Trouvé-Dreirad von Gustave Trouvé die erste Traktionsbatterie (Nennspannung 12 Volt) zum Antreiben des autarken Elektrofahrzeugs ohne Schienen oder Kabelbinder. Es wurde nur durch Schließen oder Öffnen des Stromkreises geregelt. Das Trouvé-Dreirad hatte jedoch immer noch die Kurbeln des Dreirads als Basis.
Einige Monate später, 1882, wurde der Ayrton & amp; Das elektrische Dreirad von Perry hatte nicht nur keine Kurbeln und keine elektrischen Lampen, sondern auch eine verbesserte Traktionsbatterie.Die zehn Bleizellen werden bei einer Nennspannung von 20 Volt 1,5 kWh gespeichert und können einzeln ein- und ausgeschaltet werden, wodurch eine Leistungs- und Geschwindigkeitsregelung möglich ist. Bereits bei den ersten Fahrzeugen war die schwere Traktionsbatterie so niedrig wie möglich angeordnet, um Stabilität und Handling zu verbessern.
Während die Batteriezellen noch in den ersten Fahrzeugen, die in den ersten Elektroautos (ab 1888) eingebaut wurden, noch offen platziert waren, lag die Traktionsbatterie bereits in speziellen Gehäusen oder verkleidet sie. Die Akkumulatorfabrik Tudorsche System Büsche & amp; Müller OHG (heute bekannt als VARTA) produzierte 1888 als erstes Unternehmen in Deutschland Bleibatterien industriell. Im Eisenbahnsektor wurde der Wittfeld-Akkumulator mit diesen Batterien betrieben. Um 1900 wurden erfolgreiche Versuche unternommen, Lastkähne mit Akkumulatoren elektrisch anzutreiben. Die Watt-Akkumulatoren-Werke AG, die Nachfolgerin eines Studienunternehmens, gründete daraufhin die Ziegel-Transport-Aktiengesellschaft (ZTG) in Zehdenick. Die Elektromotoren von mehr als 100 Lastkähnen waren batteriebetrieben und versorgten Berlin mit Ziegeln.
Mit dem um 1900 entwickelten Nickel-Eisen-Akkumulator (Thomas Edison) und dem von dem Schweden Waldemar Jungner entwickelten Nickel-Cadmium-Akkumulator standen alternative Zellchemikalien für Traktionsbatterien zur Verfügung. Die NiFe-Batterie hat sich in verschiedenen Automobilen bewährt und hat eine sehr lange Lebensdauer. Jay Leno in den USA besitzt eine Baker Electric, bei der die Nickel-Eisen-Batterien nach fast 100 Jahren noch funktionsfähig sind. Henry Ford entwickelte das Ford Model Talso als Elektrofahrzeug. Er hatte bereits 150.000 Nickel-Eisen-Batterien bei Edison bestellt, als seine Abteilung für Elektrofahrzeuge in Flammen aufging.
Durch die Erfindung des Elektrostarters konnte mittels einer Starterbatterie der Motor ohne körperlichen Aufwand gestartet werden, der Abstieg der ersten Blütezeit von Elektroautos eingeleitet werden, als Folge davon stagnierte die Akkumulator- und Batterieentwicklung. Bis zum Ende des 20. Jahrhunderts waren Bleibatterien mit Tiefzyklus praktisch der Standard für Traktionsanwendungen.Dazu gehörten unter anderem U-Boote, Batterieautos, Industriefahrzeuge wie Gabelstapler und Schubkarren, aber auch elektrische Rollstühle. Französische Hersteller stellten in den 1990er Jahren mehrere tausend Fahrzeuge mit Straßenzulassung mit Nickel-Cadmium-Batterien her. Nach der CARB-Gesetzgebung in Kalifornien im Jahr 1990 sollten die Automobilhersteller gezwungen sein, schrittweise emissionsfreie Fahrzeuge (US = Zero Emission Vehicle) anzubieten, die der Akkumulatorforschung wieder starke Impulse gaben.
Während beispielsweise die ersten Traktionsbatterien des General Motors EV1 noch die verfügbaren billigen Blei-Säure-Batterien (26 Blöcke mit einer Gesamtkapazität von 16,3 kWh und einer Nennspannung von 312 Volt) verwendeten, waren dies in der zweiten Ausführungsform die von Stanford R. Ovshinsky bereit für die Serie entwickelte Nickel-Metallhydrid-Batterien. Die Traktionsbatterie war fest in einem Mitteltunnel im Fahrzeugboden eingebaut, was zu einer hohen Crashsicherheit und sehr guten Fahreigenschaften beitrug.
