Traktionsbatterie

Traktionsbatterie – Herz von Elektroautos und smarter Energiespeicher

Inhalt des Wiki-Artikel

• Historie der Traktionsbatterie
• Traktionsbatterien als smarte Energiespeicher
• Funktionsweise einer Traktionsbatterie
• Traktionsbatterien in Fahrzeugen

Laut Definition setzt sich eine Traktionsbatterie aus Akkumulatorenzellen oder Akkublocks zusammen. Synonym verwendet werden die Begriffe Traktionsakku, Antriebs- und Zyklenbatterie. In Elektroautos werden Traktionsbatterien als Speicher eingesetzt, in Wohnmobilen und Krankenwagen werden sie als Verbraucherbatterien für Licht, Kühlung und Heizung genutzt. Außerdem finden sie in der Industrie Anwendung, sie werden für elektrische Flurförderzeuge wie zum Beispiel einen Stapler gebraucht.¹

Historie der Traktionsbatterie

Bereits in den 1830ern gab es den ersten einsatzfähigen Elektromotor, die erste wiederaufladbare Batterie – die Blei-Säure-Batterie – wurde Ende der 1850er entwickelt. Von Gustave Trouvé wurde die erste Traktionsbatterie mit einer Nennspannung von 12 Volt zusammengesetzt, die er 1881 in sein Elektrofahrzeug Trouvé Tricycle einbaute. Nur wenige Monate später präsentierten William Edward Ayrton und John Perry eine verbesserte Traktionsbatterie mit einer Nennspannung von 20 Volt. In den ersten Elektrofahrzeugen waren die Traktionsbatterien noch offen verbaut, ab 1888 wurden spezielle Gehäuse benutzt oder die Traktionsakkus verkleidet. Im selben Jahr begann die Accumulatoren-Fabrik Tudorschen Systems Büsche & Müller OHG, die heute unter dem Namen Varta firmiert, Bleiakkumulatoren industriell zu produzieren.

Um 1900 wurden der Nickel-Eisen-Akkumulator von Thomas Edison und der Nickel-Cadmium-Akkumulator von Waldemar Jungner entwickelt, so dass neue chemische Zellen für Traktionsbatterien genutzt werden konnten. Der Nickel-Eisen-Akku wurde für verschiedene Elektroautos genutzt und besitzt eine sehr hohe Lebensdauer, in einem Baker Electric ist er nach rund 100 Jahren immer noch funktionstüchtig. Die Erfindung des elektrischen Anlassers, mit dem unter Zuhilfenahme einer Starterbatterie Verbrennungsmotoren leicht gestartet werden konnten, sorgte für das Ende der Hochzeit der Elektroautos. Infolgedessen brach die Weiterentwicklung von Akkumulatoren und Batterien ein.

Eine intensive Akku-Forschung entstand erst wieder ab 1990, als kalifornische Autohersteller per Gesetz dazu verpflichtet wurden, emissionsfreie Fahrzeuge zu bauen. Die Zellchemie wurde weiterentwickelt, Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren und Lithium-Ionen-Akkus eingesetzt. Durch eine Lockerung des Gesetzes wurden aber auch diese Ansätze nicht ernsthaft weiterverfolgt. Erst im 21. Jahrhundert wurde der Lithium-Ionen-Akkumulator als Traktionsbatterie bedeutsam, da im Rahmen der global vereinbarten Energiewende nach Möglichkeiten gesucht wurde, die Emissionen im Verkehrsbereich deutlich zu verringern beziehungsweise sie am besten ganz zu vermeiden.²

Traktionsbatterien als smarte Energiespeicher

Nicht nur Elektromotoren können von Traktionsbatterien mit Energie versorgt werden, sondern auch das Smart Home. Es ist nämlich möglich, die Energie vom Elektroauto durch Rückspeisung ins Smart Home zu transferieren. Dieses Verfahren heißt Vehicle to Home (V2H) oder Vehicle to Building (V2B). Voraussetzung ist, dass die Ladestation zu Hause die Energie bidirektional steuern kann. Neben der Rückspeisung ins Smart Home ist es auch möglich, die Energie von der Traktionsbatterie in ein Smart Grid zu übertragen. In diesem Fall spricht man von Vehicle to Grid (V2G).³

