Wiederaufladbare Batterien (auch Akkumulatoren oder Sekundärbatterien genannt) stellen die einzige Energiequelle in Batteriebussen dar und finden auch zunehmend Verwendung in Brennstoffzellen- und Hybrid-Oberleitungsbussen. Dabei handelt es sich um elektrochemische Speicher für Elektroenergie, die gleichzeitig auch als Energiewandler agieren. Bei der Ladung von Batterien bzw. Batteriezellen wird von außen anliegende elektrische Energie in chemische Energie gewandelt. Bei der Entladung durch das Anschließen eines Verbrauchers wird die gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie zurückgewandelt.
Wiederaufladbare Batterien (nachfolgend vereinfachend Batterien genannt) für mobile Anwendungen bestehen i. d. R. aus mehreren Modulen, die sich wiederum aus in Reihe und/oder parallel zusammengeschalteten Sekundärzellen zusammensetzen. Es existiert eine Vielzahl unterschiedlicher Zelltypen (Zellchemie), die sich hinsichtlich der für mobile Anwendungen wesentlichen Eigenschaften unterscheiden:
- Energiedichte (Wh/kg bzw. Wh/l, woraus sich unmittelbar der Energieinhalt ableitet),
- Leistungsdichte (W/kg bzw. W/l, woraus sich unmittelbar die Lade- und Entladeleistungen ergeben),
- Nutzungsdauer bzw. Zyklenfestigkeit (Anzahl der vollständige Lade- und Entladevorgänge bis zum Erreichen des definierten Nutzungsendes),
- Sicherheit sowie
- Kosten
Die nachfolgende Darstellung zeigt die Energie- und Leistungsdichten unterschiedlicher Zellchemievarianten. Dabei ist zu beachten, dass es sich jeweils um die Nettowerte auf Zellebene handelt. Durch deren Einhausung, Verkabelung und ggf. Temperierung sowie das notwendige Batteriemanagementsystem (BMS) sinken die Energie- und Leistungsdichten von Batterien signifikant ab.
Bis dato ist es noch nicht gelungen, in mobilen Anwendungen verwendbare Batterien zu entwickeln, die sowohl hohe Energie- als auch Leistungsdichten aufweisen, weshalb häufig in High-Energy- und High-Power-Batterien unterschieden wird.
Energiegehalt einer Batterie
Der Energieinhalt einer Batterie kann in unterschiedlicher Form angegeben werden. Die für Nutzer gängigste Form ist die Angabe in Kilowattstunden (kWh). Dabei ist zwischen nominalem sowie nutzbarem Energieinhalt zu unterscheiden. Auf Datenblättern wird häufig nur der nominale Energieinhalt bzw. die nominale Speicherfähigkeit einer Batterie aufgeführt. Ein vollständiges Laden bzw. Entladen einer Batterie würde jedoch u. a. zu einer vorschnellen Alterung führen, weshalb Batterien grundsätzlich nur in sog. Ladefenstern betrieben werden. Das Ladefenster beschreibt den Bereich zwischen dem minimal und maximal zulässigen Ladezustand (SOC = State of Charge) einer Batterie. Dieser liegt je nach Zelltyp zwischen etwa 10 und 90 %. Als Faustregel kann gelten, dass ca. 70 bis 85 % des nominalen Energieinhaltes nutzbar ist.
Lade- und Entladeleistung
Die Ladeleistung bestimmt die Energiemenge, die in einer bestimmten Zeit in eine Batterie eingespeichert werden kann und ist daher von eminenter Bedeutung für das Laderegime und somit für das Betriebskonzept. Die Ladeleistung kann mit Kilowatt (kW) als Absolutwert oder über den auch als E-Rate bezeichneten Verhältniswert zum nominellen Energieinhalt (Enom) angegeben werden (h-1). Die E-Rate steht in enger Beziehung zur gebräuchlicheren C-Rate, welche den Verhältniswert von Batteriestrom zum nominellen Ladungsinhalt (h-1) beschreibt. C-Rate = 1 bzw. 1C entspricht demjenigen Ladestrom, mit dem eine Batterie in genau einer Stunde vollständig nachgeladen wäre (Bezugsgröße = nomineller Ladungsinhalt (Cnom). Allgemein gilt für die maximale Ladeleistung PLmax
$$ {P_{Lmax} = C – {Rate_{Lmax}} \cdot C_{nom} \cdot U_{max} = E – {Rate_{Lmax}} \cdot E_{nom} } $$
Zu beachten ist jedoch, dass Batterien zumeist nicht über das gesamte Ladefenster hinweg mit der vollen Ladeleistung geladen werden. Im oberen SOC-Bereich wird die maximale Ladeleistung maßgeblich von der maximal zulässigen Batteriespannung limitiert. Weiterhin verringert sich im Laufe des Batterielebens, bedingt durch Alterungseffekte wie der Zunahme des Innenwiderstands, i. d. R. der Ladezustand ab dem eine signifikante Reduktion der Ladeleistung eintritt. Insbesondere bei zeitkritischen Puls- und Gelegenheitsladern ist daher das Ladefenster entsprechend anzupassen.