Während die für den Hotzenblitz angekündigte Natrium-Schwefel-Batterie für den BMW E1 oder die Zink-Brom-Batterie nie Serienreife erreichte, weist die Natrium-Nickel-Chlorid-Zelle (Zebra-Batterie) nicht nur eine Reichweite von über 200 km auf, sondern auch Anwendungen im Militär und im Weltraum. Interessant bei diesem Fahrzeug ist auch die kompakte Blockanordnung, die es ermöglichte, die gesamte Traktionsbatterie in einem Stück von unten zu montieren, und trug ebenfalls zu einer hohen Sicherheit für die Automobilanwendung bei.
In dieser Zeit wurden auch die Grundlagen der Zellchemie für Lithium-Ionen-Batterien gelegt. Nach der Lockerung der CARB-Gesetze stoppte die Automobilindustrie diese Aktivitäten, so dass Lithium-Ionen-Batterien erst im 21. Jahrhundert als Traktionsbatterien wichtig wurden. Die verschiedenen Varianten gelten heute als Hoffnungsträger für signifikante Verbesserungen des Kraft-Gewichts-Verhältnisses und der Tragfähigkeit.
Physikalisch-technische Eigenschaften
Verglichen mit tragbaren Batterien oder Verbraucherzellen haben die Zellen einer Traktionsbatterie eine viel höhere Kapazität. Darüber hinaus werden sie von verschiedenen Herstellern in verschiedenen Ausführungen teilweise auf Kundenwunsch entwickelt und hergestellt. Standardisierte Größen existieren nicht. Üblich sind sowohl runde Zellen, bei denen die Elektroden stab- und becherförmig sind, beispielsweise Produkte von A123-Systemen, als auch prismatische Zellen mit plattenförmiger Elektrodenanordnung, beispielsweise Zellen von Winston Battery.
Es werden hochstromfeste Tiefzyklus-Batteriesysteme verwendet, die abhängig von den Fahrbedingungen elektrische Energie abgeben oder empfangen können und viele Lade-Entlade-Zyklen überstehen. Im Gegensatz zu Starterbatterien können Blei-Säure-Batterien durch eine spezielle Konstruktion des Bleigitters und der Separatoren ohne Beschädigung bis zu 80% tief entladen werden.
Während Blöcke für Fahrzeug-Starterbatterien für 12 V- oder 24 V-Kapazitäten 36 bis 80 Amperestunden (Ah) sind, müssen für Gabelstaplerzellen Zellen mit Kapazitäten von 100 bis 1000 Ah mit Betriebsspannungen von beispielsweise 24 bis 96 Volt verbunden werden , denn Elektroautos können mehrere hundert Volt erreichen. Die Größen sind daher erheblich größer. Höhere Spannungen reduzieren die fließenden Ströme und damit ua die ohmschen Verluste in den Leitungen und die thermischen Verluste beim Laden und Entladen und das Gewicht (Kabel).
Durch serielle Verschaltung einzelner Zellen ergibt sich die Ansteuerspannung bzw. Fahrspannung.Durch Erhöhen der Zellengröße oder durch Parallelschalten der Zellen können die Speicherkapazität und die Strombelastbarkeit erhöht werden. Das Produkt aus Traktionsspannung (V) und elektrischer Ladung / galvanischer Kapazität der parallel geschalteten Einzelzellen / Zellen (Ah) ergibt den Energieinhalt der Traktionsbatterie.
Anforderungen an den Einsatz in Fahrzeugen
Der mobile Einsatz von Traktionsbatterien erfordert im Vergleich zum stationären Einsatz höhere Sicherheitsanforderungen. Vor allem die Sicherheit mechanischer Einwirkungen muss nachgewiesen werden. Dies wird durch die Verwendung sicherer Zellchemien (z. B. Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren) mit oft schlechteren elektrischen Eigenschaften, die sichere Gestaltung der Unterbringung im Fahrzeug (z. B. crashgeprüfte Batterieträger im Unterboden) oder eine Kombination aus beidem erreicht Methoden. Wie stark der Einfluss der Sicherheitsanforderungen an Traktionsbatterien ist, lässt sich am Beispiel des verzögerten Produktionsbeginns des Opel Amperabe nachvollziehen. Grund war der (nur wenige Wochen) nach einem Crashtest auf Brandschutzbatterie des identischen Modells Chevrolet Volt.
Unterschiedliche Anforderungen für vollelektrische und Hybridfahrzeuge
Da rein elektrisch betriebene Fahrzeuge die gesamte zum Fahren benötigte elektrische Energie speichern, werden Batteriezellen mit hoher Kapazität verwendet, um Platz und Gewicht für die benötigte Energiemenge zu minimieren. Aufgrund der notwendigen Kapazität des Akkus (Zellen- oder Modulgröße) ist in der Regel die Strombelastbarkeit der Zellen für die Entlade- und Ladevorgänge gegeben. Die Last ist auch gleichmäßiger und mit niedrigeren Strömen im Verhältnis zur Batteriekapazität als bei Hybridfahrzeugen.
