In elektrifizierten Antriebssträngen sind elektrische Energiespeicher zur Versorgung von Antriebsmotoren erforderlich. Die Auswahl eines geeigneten Energiespeichers ist von mehreren Kriterien abhängig. Folgend werden die Varianten eines BEVs (Battery Electric Vehicle) und eines Hybridantriebs in Form eines FCEVs (Fuel Cell Electric Vehicle) betrachtet.
Im Falle des BEVs wird die gesamte Energie aus dem Akku bereitgestellt und eine hohe Leistungsabgabe und -aufnahme muss gegeben sein. Außerdem ist der zur Verfügung stehende Bauraum in Fahrzeugen beschränkt, ebenso wie die durch die Akkus eingebrachte Masse. Aufgrund dieser Anforderungen werden hohe Energie – und Leistungsdichten des Energiespeichers gefordert. Aktuell liefert die Lithium-Ionen-Akku-Technologie in ihren unterschiedlichen Ausführungen die Kombinationen aus höchster Energie- und Leistungsdichte. Die erforderliche Kapazität und Leistungsabgabe ist bei hybriden Antriebslösungen aus Brennstoffzellensystem und Akku abhängig vom Grad der Hybridisierung. Wenn die erforderliche Energiedichte gering ist, jedoch eine hohe Leistungsabgabe und -aufnahme erforderlich ist, bieten sich für derartige Fälle insbesondere Superkondensatoren (SuperCaps) an. Weitere Anforderungen an einen Fahrzeugeinsatz elektrischer Energiespeicher sind folgend gelistet.
Anforderungen an elektrische Energiespeicher:
- Anforderungsentsprechende Energie- und Leistungsdichte
- Zyklenstabilität
- Überladungs- und Tiefenentladungsstabil
- Selbstentladungsverhalten
- Mechanische Festigkeit (z.B. Vibrationen und Stoß)
- Thermische Beständigkeit
- Beständig gegen Salzwasser
- Verhalten im Brandfall
- Gewicht
- Kosten
Aktuell werden diese Anforderungen am besten durch Lithium-Ionen-Akkus erfüllt.
Lithium-Ionen-Akkus
Diese Bezeichnung umfasst eine Gruppe von Akkus mit unterschiedlichen Materialkombinationen und internen Aufbau.
Durch die variablen Materialkombinationen lassen sich sowohl hohe Leistungsdichten bei guten Energiedichten als auch hohe Energiedichten bei guten Leistungsdichten erzielen. Eine Materialkombination für BEVs mit hoher Energiedichte setzt sich kathodenseitig aus einer Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt (LNMC) zusammen, wobei die jeweiligen Anteile variabel sind. Es besteht jedoch ein Bestreben den Cobaltanteil möglichst gering zu halten. Anodenseitig werden mit Lithium-Graphit- und Lithium-Graphit-Silizium-Kombinationen hohe Energiedichten erreicht. In hybriden Konfigurationen, wie zum Beispiel FCEVs mit geringeren Anforderungen an die Energiedichte, liefert anodenseitig eine Lithiumtitanat (LTO) Materialkombination eine sehr hohe Leistungsdichte und Lebensdauer. Es wird erwartet, dass Lithium-Ionen-Akkus Energiedichten von bis zu 300 Wh/kg und Leistungsdichten von bis zu 3 kW/kg (bei Hybridfahrzeugen) für den Fahrzeugeinsatz erreichen (Stand 2019).
Superkondensatoren (SuperCaps)
In Anwendungen wo ein geringer Gesamtenergiebedarf gefordert ist, jedoch kurzzeitig hohe Entlade- und Beladeleistungen erforderlich sind, eignen sich speziell Superkondensatoren (SuperCaps). Diese grenzen sich von Akkus primär dadurch ab, dass keine elektrochemischen Reaktionen innerhalb des Superkondensators stattfinden, sondern die Energiespeicherung rein elektrostatisch abläuft. Dies hat einen positiven Einfluss auf die Zyklenstabilität, welche bis zu eine Millionen Zyklen erreichen kann. Superkondensatoren erreichen Leistungsdichten von bis zu 20 kW/kg bei Energiedichten von 5-8 Wh/kg (Stand 2019). Bei einer maximalen Leistungsabgabe wäre der Superkondensator jedoch bereits nach etwa einer Sekunde vollständig entladen, sodass eine Anwendung dann sinnvoll ist, wenn hohe Leistungen über einen Zeitraum von wenigen Sekunden gefordert sind.
Literatur
[1] H. Tschöke, P. Gutzmer und T. Pfund, Elektrifizierung des Antriebsstrangs: Grundlagen-vom Mikro-Hybrid zum vollelektrischen Antrieb. Springer-Verlag, 2019.
[2] A. Kampker und H. H. Heimes, Elektromobilität. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2024.
[3] M. Hilgers, Alternative Powertrains and Extensions to the Conventional Powertrain. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2023.
