Akkumulatoren

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Bleiakkus

Allgemein

Bleiakkus haben eine lange Historie. Ihre Nachteile sind das hohe Gewicht und die geringe Energiedichte. Dem gegenüber steht im Rollerbetrieb ein günstiger Preis und eine relativ einfache Handhabung. Die einzelnen Akkus besitzen 12V Nennspannung und werden in Serie und parallel geschaltet, um auf die erforderliche Spannung und Kapazität zu kommen. Es gibt heute verschiedene Arten von Bleiakkus. Im Elektroroller werden heute nur noch zyklenfeste Blei-Gel und AGM (Blei-Vlies) eingesetzt, wobei AGM-Akkus in jeder Lage betrieben werden können. Beide Typen sind wartungsfrei und müssen nicht nachgefüllt werden. Blei-Säure spielt im Traktionsbetrieb keine Rolle mehr. Die nominale Kapazität eines Blei-Akkus (Ah), die vom Hersteller über einen Entladezeitraum von typischerweise 20 Stunden ermittelt wurde, kann bei Hochstrom-Entladung (z. B. Fahren mit Dauervollgas) nur zum Teil abgerufen werden (oft nur 2/3 des Nominalwertes). Bei Kälte nimmt die nutzbare Kapazität etwas ab (< 85% bei 0°C).

Pflege und Wartung

Neue Bleiakkus sollten vorsichtig eingefahren werden. Man spricht hier auch von "formieren". Mindestens die ersten 5 Ladezyklen sollte max. 60% der möglichen Kapazität entnommen werden. Hierbei gilt eine Leerlaufspannung von 10,8V als entladen, während 13,8V einen vollen Akku kennzeichen. Das Ladegerät sollte auf Bleiakkus ausgelegt mit 14,4 Volt Ladeschlussspannung sein, damit dann eine passende Lade-Kennlinie verwendet wird, um den Akku mit 13,8 Volt Konstantspannung zum Ende des Ladevorganges bis auf idealerweise Null Ampere den Vorgang abschliesst. Weiterhin sollten Bleiakkus nicht tiefentladen (unter 10,8V) und nach Möglichkeit kurzfristig wieder aufgeladen werden. Wird ein Blei-Akku längere Zeit nicht aufgeladen, können sich im Inneren größere Sulfatkristalle bilden, die sich beim Laden nicht mehr auflösen lassen und so seine Kapazität verringern. Auch ein "eingefahrener" Bleiakku sollte maximal zu 80% (auf lediglich 11,5V) entladen werden, um die nominale Lebensdauer (von z. B. 250 Entladezyklen) zu erreichen. Bleiakkus haben keinen "Memory-Effekt" und können (sollten) auch nach kurzer Fahrt wieder geladen werden.

Lithium-Akkus

Allgemein

Lithium-Akkus haben über den Einsatz bei Smartphones und Notebooks auch den Weg in Elektrofahrzeuge gefunden. Trotz eines hohen Anschaffungspreises und einer etwas höheren Komplexität bieten sie handfeste Vorteile. Ihre Energiedichte ist wesentlich höher und sie wiegen oft weniger als die Hälfte vergleichbarer Bleiakkus. Weiterhin können sie höhere Lade- und Entladeströme verkraften. Auch der Rückgang der nutzbaren Kapazität bei schneller Entladung (bzw. hohem Entladestrom) ist nur gering; insbesondere im Vergleich zur drastischen Abnahme bei Blei-Akkus. Üblicherweise werden Lithium-Ionen und Lithium-Eisen-Phosphat eingesetzt. Letzterer ist eine Weiterentwicklung und besitzt eine höhere Lebensdauer, ist besonders hochstromfähig und weniger empfindlich bei niedrigen Temperaturen. Bei extremer Kälte mit Minusgraden kommt die Leistungsfähigkeit von Lithium-Akkus aber generell an ihre Grenzen. Unter 0°C ist auch oft das Laden nicht zugelassen.

Pflege und Wartung

Lithium-Akkus sollten nach Möglichkeit mit "Balancern" bzw. einem "Batterie-Managementsystem" (BMS) betrieben werden, das Spannungsunterschiede der Zellen ausgleicht und verhindert, dass einzelne Zellen zu tief oder zu hoch geladen werden. Hier gilt auch, dass ein Ladegerät mit passender Kennlinie für Lithium-Akkus verwendet werden sollte. Dieser Akkutyp kennt ebenfalls keinen "Memory-Effekt" und ist im Gegensatz zu Bleiakkus nicht so empfindlich, wenn er nicht sofort wieder aufgeladen wird. Auch bei einer regelmäßigen Energieentnahme von. 90% der Nennkapazität erreichen Lithium-Akkus hohe Lebensdauern. Der max. Ladestrom beträgt bis zu 1C (Datenblatt beachten!), d. h. ein Akku mit 40 Ah kann ggf. mit 40 A geladen werden.