In Hybridelektrofahrzeugen wird der Hauptanteil der Antriebsenergie in Form von chemischer Energie (Kraftstoff) getragen. Die Traktionsbatterie hat eine viel geringere Kapazität. Es speichert elektrische Energie für die Fortbewegung und absorbiert die Rekuperationsenergie der regenerativen Bremse. Zu diesem Zweck werden Hochstromzellen verwendet, die trotz ihrer geringeren Kapazität die notwendige (oftmals kurzzeitige) hohe Strombelastung mit gutem Wirkungsgrad und der erforderlichen Lebensdauer realisieren können.
Nennkapazität, Belastbarkeit, Herstellerangaben
Die Nennleistung ist die Energiemenge, die der Hersteller unter festgelegten Kriterien entnehmen kann. Für Kapazitätsvergleiche ist es wichtig, diese Kriterien zu erfüllen. Somit hat ein Akku mit den Spezifikationen 12 V / 60 Ah C3 eine höhere Kapazität als ein wiederaufladbarer Akku gleicher Größe mit der Bezeichnung C5 oder C20. Die Spezifikation Cx kennzeichnet die Entladedauer für die angegebene Kapazität in Stunden. In C3 können 60 Ah in drei Stunden gleichförmig entladen werden, dh höhere Ströme sind möglich als mit C5 oder C20, was für die Verwendung als Traktionsbatterie wichtig ist, da die Ströme für diese Messströme häufig in der Praxis sind (siehe auch C- Rate und Peukert-Gleichung).
Für Lithium-Ionen-Hochleistungsbatterien hat sich die Angabe der Strombelastbarkeit in Bezug auf die Kapazität durchgesetzt. In diesem Fall bedeutet dies beispielsweise für eine Zelle von 3,2 V 100 Ah für die Standardentladung bei 0,5 ° C (oder sogar 0,5 CA), dass die Kapazität mit einem Entladestrom von 50 A bestimmt wurde. Üblicherweise sind Kapazitätsangaben bei 0,5 ° C oder Bei 1 C kann die zulässige Dauerlastkapazität von 3 C oder mehr (im Beispiel bei 3 C dh 300 A) die kurzzeitige Last sogar noch höher sein (hier 20 CA, dh 2000 A).
Zunehmend wird die Kapazität einer Traktionsbatterie nicht mehr in Amperestunden einzelner Zellen angegeben, sondern in Wattstunden. Somit sind verschiedene Typen miteinander vergleichbar, da die Spannung enthalten ist. Starterbatterien haben einen Energieinhalt von 496,8 bis 960 Wh, Traktionsbatterien für Gabelstapler mit 4.800 bis 28.800 Wh und für den Toyota Prius II mit 1.310 Wh.
Batteriekosten
Im Jahr 2010 zahlten Wissenschaftler der Technischen Universität von Dänemark 10.000 US-Dollar für eine zertifizierte EV-Batterie mit einer Kapazität von 25 kWh (dh 400 US-Dollar pro Kilowattstunde), ohne Rabatte oder Aufschläge. Zwei von 15 Batterieherstellern konnten die erforderlichen technischen Unterlagen zu Qualität und Brandschutz vorlegen. Im Jahr 2010 wurde geschätzt, dass höchstens zehn Jahre vergehen würden, bevor der Batteriepreis auf 1/3 sinken würde.
Laut einer Studie des National Research Council aus dem Jahr 2010 beliefen sich die Kosten eines Lithium-Ionen-Akkupacks auf etwa 1.700 US $ / kWh nutzbare Energie, und in Anbetracht dessen, dass ein PHEV-10 etwa 2,0 kWh und ein PHEV-40 etwa 8 kWh benötigt Die Herstellkosten des Akkus für einen PHEV-10 liegen bei rund 3.000 US-Dollar und für einen PHEV-40 bei 14.000 US-Dollar. Der MIT Technology Review schätzte die Kosten für Kfz-Batteriepakete bis 2020 auf 225 bis 500 US-Dollar pro Kilowattstunde. Eine Studie des amerikanischen Rates für eine energieeffiziente Wirtschaft (2013) ergab, dass die Batteriekosten von 1.300 US-Dollar pro kWh gesunken sind Das US-Energieministerium hat im Jahr 2012 Kostenziele für seine gesponserte Batterieforschung in Höhe von 300 USD pro kWh und 125 USD pro kWh bis 2022 festgelegt. Kostensenkung durch Fortschritte in der Batterietechnologie und höhere Produktionsmengen ermöglicht es Plug-in-Elektrofahrzeugen, mit konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor wettbewerbsfähiger zu sein. Im Jahr 2016 hatte die Welt eine Li-Ion-Produktionskapazität von 41,57 GWh.
