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22.11.2017 | Energiemanagement im Elektrofahrzeug | Im Fokus | Onlineartikel

Zyklenfeste Lithium-Ionen-Akkus für das Nutzfahrzeug

Autor:
Andreas Burkert

Weil Lithium-Ionen-Akkus aus der Pkw-Sparte günstiger sind, werden sie von vielen Nfz-Herstellern genutzt. Ein Fehler. Denn dort werden bis zu 20.000 äquivalente Vollzyklen gefordert.

Die Nutzfahrzeug-Elektromobilität rollt zügig an. So kündigte die Daimler-Nutzfahrzeugtochter Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corporation (MFTBC) die vollständige Elektrifizierung aller ihrer Lkw- und Bus-Baureihen in den nächsten Jahren an; der 40-Tonner Tesla Semi-Truck soll ab 2019 rund 800 Kilometer weit kommen. Gute Nachrichten für die feinstaubelasteten Großstädte und für die Hersteller von Lithium-Ionen-Akkumulatoren. 

Für das Darmstädter Unternehmen Akasol ist diese Entwicklung im Übrigen Anlass genug, in Langen die nach eigenen Angaben europaweit größte Batteriefabrik für elektrische Nutzfahrzeuge zu eröffnen. Im Dreischichtbetrieb sollen dort ab dieser Woche LI-Batterien für 3.000 E-Busse pro Jahr hergestellt werden. 

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01.11.2017 | Titelthema | Ausgabe 11/2017

Lithium-Batterien für Nutzfahrzeuge Die Arbeiter unter den Energiespeichern

Lithium-Ionen-Batterien für Nutzfahrzeuge müssen sich von Akkumulatoren für Pkw unterscheiden. Dies liegt an höheren Leistungen, längeren Lebensdauern und einer Vielzahl an kleineren Ladungshüben. Akasol zeigt weitere Unterschiede auf und erklärt …

Wohlwissend, dass Nutzfahrzeuge gänzlich andere Anforderungen an den elektrischen Energiespeicher stellen, entwickelt das Unternehmen auf Basis verschiedener Zellen und Systemarchitekturen Lithium-Ionen-Batterien, "die sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und so auf bestimmte Einsatzzwecke optimiert werden können". So erklären es die Springer-Autoren Björn Eberleh und Stephen Raiser in ihrem Fachbeitrag Lithium-Batterien für Nutzfahrzeuge: Die Arbeiter unter den Energiespeichern aus der ATZ 11/2017.

Schwere Fahrzeuge beanspruchen den Energiespeicher stärker

Hintergrund ihrer wissenschaftlichen Arbeit ist, dass die "Anforderungen an Nutzfahrzeugbatterien in entscheidenden Bereichen deutlich höher sind als in anderen Segmenten und insbesondere im Pkw". Ihrer Ansicht nach führt deshalb ein Einsatz von Systemen, "die für den Pkw entwickelt wurden, im Nutzfahrzeug nur zu unbefriedigenden Ergebnissen". Dem Beitrag zufolge liegt dies unter anderem am Nutzungsprofil. Zwar werden Pkw von privaten Endkunden unter variablen und rauen Umgebungsbedingungen individuell eingesetzt. In den meisten Fällen aber sind die tatsächliche Zeit, in der der Pkw genutzt wird, wie auch die zurückgelegte Strecke vergleichsweise gering. 

Damit stehen im direkten Zusammenhang etwa 500 äquivalente Vollzyklen. Die reichen "völlig aus, um eine Fahrleistung von über 200.000 km zu erreichen. Teilzyklen wirken sich dabei positiv auf die Lebensdauer aus", wissen die Autoren. 

Im Gegensatz zum Pkw werden Nutzfahrzeuge meist sehr geplant über viele Stunden am Tag betrieben. Es kommt zu zahlreichen Brems- und Beschleunigungsvorgängen. Außerdem erfordern die schweren Fahrzeuge leistungsstarke Antriebe, die den Energiespeicher in diesem Profil entsprechend beanspruchen."

Die Folge: Der typische Speicher in Nutzfahrzeugen wird quasi kontinuierlich mit hohen Leistungen in Lade- und Entladerichtung betrieben und ist dabei einer Vielzahl an kleineren Ladungshüben ausgesetzt, gegebenenfalls überlagert von großen Hüben über den Tag.

Nfz-Akkus müssen bis zu 20.000 äquivalente Vollzyklen überstehen

Die hohen Leistungen wirken sich dabei maßgeblich auf die Zelltemperatur aus. Und weil die Temperatur einen sehr großen Einfluss auf das Reaktionsverhalten der chemischen Prozesse in der Zelle hat, wie es unter anderem auch die Autoren im Kapitel Elektrochemische Energiespeicher aus dem Buch Energiespeicher erklären, ist nicht nur die Zellausführung wichtig. Wesentlich bedeutender für einen zuverlässigen Betrieb über viele Jahre ist die richtige Temperierung der Zellen. Das konnten die Akasol-Ingenieure im Übrigen ebenso nachweisen wie den Einfluss einer nicht korrekten mechanischen Anbindung der Zellen. 

So schreiben sie, dass etwa bei ungeeigneter konstruktiver Ausführung "Abweichungen um den Faktor zwei bei der Lebensdauer auf Zell- und Systemebene beobachtet werden". Wenn es schließlich mit den genannten Maßnahmen gelänge, eine Auslegungs-Lebensdauer von acht Jahren zu erreichen, dann sollen laut Akasol die Nfz-spezifischen Akkus über den Lebenszyklus wirtschaftlich konkurrenzfähig sein. Bemerkenswert wäre dann, dass in diesem Zeitraum bis zu 20.000 äquivalente Vollzyklen abgerufen werden. Das entspricht im Übrigen dem 40-Fachen im Vergleich zur Pkw-Batterie. 

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