Lebensdauer von Akkus

Ladezyklen und Entladetiefe

Die Angaben der Hersteller zur Lebensdauer der Fahrzeugakkus sind oft verwirrend und von Fachbegriffen gespickt, die sich auf den ersten Blick nicht erschließen. In der Regel wird die Akkulebensdauer in Ladezyklen angegeben. Verwunderlich ist es aber, wenn z. B. ein Fahrzeughersteller im Prospekt eine Lebensdauer eines Lithium-Ionen Akkus mit 1.000 Ladezyklen angibt. Ein Anderer, der Akku-Zellen des gleichen Zellen-Herstellers verwendet, aber nur von 700 Zyklen redet. Schaut man in die Datenblätter der Akku-Zellen liest man dann z. B. 700 cycles DOD 100%. Im Labortest des Zellherstellers hat der Zelltyp dann also 700 Ladezyklen mit 100% Entladetiefe (deep of discharge = DOD) überlebt. Wobei diese Zyklenzahl nur aussagekräftig ist, wenn auch die verbliebene nutzbare Restkapazität von z. B. 70% angegeben wird. Mit verringerter Entladetiefe z. B. DOD 80% (Entladung von 100% auf 20% SOC = state of charge) nimmt die Zyklenlebensdauer in der Regel rapide zu. Und da sich in diesem Bereich ja die übliche Nutzung abspielt, wird teilweise auch mit diesen (höheren) Zyklenzahlen geworben. Bei teuren Lithium-Akkus können die Hersteller zudem in der Schutzelektronik des Akkus (BMS) den Bereich der Spannung eingrenzen, in dem der Akku betrieben wird, um dessen Gesundheit vor Effekten der Überladung und Tiefentladung zu schützen und dessen Leben zu verlängern.

Wird dem Akku in der gewöhnlichen Nutzung nur etwa 50% der Energie entnommen (DOD 50), bevor wieder geladen wird, nutzt man den Akku zwar nur zu 50% aus. Die Anzahl dieser 50%-Zyklen, die der Akku dann überleben kann, liegt aber gewöhnlich bei deutlich mehr als 200% jener Zahl, die für DOD 100 versprochen wird (im Beispiel also vielleicht über 2.000 Zyklen). Insofern ist dieses frühzeitige Nachladen bezogen auf den Akku-Verschleiß wirtschaftlich sinnvoll (wenn entsprechende Lademöglichkeit vorhanden ist).

Bei Blei-Akkus werden die Angaben zur Zyklen-Lebensdauer in der Regel für DOD 80% angegeben, da tiefere Entladung deren Leben drastisch verkürzt. Lithium-Akkus sind da weniger empfindlich und vertragen das eine oder andere Ausfahren der kompletten Reichweite.

Die Anzahl der Ladezyklen, die der Akku im realen Leben und über viele Nutzungsjahre hinweg übersteht, wird aber wohl deutlich geringer liegen, als die bei idealen Laborbedingungen (z. B. 25°C) ermittelten Herstellerangaben. Bei Blei-Akkus ist die Lebensdauer auch stark davon abhängig, wie die Akkus bei längerer Nicht-Nutzung (z. B. über den Winter) behandelt werden (=> regelmäßiges "Auffrischen" der Ladung verhindert die Bildung großer Sulfatkristalle auf den chemisch aktiven Oberflächen).

Aufbau von Fahrzeug-Akkus

Warnhinweis: Wer bei Fahrzeug-Akkus selbst Hand anlegt, muss sich im Klaren sein, dass hier große Energiemengen gespeichert sind und im Fehlerfall extrem hohe Ströme fließen können, die zu Brand- und ggf. sogar Explosionsschäden führen können. Auch die direkte Gefahr durch elektrischen Schlag bei Spannungen jenseits der 60 Volt sollte nicht unterschätzt werden. Die folgende Darstellung soll verdeutlichen, wie die Akkus technisch aufgebaut sind. Sie sollte nicht so missverstanden werden, dass hier ggf. auch die Ausführung von Arbeiten am Akku durch nicht fachkundige Laien angeregt oder deren Risiko verharmlost werden soll.