Die tatsächlichen Kosten für Zellen werden viel diskutiert und spekuliert, da die meisten EV-Hersteller es ablehnen, dieses Thema ausführlich zu diskutieren. Im Oktober 2015 gab der Automobilhersteller GM jedoch bekannt, auf seiner jährlichen Global Business Conference einen Preis von 145 US-Dollar pro Kilowattstunde für Li-Ion-Zellen zu erwarten, der in das Jahr 2016 eintritt, was erheblich unter den Kosten anderer Analysten liegt. GM erwartet auch bis Ende 2021 Kosten in Höhe von 100 USD pro kWh.
Laut einer im Februar 2016 von Bloomberg New Energy Finance (BNEF) veröffentlichten Studie sanken die Batteriepreise seit 2010 um 65% und erst 2015 um 35% auf 350 USD pro kWh. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Batteriekosten auf dem Weg sind, Elektrofahrzeuge ohne staatliche Subventionen bis 2022 in den meisten Ländern so erschwinglich zu machen wie Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. BNEF plant, dass bis 2040 Elektroautos mit hoher Reichweite weniger als 22.000 US-Dollar im Jahr 2016 kosten werden Dollar BNEF geht davon aus, dass die Batteriekosten für Elektroautos bis 2030 weit unter 120 USD pro kWh liegen werden und danach weiter sinken werden, sobald neue Chemikalien verfügbar werden.
Vergleich der Batteriekosten
| Batterietyp | Jahr | Kosten ($ / kWh) |
|---|---|---|
| Li-Ion | 2016 | 130-145 |
| Li-Ion | 2014 | 200–300 |
| Li-Ion | 2012 | 500–600 |
| Li-Ion | 2012 | 400 |
| Li-Ion | 2012 | 520-650 |
| Li-Ion | 2012 | 752 |
| Li-Ion | 2012 | 689 |
| Li-Ion | 2013 | 800–1000 |
| Li-Ion | 2010 | 750 |
| Nickel-Metallhydrid | 2004 | 750 |
| Nickel-Metallhydrid | 2013 | 500–550 |
| Nickel-Metallhydrid | 350 | |
| Bleisäure | 256,68 |
Vergleich der Lebensdauer der Batterie
| Batterietyp | Jahr der Schätzung | Fahrräder | Meilen | Jahre |
|---|---|---|---|---|
| Li-Ion | 2016 | > 4000 | 1.000.000 | > 10 |
| Li-Ion | 100.000 | 5 | ||
| Li-Ion | 60.000 | 5 | ||
| Li-Ion | 2002 | 2-4 | ||
| Li-Ion | 1997 | > 1.000 | ||
| Nickel-Metallhydrid | 2001 | 100.000 | 4 | |
| Nickel-Metallhydrid | 1999 | > 90.000 | ||
| Nickel-Metallhydrid | 200.000 | |||
| Nickel-Metallhydrid | 1999 | 1000 | 93,205,7 | |
| Nickel-Metallhydrid | 1995 | <2.000 | ||
| Nickel-Metallhydrid | 2002 | 2000 | ||
| Nickel-Metallhydrid | 1997 | > 1.000 | ||
| Nickel-Metallhydrid | 1997 | > 1.000 | ||
| Bleisäure | 1997 | 300–500 |
EV-Parität
Im Jahr 2010 erklärte der Batterieprofessor Poul Norby, er glaube, dass Lithiumbatterien ihre spezifische Energie verdoppeln müssen und den Preis von 500 USD (2010) auf 100 USD pro kWh Kapazität senken müssen, um Auswirkungen auf Benzinfahrzeuge zu haben. Citigroup gibt $ 230 / kWh an.
Die offizielle Seite des Toyota Prius 2012 Plug-in erklärt 21 Kilometer Autonomie und eine Batteriekapazität von 5,2 kWh bei einem Verhältnis von 4 Kilometern / 2,5 kWh, während das Nutzfahrzeug Addax (Modell 2015) bereits 110 Kilometer erreicht (68,5 mi) oder ein Verhältnis von 7,5 Kilometern / kWh.
Batterie-Elektroautos erreichen etwa 8,0 km / kWh. Es wird erwartet, dass der Chevrolet Volt 50 MPGe erreicht, wenn er mit dem Hilfsaggregat (einem kleinen Generator an Bord) betrieben wird – bei einem thermodynamischen Wirkungsgrad von 33%, was 12 kWh für 80 km (80 Meilen) oder 240 Wattstunden pro Meile bedeuten würde. Die Preise für 1 kWh Ladung bei verschiedenen Batterietechnologien finden Sie in der Spalte „Energie- / Verbraucherpreis“ im Abschnitt „Tabelle der wiederaufladbaren Batterietechnologien“ im Artikel über aufladbare Batterien.