Funktionsweise einer Traktionsbatterie

Traktionsbatterien verfügen über eine wesentlich höhere Kapazität als Gerätebatterien. Einen festgelegten Standard gibt es unter den verschiedenen Herstellern nicht, oft werden Traktionsbatterien mit Rundzellen verwirklicht, aber es gibt auch welche mit stab- und becherförmigen Elektroden. Bei Blei-Säure-Akkumulatoren spielt der Elektrolyt eine wesentliche Rolle, der aus einer Lösung aus Schwefelsäure und Wasser besteht. Wird die Batterie wieder aufgeladen, wandelt sich Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff um. Bei Batterien mit Flüssigelektrolyt muss dieser Wasserverbrauch ausgeglichen werden, indem entmineralisiertes Wasser nachgefüllt wird.⁴

Traktionsbatterien in Fahrzeugen

Werden Traktionsbatterien mobil statt stationär verwendet, erhöhen sich die Sicherheitsanforderungen. Vor allem müssen die Batterien mechanische Einwirkungen aushalten können oder davor geschützt werden. Im ersten Fall können sichere Zellchemien die Lösung sein, auch wenn diese meist schlechtere elektrische Kennwerte aufweisen, zum Beispiel Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren. Geschützt werden Traktionsbatterien durch konstruktive Elemente, etwa durch Batterietröge im Unterboden, die in Crashtests auf ihre Haltbarkeit geprüft wurden. Die beiden Methoden können kombiniert werden, um die größtmögliche Sicherheit zu gewährleisten.

Reine E-Autos sind mit anderen Traktionsbatterien ausgestattet als Hybridfahrzeuge. In vollelektrischen Wagen sind Hochenergiezellen verbaut, die weniger Platz benötigen und ein geringeres Gewicht aufweisen als andere Zellenarten. Die Kapazität muss groß genug für die notwendigen Lade- und Entladevorgänge sein. Die Strombelastung erfolgt bei Elektroautos gleichmäßiger als bei Hybridfahrzeugen.

Der Großteil der Antriebsenergie ist in Hybridautos als chemische Energie gespeichert, die Kapazität der Traktionsbatterie ist deutlich geringer als bei E-Autos. Über Bremsvorgänge wird sie wieder aufgeladen. Traktionsbatterien für Hybride sind mit Hochstromzellen ausgestattet, die im Hinblick auf die Strombelastung einen guten Wirkungsgrad aufweisen und eine angemessene Lebensdauer bieten.⁵

In der Regel arbeiten Traktionsbatterien in Elektroautos mit Nennspannungen zwischen 350 und 400 Volt. Sie dienen allein dem Antrieb, Verbraucher wie das Radio oder Licht werden über eine gesonderte Batterie versorgt, üblich sind Spannungen zwischen 12 und 48 Volt. Die beiden Systeme bestehen isoliert nebeneinander. Die Preisentwicklung von Listenfahrzeugen wird zum Teil von der Kapazität der Traktionsbatterie beeinflusst. Ab 2017 boten einige Hersteller ihre E-Autos mit erhöhter Kapazität an. Der Ford Focus Electric wurde ab diesem Jahr mit einer Batterie mit 35 kWh statt 23 kWh angeboten, der Preis für das Fahrzeug blieb gleich. Hingegen hatte die Kapazitätserhöhung von 24,2 kWh auf 35,8 kWh beim e-Golf eine Preissteigerung zur Folge, die Kosten für das Basismodell stiegen von 34 900 Euro auf 35 900 Euro an. Also kann die Entwicklung der Fahrzeugpreise nicht allein aus der Preisentwicklung für Traktionsbatterien abgeleitet werden. Dies zeigt auch der Vergleich zum Nissan Leaf, der wahlweise mit einer Batterieleistung von 24 kWh oder 30 kWh angeboten wurde, mit der geringeren Leistung kostete das Fahrzeug 29 690 Euro, mit der höheren 31 960 Euro.⁶