Blei-Akkus

Bei Blei-Akkumulatoren ist die Sache recht einfach. Die Fahrzeug-Batterie wird durch Serienschaltung von (zyklenfesten) 12 Volt-Blöcken gebildet (3x12V = 36 Volt; 4x12V= 48 Volt; 5x12V= 60 Volt; 6x12V= 72 Volt). Richtwert für die Ladeschluss-Spannung des Ladegerätes ist 14,4 Volt je 12 Volt-Block. Ein Roller mit 48 Volt-Blei-Akku braucht also ein Ladegerät (für Nennspannung 48 Volt), das bei Erreichen von 57,6 Volt das Laden einstellt. Üblicherweise werden bei Blei-Akkus keine Batteriemanagementsysteme (BMS) verwendet. Einige Fahrer rüsten jedoch Ladungsausgleicher nach, oder laden ab und zu die 12V-Blöcke einzeln (z. B. mit einem 12 Volt Autobatterieladegerät) auf, um sie auf Vollladung abzugleichen.

Lithium-Ionen-Akkus

Die Nennspannung der einzelnen Akku-Zellen liegt hier um 3,6 Volt. Auch hier wird die Fahrzeug-Batterie durch Serienschaltung von zahlreichen Akku-Paketen gebildet. Da vorwiegend kleine zylindrische Zellen der Größe 18650 mit nur wenigen Ampèrestunden zum Einsatz kommen, werden zunächst parallelgeschaltete Pakete gebildet (Im Akku des NIU N1S sind z. B. zehn Zellen mit 2.900 mAh zu 29 Ah parallel verdrahtet). Je nach benötigter Fahrzeugspannung werden dann zahlreiche dieser Parallel-Pakete in Reihe geschaltet (Im NIU N1S sind dies z. B. 17 Pakete à 10 Einzelzellen; 170 Zellen bilden hier einen 17s10p-Akku mit 61,2 Volt und 29 Ah). Die (sensible) Kontaktierung zwischen den stromleitenden Stegblechen und den Zellen erfolgt über mehrfache Punktverschweißung. Üblicherweise enthält ein Lithium-Ionen-Akku ein Batteriemanagementsystem (BMS), das vor Überladung der Zellen und Tiefentladung schützt. An dieses BMS sind neben Batterie Plus und Batterie Minus auch alle übrigen Plus-Pole der seriellen Pakete angeschlossen, deren einzelne Spannungen im BMS überwacht werden. Auch Ausgleichsströme zur Kompensation der Zellendrift (Balancing) kann das BMS hierüber schalten. Unter- bzw. überschreitet die vom BMS gemessene Spannung eines Parallelpaketes den zulässigen Bereich, trennt es (meist am Minus-Pol) den Akku vom Controller bzw. vom Ladegerät oder gibt eine entsprechende Meldung an die Fahrzeugsteuerung, diesbezüglich aktiv zu werden (z.B. Weiterfahrt nur im Not-Modus). Ggf. gibt es auch eine Schnittstelle vom BMS zur Anzeige "verbleibende Akku-Kapazität". Die Ladeschluss-Spannung liegt für jede serielle Zellenstufe im Bereich um 4,15 Volt. Ein 17s-Akku ist also z.B. bis etwa 71 Volt aufzuladen.

Lithium-Eisenphosphat-Akkus (LiFePO4)

Die Nennspannung der LiFePO4 Akku-Zellen liegt nur bei etwa 3,2 Volt, weshalb (gegenüber Li-Ion) für die gleiche Akku-Spannung mehr Zellen in Serie geschaltet werden müssen (z. B. 20s bei 60 Volt-Motor = 64 Volt Nennspannung)). Vielfach kommen große Akku-Blöcke mit z. B. 40Ah oder 60 Ah zum Einsatz. Zum Zellschutz ist hier (wie beim Li-Ion-Akku) in der Regel ein BMS vorhanden, das ebenso verschaltet wird. Aufgrund der höheren Zellendrift muss der mögliche Balancer-Strom höher bemessen sein. Bei großen Akku-Zellen-Blöcken sitzen oft Lastmodule auf den Zellen, die bei voller Zelle mit Spannung über 3,6 Volt einen Ballancer-Strom durch Lastwiderstände schicken, damit die Spannung der Zelle nicht zu hoch wird, während niedriger liegende Zellen noch weiterladen. Die Ladeschlussspannung des Ladegerätes ist mit rund 3,65 Volt je Zelle zu wählen (bei 20s z.B. bis 72,6 Volt)