Der US-Energieminister Steven Chu prognostizierte, dass die Kosten für eine 40-Meilen-Reichweite von einem Preis im Jahr 2008 um 12.000 US-Dollar auf 3.600 US-Dollar im Jahr 2015 und bis 2020 auf 1.500 US-Dollar sinken würden. Li-Ionen-, Li-Poly-, Aluminium-Luft-Batterien und Zink-Luft-Batterien haben spezifische Energien gezeigt, die hoch genug sind, um Reichweiten- und Aufladezeiten zu erreichen, die mit konventionellen Fahrzeugen mit fossilen Brennstoffen vergleichbar sind.
Kostenparität
Unterschiedliche Kosten sind wichtig. Ein Problem ist der Kaufpreis, das andere Problem sind die Gesamtbetriebskosten. Ab 2015 sind Elektroautos teurer als beim ersten Kauf, aber billiger im Betrieb und zumindest in einigen Fällen sind die Gesamtbetriebskosten möglicherweise niedriger.
Laut Kammen et al., 2008 würden neue PEVs für die Verbraucher kosteneffizient sein, wenn die Batteriepreise von 1300 USD / kWh auf etwa 500 USD / kWh sinken würden (so dass sich die Batterie für sich selbst bezahlt macht).
Im Jahr 2010 wurde der Nissan Leaf-Akku mit Kosten von 18.000 US-Dollar produziert. Die anfänglichen Produktionskosten von Nissan bei der Markteinführung des Leaf beliefen sich daher auf etwa 750 USD pro Kilowattstunde (für die 24 kWh-Batterie).
Im Jahr 2012 verknüpfte McKinsey Quarterly die Batteriepreise mit den Benzinpreisen auf der Grundlage von 5-Jahres-Gesamtbetriebskosten für ein Auto und schätzte, dass $ 3,50 / Gallone 250 $ / kWh entsprechen. Im Jahr 2017 schätzte McKinsey, dass Elektroautos mit Akku-Kosten von 100 USD / kWh (um 2030) wettbewerbsfähig sind, und rechnet damit, dass die Packungskosten bis 2020 bei 190 USD / kWh liegen werden.
Im Oktober 2015 gab der Autohersteller GM auf seiner jährlichen Global Business Conference bekannt, dass für Li-Ion-Zellen ein Preis von 145 US-Dollar pro Kilowattstunde erwartet wird.
Range-Parität
Driving Range Parity bedeutet, dass das Elektrofahrzeug die gleiche Reichweite hat wie ein durchschnittliches Allverbrennungsfahrzeug (500 Kilometer oder 310 Meilen) mit 1+ kWh / kg Batterien. Höhere Reichweite bedeutet, dass die Elektrofahrzeuge mehr Kilometer ohne Aufladung fahren würden.
Vertreter von Japan und der Europäischen Union sind in Gesprächen, um gemeinsam fortschrittliche wiederaufladbare Batterien für Elektroautos zu entwickeln, die Nationen dabei unterstützen, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Die Entwicklung einer Batterie, die ein Elektrofahrzeug mit einer einzigen Ladung 500 Kilometer antreiben kann, ist machbar, sagte der japanische Batteriehersteller GS Yuasa Corp. Sharp Corp und GS Yuasa gehören zu den japanischen Solarzellen- und Batterieherstellern, die von einer Zusammenarbeit profitieren könnten .
Die Lithium-Ionen-Batterie des Wechselstromantriebs bietet eine Reichweite von 400 bis 500 km pro Ladung (Single Charge Range). Der Listenpreis dieses Fahrzeugs lag bei seiner Veröffentlichung im Jahr 2003 bei 220.000 US-Dollar.
Der Japan EV Club fährt in einem Daihatsu Mira mit 74 kWh Lithium-Ionen-Batterien einen Weltrekord für ein Elektroauto: 1.003 Kilometer (623 Meilen) ohne Nachladen.
Zonda Bus in Jiangsu, China, bietet den Zonda Bus New Energy mit einer Reichweite von nur 500 Kilometern (310 Meilen) an. [Klarheit erforderlich]
Das Tesla Model S mit 85 kWh Batterie hat eine Reichweite von 510 km. Tesla Model S wird seit 2012 gebaut. Der Preis liegt bei rund 100.000 US-Dollar.
Der Supersportwagen Rimac Concept One mit 82 kWh Batterie hat eine Reichweite von 500 km.Das Auto wird seit 2013 gebaut.