Die Entladeleistung ist i. d. R. ausreichend, um die Fahrzeuge zu beschleunigen und parallel die Nebenaggregate zu betreiben.
Zellbalancing
Sekundärzellen altern unterschiedlich und sind auch nie zu 100 % baugleich. Dadurch kommt es beim Laden und Entladen zu Unterschieden beim Ladezustand der einzelnen Sekundärzellen innerhalb einer Batterie. Die Sekundärzelle mit dem niedrigsten Ladezustand bestimmt während des Entladevorgangs die maximal entnehmbare Energie der gesamten Batterie. Analog limitiert die Zelle mit dem höchsten Ladezustand den Energieeintrag während des Nachladens. Daher müssen Batterien regelmäßig einem sog. Zellbalancing unterworfen werden, bei dem die Ladezustände der einzelnen Sekundärzellen ausgeglichen werden. Das Balancing wird i. d. R. automatisch vom BMS, z. B. in geeigneten Betriebsphasen mit geringer bis keiner Batterienutzung, durchgeführt. In seltenen Ausnahmen stehen dem BMS über längere Zeiträume nicht ausreichend Abschnitte zur Ausbalancierung der Zellen zur Verfügung. In diesem Fällen wird es ggf. erforderlich die notwendige Zeit für die Balancierung der Ladezeit zuzuschlagen.
Nutzungsdauer
Batterien unterliegen sowohl einer kalendarischen als auch einer nutzungsbedingten Alterung, wobei i. d. R. die Alterung durch Nutzung überwiegt. Batterien gelten per Definition für mobile Anwendungen als nicht mehr nutzbar, wenn die Speicherfähigkeit auf 80 % des Wertes im Neuzustand abgesunken ist. Häufig wird die Nutzungsdauer mit der Anzahl sog. Vollzyklen bis zum Erreichen dieses 80 %-Wertes beschrieben. Ein Vollzyklus beschreibt dabei die vollständige Ladung und Entladung einer Batterie. Dieser Wert ist für Nutzer jedoch wenig aussagekräftig, da die Angabe nur für ein bestimmtes Referenzbetriebsregime zutrifft, die tatsächlichen Betriebsbedingungen im Bus aber signifikant vom Referenzfall abweichen können. Nutzer sollten sich daher beim Kauf von Batteriebussen eine garantierte Nutzungsdauer in Jahren anbieten lassen, wofür Angaben zu den jährlichen Laufleistungen (Fz-km) notwendig sind, woraus der zu erwartende Energiedurchsatz als Bemessungsgröße für die Alterung ermittelt wird.
Sicherheit
Batterien sind technische Systeme, von denen wie von jedem technischen System Gefahren ausgehen können. Die größte Gefahr besteht durch Überhitzung von Batterien, was wiederum durch
-
eine Überladung der Batterien,
- zu hohe Ladeströme,
- steigende Innenwiderstände,
- mangelhafte Kühlung oder
- mechanische Fehler
hervorgerufen werden kann. Werden Batterien durch Batteriemanagementsysteme überwacht und innerhalb der vorgegebenen Parametern betrieben, wird das Risiko durch Überhitzung jedoch minimiert.
Kann bei verunfallten Bussen eine mechanische Schädigung der Batterie nicht vollständig ausgeschlossen werden, sollten diese bis zur Klärung des Schadensbildes auf einem separaten Abstellplatz im Freien abgestellt werden.
Batterien für Batteriebusse sowie nachgelagerte Hochvoltkomponenten weisen eine Gleichspannung auf, die bei Berührung für Menschen i. d. R. tödlich ist.
Temperierung von Batterien
Um ihre volle Leistung und Energie abgeben zu können, müssen Batterien in bestimmten Temperaturbereichen betrieben werden, die üblicherweise im Bereich von 15 – 25°C liegen. Bei Feststoff- oder sog. Lithium-Polymer-Batterien liegt die Betriebstemperatur deutlich darüber. In der Konsequenz bedeutet dies, dass Batterien an kalten Tagen vorkonditioniert werden müssen. Sobald Batterien ge- bzw. beim Fahren entladen werden, ist eine Beheizung i. d. R. nicht mehr notwendig, da sich die Batterien über den Innenwiderstand selbst erwärmen. Diese interne thermische Verlustleistung muss insb. an warmen Tagen über eine Kühlung abgeführt werden.
Kosten von Batterien
Obwohl die Kosten für Batteriezellen in den letzten Jahren enorm gesunken sind, stellen Batterien bei Batteriebussen den mit Abstand größten Einzelkostenpunkt dar. Dabei sind jedoch enorme Preisunterschiede zu verzeichnen. Diese liegen gegenwärtig
- für High-Energy-Batterien zwischen ca. 650 und 750 € / kWh und
- für High-Power-Batterien zwischen 800 und 1.200 € / kWh.
Für die Zukunft werden weitere Preisdegressionen vorhergesagt, jedoch muss dabei beachtet werden, dass diese sich zumeist auf Zellen oder auf Batterien für den Massenmarkt der Pkw beziehen.