Batterielebensdauer

Zunächst müssen wir den Unterschied zwischen einer Batterie und einem Akkumulator erklären.

In elektrochemischer Hinsicht ist eine Batterie eine Ansammlung von einer oder mehreren Primärzellen, d. h. Zellen, die nicht wieder aufgeladen werden können.

Ein Akkumulator ist eine elektrochemische Energiequelle, die aus einer oder mehreren Sekundärzellen besteht, die nach einer Entladung wieder aufgeladen werden können.

So werden in einer Fernbedienung in der Regel Primärzellen verwendet; Handybatterien, Starterbatterien für Autos und Batterien für Elektroautos sind Sekundärzellen und sollten korrekt als Akkumulatoren bezeichnet werden. Heutzutage werden die Begriffe „Batterie“ und „Akkumulator“ jedoch austauschbar verwendet, und der Begriff „Batterie“ wird üblicherweise für eine Gruppe wiederaufladbarer Zellen wie z. B. Traktionsbatterien verwendet – d. h. Batterien, die als Stromquelle für den Antrieb eines Elektrofahrzeugs dienen.

Insbesondere die Elektromobilität wirft viele Fragen darüber auf, wie Batterien am besten benutzt werden, damit sie so lange wie möglich halten. Laut der Europäischen Umweltagentur (2019) lag der Gesamtanteil der Elektrofahrzeuge, d. h. der Plug-in-Hybride (Elektroautos, die extern aufgeladen werden, und die mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet sind) und der rein elektrisch angetriebenen Fahrzeuge, im Jahr 2018 bei 2 % der insgesamt 257 Millionen Fahrzeuge. Die Erfahrung mit Elektrofahrzeugen in der breiten Öffentlichkeit ist also nicht sehr groß, und selbst unter Experten gibt es viele Mythen über batteriebetriebene Fahrzeuge. Das dringendste Problem ist die Lebensdauer der Batterie eines Elektrofahrzeugs. Wir werden erklären, was den größten Einfluss auf die Lebensdauer der Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs hat, egal ob es sich um ein E-Auto oder einen E-Bus handelt.

Das erste Element, das die Lebensdauer einer Traktionsbatterie beeinflusst, ist die Wahl der elektrochemischen Quelle. Derzeit werden in der Elektromobilität fast ausnahmslos Akkus auf Lithiumbasis eingesetzt. Das war nicht immer der Fall.

Die zweite Möglichkeit bestand darin, alkalische Ni-Cd- oder Ni-MH-Batterien zu verwenden. Diese Batterien waren ohne regelmäßiges Aufladen nicht mehr so anfällig wie die Blei-Säure-Batterien. Die Entwicklung der Elektromobilität wurde jedoch durch das Aufkommen von Lithiumbatterien erst richtig möglich. Auch bei den Lithiumakkus selbst gibt es zahlreiche Untergruppen, die sich nach den in den Elektroden verwendeten Elementen richten und die endgültigen Eigenschaften der Traktionsbatterie selbst bestimmen.

In den ersten Elektrofahrzeugen wurden herkömmliche Blei-Säure-Batterien eingesetzt, die jedoch nicht ideal sind, da sie sehr schnell schwächer werden, wenn sie nicht regelmäßig voll aufgeladen werden. Ein typisches Beispiel ist der Pick-Up ŠKODA ELTRA 151L und 151 Anfang der 1990er Jahre.

Die Lebensdauer der Traktionsbatterie wird durch zwei Indikatoren bestimmt.

Der erste ist die kalendarische Lebensdauer, d. h. die theoretische Zeit, in der die Batterie voll aufgeladen bleibt, bevor sie 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität erreicht.

Der zweite Indikator, der weitaus wichtiger für die Anforderungen der Elektromobilität ist, ist die zyklische Lebensdauer. Die zyklische Lebensdauer gibt an, wie viele Lade- und Entladezyklen eine Batterie erreicht, wenn sie wiederholt geladen und entladen wird. Die Anzahl dieser Zyklen hängt von der Entladetiefe (depth of discharge, DOD) und der durchschnittlichen Temperatur der Batteriezellen während ihrer Lebensdauer ab. In der folgenden Tabelle ist ein Beispiel für die Definition der zyklischen Lebensdauer einer Lithiumbatterie für eine chemische Variante einer Lithium-Titan-Oxid-Batterie (LTO) aufgeführt.

Andere Arten von Lithiumbatterien haben andere zyklische Lebensdauermerkmale.

Die oben genannten Lithium-Titan-Oxid-Batterien (LTO) haben die meisten Zyklen, in unserem Fall 39.000, wenn sie regelmäßig auf 80 % der Batteriekapazität entladen werden (80 % DOD). LTO-Akkus eignen sich auch für Anwendungen, bei denen eine hohe Leistung erforderlich ist, d.h. sehr schnelles Laden und Entladen, aber sie haben eine geringere Energiedichte (Wh/kg) als andere Arten von Lithiumakkus, sodass sie nicht für Anwendungen mit einer sehr großen Reichweite pro Ladung geeignet sind.

Im Gegensatz dazu haben Lithium-Magnesium-Kobalt-Batterien (NMC) eine der höchsten Energiedichten in Wh/kg und eignen sich daher für Anwendungen, bei denen eine hohe Reichweite pro Ladung erforderlich ist.

Demgegenüber steht die zyklische Lebensdauer. Einige Hersteller berichten von bis zu 6.000 Zyklen bei regelmäßiger Nutzung von 80 % der Batterieenergie (80 % DOD). Um eine ähnliche Lebensdauer wie bei LTO-Traktionsbatterien zu erreichen, muss die Kapazität von NMC-Traktionsbatterien entsprechend erhöht werden und nur ein Teil der Kapazität muss regelmäßig genutzt werden.