Das reine Elektroauto BYD e6 mit 60 kWh Batterie hat eine Reichweite von 300 km.
Einflüsse auf die nutzbare Kapazität
Im Traktionsbetrieb kann die gesamte Nennleistung nicht genutzt werden. Zum einen wird die nutzbare Kapazität reduziert, bis sie bei hohen abgenommenen Strömen auf die eingestellte Endspannung absinkt (siehe Peukert-Effekt), zum anderen wird bei seriellen Verschaltungen der Zelle / Zellenblock mit der geringsten Kapazität die nutzbare Kapazität bestimmt ohne die Tiefentladung zu beschädigen.
Die Zellen einer Traktionsbatterie haben sowohl produktionsbedingte als auch nutzungsbedingte Unterschiede in Kapazität und Stromausgabe (Innenwiderstand). Dadurch werden die Zellen während des Betriebs unterschiedlich geladen, es kommt zu einem Driften, was die nutzbare Kapazität der gesamten Batterie verringert. Während die Kapazität der besten Zellen niemals vollständig ausgenutzt werden kann, werden die schwachen Zellen regelmäßig überlastet, überladen oder überladen. Um diese Effekte zu reduzieren oder zu vermeiden, umfassen moderne Traktionsbatterien Balancer und verwendete Batteriemanagementsysteme. Niedrigere Temperaturen verringern auch die Fähigkeit der Traktionsbatterie, hohe Ströme abzuleiten, und verbessern den Peukert-Effekt, da die Beweglichkeit der Elektronen im Allgemeinen abnimmt. Um diesem Effekt entgegenzuwirken und verschiedene Batterietechnologien bei niedrigeren Temperaturen unbrauchbar zu werden, sind Traktionsbatterien häufig auch mit einer Zusatzheizung ausgestattet.Diese übernimmt entweder beim Anschluss an das Stromnetz die Temperaturregelung oder heizt sich aus ihrem Energieinhalt selbst auf. Dies und zusätzliche Verbraucher wie elektrische Innenraumheizung oder Klimaanlage reduzieren die Winterreichweite, obwohl der nutzbare Energieinhalt der Traktionsbatterie auch im Winter verfügbar ist.
Die Entladungstiefe der Batteriezellen ist häufig durch das Batteriemanagementsystem (BMS) begrenzt, normalerweise 60 bis 80% der Nennkapazität. Diese Umstände müssen insbesondere bei Verbrauchsberechnungen und Vergleichen verschiedener Traktionsbatterien berücksichtigt werden.Diese „nutzbare Kapazität“ wird vom Autohersteller selten angegeben, aber als nutzbarer Bereich der Nennkapazität beschrieben. So ist beim Chevrolet Volt oder Opel Ampera ein nutzbares Batteriefenster von 30-80% gegeben, das (zugunsten der Haltbarkeit) nur 50% der Nennleistung von 16 kWh beträgt.
Lebensdauer und Zyklenstabilität
Plug in America führte eine Umfrage unter den Fahrern des Tesla Roadster zur Lebensdauer der eingesetzten Batterien durch. Es wurde festgestellt, dass die Batterien nach 160.000 km noch eine Restkapazität von 80 bis 85 Prozent hatten. Dies war unabhängig von der Klimazone, in der das Fahrzeug bewegt wurde. Der Tesla Roadster wurde zwischen 2008 und 2012 gebaut und verkauft.
Lithiumeisenphosphat-Batterien, die auch als Traktionsbatterien eingesetzt werden, erreichen laut Hersteller mehr als 5000 Zyklen bei einer Entladetiefe von 70%.
Das meistverkaufte Elektroauto ist der Nissan Leaf, der seit 2010 in Produktion ist. Nissan gab 2015 bekannt, dass bislang nur 0,01% der Batterien aufgrund von Defekten oder Problemen ausgetauscht werden mussten und dies nur wegen äußerlich verursachter Schäden. Es gibt gelegentlich Fahrzeuge, die bereits mehr als 200 000 km gefahren sind. Diese hätten keine Probleme mit der Batterie.
Ladezeiten
Elektroautos wie Tesla Model S, Renault ZOE, BMW i3 usw. können ihre Batterien an Schnellladestationen innerhalb von 30 Minuten um 80 Prozent aufladen. Im Juli 2013 gab Tesla, CTO JB Straubel, bekannt, dass die nächste Generation von Kompressoren nur 5 bis 10 Minuten benötigen würde, was er in den nächsten Jahren in die Praxis umsetzen wollte. Die Kompressoren mit Stand vom 1. November 2016 haben in Europa eine maximale Ladeleistung von 120 kW und geben normalerweise 40 Minuten für eine 80% ige Ladung und 75 Minuten für eine volle Ladung an.
