Sonntag, 26 August 2012 21:33

Kapitel 2 Begriffsdefinitionen und Batterieaufbau

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Kapitel 2 Begriffsdefinitionen und Batterieaufbau von J. Hammerschmidt (Eigenes Werk), via Wikimedia Commons

Der Begriff Batterie wird im alltäglichen Sprachgebrauch für eine Vielzahl verschiedener Dinge verwendet, weshalb im Folgenden anhand des Batterieaufbaus einige Begrifflichkeiten geklärt werden sollen. Weiterhin wird ein Überblick über die Funktionen des Batteriemanagementsystems gegeben, welches zusammen mit der Batterie ein vollständiges Batteriesystem bildet. Das Kapitel schließt mit einer kurzen Abhandlung über die verschiedenen, derzeit eingesetzten Zellformen.

Begriffsklärungen und allgemeiner Aufbau

 

Als Batterie wird in der Technik ein elektrochemischer Speicher bezeichnet. Batterien werden grundsätzlich zwischen zwei verschiedenen Typen unterschieden. Sogenannte „Primärbatterien“ sind nur einmal verwendbar, die Entladung ist der primäre und einzige Schritt bei der Verwendung der Batterie. „Sekundärbatterien“ hingegen können wieder aufgeladen werden, bei ihnen folgt die nutzbringende Entladung als zweiter, sekundärer, Schritt vor der Aufladung.  Sekundärbatterien werden auch als Akkumulatoren, kurz Akkus, bezeichnet. Wenn im Folgenden der Begriff Batterie verwendet wird, so sind immer Sekundärbatterien gemeint, da nur diese einen sinnvollen Einsatz in Elektrofahrzeugen erlauben.

Das Grundprinzip der Batterie basiert auf der galvanischen Zelle. In ihr wird gespeicherte chemische Energie durch Redoxreaktionen in elektrische umgewandelt und abgegeben oder auch durch Elektrolyse elektrische Energie aufgenommen und in chemischer Form gespeichert. Die Grundbestandteile einer jeden Zelle sind dabei wie in Abbildung 1 dargestellt:

  1. Elektroden in Form von Anode und Kathode
  2. Separator
  3. Elektrolyt
  4. Zellengehäuse

 

Abbildung 1 Aufbau und Komponenten der galvanischen Zelle

 

All diese Elemente sind in den verschiedenen Batterietechnologien vorhanden, lediglich die Wahl der Materialien und Stoffe ändert sich. An den Elektroden finden die Reduktions- bzw. Oxidationsreaktionen von Metall-Ionen bzw. -Atomen statt, sodass bei einer elektrischen Verbindung zwischen Anode und Kathode ein Strom fließt. Die Wahl der Metalle für die Elektroden bestimmt dabei die Zellspannung gemäß der elektrochemischen Spannungsreihe.  Der Elektrolyt verbindet beide Elektroden miteinander, indem er den Austausch von Ionen möglich macht. Ein ionendurchlässiger Separator ist zwischen den Elektroden angeordnet, um einen Kurzschluss der Zelle zu verhindern. Alle Alterungsprozesse der Zelle sind darauf zurückzuführen, dass die einzelnen Komponenten im Laufe der Zeit miteinander reagieren bzw. nicht mehr miteinander reagieren, indem sie ihre Struktur verändern und stabilere Zustände oder Verbindungen eingehen. Die Wahl der Materialien hat daher entscheidenden Einfluss auf die Lebensdauer, den Energieinhalt sowie die intrinsische Sicherheit der Zelle.

Die kleinste Einheit einer Batterie ist die Zelle. Da für viele portable Geräte aber schon einzelne Zellen ausreichen, um diese zu versorgen und im Einzelhandel hauptsächlich diese separat verkauft werden, hat sich die Bezeichnung Batterie im allgemeinen Sprachgebrauch auch für Batteriezellen durchgesetzt. Für Traktionsbatterien, die über einen großen Energieinhalt verfügen müssen, reichen einzelne Zellen nicht aus. Hier werden mehrere Zellen zuerst zu Modulen verschaltet, die Module dann zu Strängen (englisch: „stacks“) zusammengefasst und mehrere Stränge bis zum Erreichen der gewünschten Kapazität in einem Gehäuse fest installiert, welches dann die eigentliche Batterie darstellt.

Da jedoch für Traktionsbatterien besondere Sicherheitsstandards eingehalten werden müssen und bei der Be- und Entladung bestimmte Regeln zu beachten sind, werden mit solch einer Batterie auch immer Zusatzsysteme installiert. Diese bilden zusammen mit der Batterie das sogenannte Batteriesystem.