Der Nachteil aller derzeitigen Lithiumbatterien mit hoher Energiedichte ist ihre Unfähigkeit, schnell zu laden. Einige Typen können mit bis zu 2C geladen werden, was bedeutet, dass die Ladeleistung (kW) das Doppelte der Kapazität der Batterie in KWh betragen kann.

Im Gegensatz dazu können die leistungsstärksten LTO-Batterien mit einer Ladeleistung von 8C geladen werden. Umgerechnet auf die Ladezeit bedeutet dies, dass eine LTO-Batterie in 7,5 Minuten von 0 auf 100 % aufgeladen ist, während eine NMC-Batterie dafür 30 Minuten benötigt.

Es gibt jedoch noch einen weiteren Indikator, der beim Thema Ladezeit berücksichtigt werden muss, nämlich die Zelltemperatur. Beim Laden mit hoher Leistung steigt die Zelltemperatur aufgrund des Wärmeverlusts, der durch den Anstieg des Innenwiderstands der Zelle bei höheren Strömen oder Ladeleistungen verursacht wird, schnell an. Für das gesamte Traktionsbatteriesystem bedeutet dies, dass Schnellladesysteme (2C für NMC- und 8C für LTO-Batterien) über ein ausreichend dimensioniertes Kühlsystem verfügen müssen.

Derzeit wird häufig festgestellt, dass die Schnellladung für Traktionsbatterien schädlich ist. Eine Umfrage von Geotab (siehe Abbildung), die sich auf mehrere Bereiche der Bewertung von Traktionsbatterien konzentrierte, zeigte, dass die Kapazität von Traktionsbatterien bei der Nutzung von Elektrofahrzeugen durch Privatpersonen insgesamt schneller abnimmt.

Die Gesamtlebensdauer der Batterie kann in mehreren Schritten verlängert werden.

Der erste ist die Auswahl der richtigen Technologie für eine bestimmte Anwendung. Bei einem Elektrobus stellt sich zunächst die Frage, ob er ausschließlich im Stadtverkehr eingesetzt werden soll oder ob es sich um ein Fahrzeug handelt, das für längere Fahrten konzipiert ist.

Der nächste Schritt besteht darin, eine Strategie für die Entwicklung der Ladeinfrastruktur festzulegen und dabei die erwartete Häufigkeit des Aufladens zu berücksichtigen. Eine Batterie, die regelmäßig im Verkehr aufgeladen wird, im Extremfall bei jedem Halt, hat eine andere Lebensdauer als eine Batterie, die nachts im Depot nach einem vollen Betriebstag aufgeladen wird. Für häufiges Nachladen während des Betriebs kann die LTO-Technologie gewählt werden, da sie eine große Energiemenge in kurzer Zeit aufnehmen kann, und deren hohe zyklische Lebensdauer es möglich macht, dass die Lebensdauer der Traktionsbatterie mit der erwarteten Lebensdauer des Fahrzeugs übereinstimmt. Eine andere Traktionsbatterie eignet sich dagegen für eine größere Reichweite und die Aufladung über Nacht.

Der letzte Schritt ist die Auswahl der Traktionsbatteriegröße, d. h. der Energiemenge in kWh. Da die verfügbare Kapazität des Akkus im Laufe seiner Lebensdauer abnimmt, muss die Traktionsbatterie so ausgelegt sein, dass sie auch noch am Ende ihrer Lebensdauer die erforderliche Energie liefert. Einfach ausgedrückt: Das Elektrofahrzeug wird am Ende seiner Lebensdauer weiterhin die gewünschte Strecke zurücklegen. Dabei folgen wir nicht unbedingt der allgemein akzeptierten Ansicht, dass das Ende der Lebensdauer einer Batterie bei 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität liegt. Bei Lithiumbatterien kann diese Grenze auf z. B. 60 % herabgesetzt werden, da die Gesamtkapazität von Lithiumbatterien ungefähr linear abnimmt.

Unsere realen Beispiele von Traktionsbatterien zeigen den Zustand von Traktionsbatterien nach mehreren Betriebsjahren. Die ältesten Hybrid-Oberleitungsbusse mit LTO-Batterien von Škoda Electric sind seit 2014 in Betrieb. Nach der aktuellen Batteriezustandsmessung von 2019 ist die Kapazität der Traktionsbatterie auf zwei Prozent reduziert.

Bei Ekova, dem Hersteller von schnellladefähigen Elektrobussen in Ostrava, beträgt der aktuelle Kapazitätsabfall im Vergleich zur ursprünglichen Kapazität zu Beginn der Nutzungsdauer nach etwa 80.000 Kilometern weniger als ein Prozent. Da beide Anwendungen etwa 50 % der installierten Kapazität nutzen, haben die Traktionsbatterien dieser Fahrzeuge eine lange Lebensdauer. In diesen Fällen kann das Ende der Lebensdauer bei etwa 70 % der Restkapazität der Traktionsbatterie angesetzt werden.

Die Batterielebensdauer ist daher eine Frage der Wahl der richtigen Technologie für die Anwendung, nicht nur der Akku-Art, sondern der Traktionsbatterie als Ganzes, einschließlich ihrer Größe und der richtigen Kühltechnik. Die Lebensdauer selbst kann dann durch den Nutzer im Rahmen der richtigen Aufladung beeinflusst werden. Lithiumakkus können, nachdem sie in Fahrzeugen als Teil der Traktionsbatterien ausgedient haben, in stationären Speichern eingesetzt werden, wo sie noch viele Jahre lang genutzt werden können.

František Št'astný