Nach Angaben des Herstellers BYD ist die Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie des e6-Elektroautos innerhalb von 15 Minuten an einer Schnellladestation zu 80% und nach 40 Minuten zu 100% aufgeladen.
Anwendungsbeispiele
Traktionsbatterien aus geschlossenen Blei-Säure-Batterien werden in Elektrostaplern eingesetzt und dienen als Gegengewichte zum gestapelten Gut, um mit Hilfe der Gegengewichte eine bestimmte (größere) physische Masse transportieren zu können. Sie werden immer noch in fahrerlosen Transportsystemen für gleichmäßige Anwendungen verwendet. Das hohe Gewicht und die starke Temperaturabhängigkeit wirken sich nachteilig auf Höhenunterschiede oder Steigungen und im Winterbetrieb aus. Daher sind sie für den Einsatz in Elektrofahrrädern, Elektrorollern und Elektroautos weniger geeignet.
In modernen Elektrofahrrädern / Pedelecs werden aus Platz- und Gewichtsgründen fast ausschließlich wiederaufladbare Batterien auf Lithium- und Lithiumbasis eingesetzt. Anfänglich verwendete Blei-Säure-Batterien sind nicht belegt.
Als Elektroroller werden als Traktionsbatterien verschiedene Batteriesysteme verwendet. Auch hier gilt die Bleibatterie als veraltet, NiCd als bewährte und Lithium-basierte Batterien als leistungsfähig.
Beim Einsatz in Hybridfahrzeugen wie dem Toyota Prius oder dem Honda Civic IMA werden derzeit (2012) Traktionsbatterien vom Typ Nickel-Metallhydrid-Batterien mit Spannungen von mehreren 100 Volt und weniger als 10 Amperestunden verwendet. Die Begrenzung der Kapazität ergibt sich aus Patentbestimmungen, die die Produktion und Weiterentwicklungen stark einschränken.Neuentwicklungen sind in der Regel mit Lithium-Traktionsbatterien ausgestattet.
In Solarfahrzeugen werden aus Gewichts- und Volumengründen nur moderne Hochleistungsbatterien auf Lithiumbasis verwendet. Das weltweit größte Solarfahrzeug, der Katamaran Tûranor PlanetSolar, verfügt derzeit mit 1,13 MWh über die größte Lithium-Traktionsbatterie der Welt. Die Zellen stammen vom thüringischen Zellproduzenten Gaia Akkumulatorenwerk GmbH.
In Elektroautos werden heute (1/2016) fast nur noch Lithium-Ionen-Batterien verwendet (siehe Tesla Model S, BMW i3, Renault ZOE, Nissan Leaf, VW e-up! Usw.). In den Fahrzeugen Blue Car und Bluebus der französischen Gruppe Bolloré kommt als weitere Technik der Lithium-Polymer-Akkumulator zum Einsatz. Zur Bolloré-Gruppe gehört auch die Firma Batscap, die diese Batterien in Frankreich und Québec herstellt.
In U-Booten wurden und werden Traktionsbatterien für Unterwasserfahrten verwendet, da dies oft den Einsatz von Verbrennungsmotoren verbietet, die Abgase erzeugen.
Umweltaspekte
Traktionsbatterien bestehen aus Einzelzellen, die sowohl in der Größe (Kapazität) als auch in der Anzahl der Einzelzellen (Spannung) deutlich über den Gerätebatterien liegen. Sie enthalten daher größere Mengen einzelner Rohstoffe, so dass nach dem Einsatz eine Rückführung in den Stoffkreislauf (Recycling) ökonomisch und ökologisch sinnvoll und notwendig ist. Für Starterbatterien und Traktionsbatterien als Bleiakkumulatoren wurde daher in Deutschland mit der Batterieverordnung ein Batterieaufschlag von 7,50 Euro / Stück eingeführt. Die Rücklaufquote liegt bei über 90%.
Für moderne Lithium-Ionen-Batterien gibt es eine solche Ablagerungslösung noch nicht.
Ultrakondensatoren
Elektrische Doppelschichtkondensatoren (oder „Ultra-Kondensatoren“) werden in einigen Elektrofahrzeugen wie dem Prototypen von AFS Trinity verwendet, um schnell verfügbare Energie mit ihrer hohen spezifischen Leistung zu speichern, um die Batterien innerhalb der sicheren Widerstandsheizgrenzen zu halten und die Lebensdauer der Batterie zu verlängern .
Da kommerziell erhältliche Ultrakondensatoren eine geringe spezifische Energie haben, werden bei Elektroautos ausschließlich in der Produktion ausschließlich Ultrakondensatoren verwendet. Die Verwendung eines Elektroautos mit Batterie und Ultrakondensator kann jedoch die Einschränkungen beider verringern.