Batteriemanagement- und Sicherheitssysteme

 

Die Leistungsfähigkeit sowie die Lebensdauer von Batterien werden stark von deren Betriebsweise beeinflusst. Über- und Tiefentladungen sowie zu hohe Temperaturen können die Zellen dauerhaft schädigen oder gar zu gefährlichen Betriebszuständen führen. Deshalb ist es notwendig, dass die Zellen zentral überwacht und gesteuert werden. Diese Aufgabe übernimmt in Elektrofahrzeugen das Batteriemanagementsystem (BMS). Es erfüllt dabei folgende Funktionen:

  • Temperaturüberwachung und Kühlung der Zellen
  • Strom- und Spannungsüberwachung
  • Ladezustandsbestimmung und Ladungsausgleich einzelner Zellen
  • Steuerung des Lade- und Entladevorgangs
  • Auffinden fehlerhafter Zellen
  • Protokollierung der Ladezyklen

 

Das BMS überwacht somit einerseits passiv den Zustand der Zellen und greift andererseits aktiv ein, wenn bestimmte Parameter überschritten werden. Jede Zelle wird einzeln durch Sensoren bebachtet. Die Kühlung der Batterie kann mit Luft oder Wasser durchgeführt werden, und hängt vom Zelltyp sowie anderen Faktoren, wie Kosten oder Größe des Systems ab. Bei großen Batterien für vollelektrische Fahrzeuge können die meisten Komponenten des BMS nicht mehr direkt im Batteriegehäuse untergebracht werden. In diesem Falle ist das Managementsystem fester Bestandteil des Fahrzeuges.

Zelltypen

 

Das Funktionsprinzip der Batterie basiert auf der galvanischen Zelle. Die Grundbestandteile einer jeden Zelle sind:

  1. Elektroden in Form von Anode und Kathode
  2. Kollektoren
  3. Separator
  4. Elektrolyt
  5. Zellengehäuse

 

All diese Elemente sind in den verschiedenen Batterietechnologien vorhanden, lediglich die Wahl der Materialien und Stoffe ändert sich. Das Zellgehäuse dient dem Schutz der Zellkomponenten vor mechanischen und anderen schädigenden Einflüssen. Im Laufe der Zeit wurden dabei verschiedene Formen entwickelt, um einerseits die einzelnen Bestandteile innerhalb der Zelle optimal und möglichst Platz sowie Material sparend anzuordnen, und um andererseits den praktischen Anforderungen für einen Einsatz in portablen und mobilen Geräten gerecht zu werden. So unterscheidet man grundsätzlich vier verschiedene Zellentypen:

  • zylindrische Zelle
  • prismatische Zelle
  • Knopfzelle
  • Folienzelle

 

Zylindrische, prismatische und Folienzellen finden dabei Anwendung in Traktionsbatterien, Knopfzellen spielen lediglich im Consumer Bereich eine Rolle. Die Batteriehersteller gehen bei der Konstruktion der Zellen für Elektrofahrzeuge bisher verschiedene Wege. So verwendet Mitsubishi für sein Elektrofahrzeug iMiEV prismatische Zellen von der japanischen Firma GS Yuasa, die Li-Tec Battery GmbH aus Sachsen produziert Folienzellen für die Daimler AG und die amerikanische Firma A123 bietet zylindrische Zellen für Hybridfahrzeuge an (Stand 2010). Zylindrische Zellen halten aufgrund ihrer Konstruktion hohe mechanische Belastungen aus, sind günstig herzustellen und weisen darüber hinaus die größte Energiedichte auf. Problematisch ist jedoch die Anordnung der Zellen in Modulen und Strängen, denn durch die runden Formen entstehen viele ungenutzte Zwischenräume. Weiterhin ist die Wärmeentwicklung in der Zelle schwer beherrschbar, weil die Wärme im Innern der Zelle entsteht, wo nur schwer gekühlt werden kann.

Die prismatische Zelle hingegen kann sehr platzsparend angeordnet werden, weist dafür aber eine geringere mechanische Stabilität auf. Ähnlich sind Folienzellen aufgrund ihrer sehr flachen Konstruktion platzsparend einsetzbar, und da statt Metallen, besondere Folien die Zelle umschließen, kann eine sehr hohe gravimetrische Energiedichte erreicht werden. Ein Problem ist die hohe Anfälligkeit gegenüber mechanischen Belastungen, welche im schlimmsten Fall nicht nur zum Zerstören der Zelle, sondern auch zur Gefahr für den Anwender werden, wenn die Zellmaterialien freigesetzt werden. Jedoch konnten in der Vergangenheit Folienzellen entwickelt werden, die hohe mechanische Punktbelastungen und sogar Nageltests ohne gefährliche Reaktionen oder Schadstoffaustritte bestehen. Deshalb ist vorstellbar, dass sich die Folienzelle aufgrund der genannten Vorteile trotz höherer Produktionskosten in der Zukunft durchsetzen wird.

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