Beförderung
US-Präsident Barack Obama kündigte 48 neue fortschrittliche Batterie- und Elektroantriebsprojekte an, die im Rahmen des amerikanischen Wiederherstellungs- und Reinvestitionsgesetzes 2,4 Mrd. USD erhalten würden. Diese Projekte werden die Entwicklung der US-amerikanischen Fertigungskapazitäten für Batterien und elektrische Antriebskomponenten sowie den Einsatz von Elektrofahrzeugen beschleunigen und dazu beitragen, die amerikanische Führungsrolle bei der Entwicklung der nächsten Generation fortschrittlicher Fahrzeuge zu übernehmen.
Die Ankündigung ist die größte Investition in fortschrittliche Batterietechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge, die jemals getätigt wurde. Branchenvertreter erwarten, dass diese Investition in Höhe von 2,4 Milliarden US-Dollar zusammen mit einem weiteren Kostenanteil von 2,4 Milliarden US-Dollar von den Preisträgern direkt zur Schaffung von Zehntausenden von Fertigungsplätzen in der US-amerikanischen Batterie- und Autoindustrie führen wird.
Die neuen Auszeichnungen umfassen Zuschüsse in Höhe von 1,5 Milliarden US-Dollar an Hersteller mit Sitz in den USA zur Herstellung von Batterien und deren Komponenten sowie zur Erweiterung der Recyclingkapazität von Batterien.
US-Vizepräsident Joe Biden kündigte in Detroit über 1 Milliarde US-Dollar an Zuschüssen für in Michigan ansässige Unternehmen und Universitäten an. Die Unternehmen und Institutionen in Michigan, die die Führungsrolle des Staates im Bereich der sauberen Energieerzeugung widerspiegeln, erhalten den größten Anteil an Zuschüssen aller Staaten. Zwei Unternehmen, A123 Systems und Johnson Controls, erhalten insgesamt rund 550 Millionen US-Dollar für den Aufbau einer Fertigungsbasis für fortgeschrittene Batterien. Zwei weitere Unternehmen, Compact Power und Dow Kokam, erhalten insgesamt über 300 Millionen US-Dollar für die Herstellung von Batterien Zellen und Materialien. Die in Michigan ansässigen großen Automobilhersteller, darunter GM, Chrysler und Ford, erhalten insgesamt mehr als 400 Millionen US-Dollar für die Herstellung von Batterien und elektrischen Antriebskomponenten. Und drei Bildungseinrichtungen in Michigan – die University of Michigan, die Wayne State University in Detroit und die Michigan Technological University in Houghton auf der Upper Peninsula – erhalten insgesamt mehr als 10 Millionen US-Dollar für Schulungs- und Schulungsprogramme für die Ausbildung von Forschern und Technikern und Diensteanbieter sowie Verbraucherforschung, um den Übergang zu fortschrittlichen Fahrzeugen und Batterien zu beschleunigen.
Energieminister Steven Chu besuchte Celgard in Charlotte, North Carolina, um einen Zuschuss von 49 Millionen US-Dollar für das Unternehmen zu erhalten, um die Separator-Produktionskapazität auszubauen, um die erwartete erhöhte Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien von Produktionsstätten in den USA zu bedienen. Celgard wird seine Produktionskapazitäten in Charlotte (North Carolina) und in der Nähe von Concord (North Carolina) ausbauen. Das Unternehmen geht davon aus, dass die neue Separator-Produktion 2010 online gehen wird. Celgard geht davon aus, dass ungefähr Hunderte von Arbeitsplätzen geschaffen werden könnten Arbeitsplätze, die bereits im Herbst 2009 beginnen.
Lisa Jackson, EPA-Administratorin, war in St. Petersburg, Florida, um einen Zuschuss in Höhe von 95,5 Millionen US-Dollar für Saft America, Inc. zu vergeben, um auf dem Gelände des ehemaligen Militärstützpunkts Cecil Field eine neue Anlage zum Bau von Lithium-Ionen-Zellen und -Modulen zu errichten und Batteriepacks für Militär-, Industrie- und landwirtschaftliche Fahrzeuge.
John Porcari, stellvertretender Sekretär des Department of Transportation, besuchte die East Penn Manufacturing Co. in Lyon Station, Pennsylvania, um dem Unternehmen einen Zuschuss in Höhe von 32,5 Millionen US-Dollar zu gewähren, um die Produktionskapazität für ventilgesteuerte Bleibatterien und die UltraBattery, eine Bleibatterie, zu erhöhen kombiniert mit einem Kohlenstoff-Superkondensator für Mikro- und Mild-Hybrid-Anwendungen.