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Im Vergleich zu Gerätebatterien bzw. Konsumerzellen besitzen die Zellen einer Traktionsbatterie eine vielfach höhere Kapazität. Außerdem werden Sie von verschiedenen Herstellern in verschiedenen Bauformen, teils auf Kundenwunsch entwickelt und hergestellt. Standardisierte Baugrößen gibt es nicht. Üblich sind sowohl Rundzellen, bei denen die Elektroden stab- und becherförmig ausgeführt sind zum Beispiel Produkte von A123 Systems, als auch prismatische Zellen mit plattenförmiger Elektrodenanordnung, zum Beispiel Zellen der Firma Winston Battery.
Es werden hochstromfeste, zyklenfeste Akkumulatorsysteme verwendet, die in der Lage sind, elektrische Energie je nach Fahrzustand abzugeben oder aufzunehmen und viele Lade-Entladezyklen zu überstehen. Im Gegensatz zu Starterbatterien können beispielsweise Blei-Traktionsbatterien durch spezielle Ausführung der Bleigitter und Separatoren bis zu 80 % tief entladen werden, ohne Schaden zu nehmen.
Während Blöcke für Blei-Pkw-Starterbatterien bei 12 V bzw. 24 V Kapazitäten von 36 bis 80 Amperestunden (Ah) haben, werden für Gabelstapler Zellen mit Kapazitäten von 100 bis über 1000 Ah zusammengeschaltet, um Betriebsspannungen von beispielsweise 24 bis 96 Volt, für Elektroautos bis zu mehreren hundert Volt zu erreichen. Die Baugrößen sind dementsprechend teils erheblich größer. Höheren Spannungen reduzieren die fließenden Ströme und sollen so unter anderem die ohmschen Verluste in den Leitungen und die thermischen Verluste bei Lade- und Entladevorgängen vermindern sowie das Gewicht (Kabel) verringern.
Durch serielle Zusammenschaltung von Einzelzellen ergibt sich die Fahrspannung /Traktionsspannung. Durch Vergrößerung der Baugröße der Zellen oder durch Parallelschaltung von Zellen kann die Speicherkapazität und Strombelastbarkeit erhöht werden. Das Produkt aus Traktionsspannung ( V) und elektrischen Ladung /galvanische Kapazität der Einzellzellen /parallel geschalteten Zellen ( Ah) ergibt den Energiegehalt der Traktionsbatterie.
Immer häufiger wird die Kapazität der Traktionsbatterie nicht mehr in Amperestunden der Einzelzellen, sondern in Wattstunden angegeben. So sind auch unterschiedliche Bauarten miteinander vergleichbar, da die Spannung mit einfließt. Starterbatterien kommen auf einen Energiegehalt von 496,8 bis 960 Wh, Traktionsakkus für Gabelstapler auf 4.800 bis 28.800 Wh und für den Toyota Prius II auf 1.310 Wh.</br>
Die Nennkapazität ist die vom Hersteller unter festgelegten Kriterien zugesicherte, entnehmbare Energiemenge. Bei Kapazitätsvergleichen ist es wichtig, diese Kriterien zu beachten. So hat ein Akkumulator mit den Angaben 12 V/60 Ah C3 eine höhere Kapazität als ein Akkumulator gleicher Baugröße mit Kennzeichnung C5 oder C20. Die Angabe Cx charakterisiert dabei die Entladedauer für die angegebene Kapazität in Stunden. Bei C3 können in 3h gleichmäßiger Entladung 60Ah entnommen werden, es sind also höhere Ströme möglich als bei C5 oder C20, was für den Einsatz als Traktionsbatterie wichtig ist, da die Ströme in der Praxis oftmals über diesen Meßströmen liegen.
Bei hochbelastbaren Lithium-Ionen-Akkumulatoren hat sich die Angabe der Strombelastbarkeit im Verhältnis zur Kapazität durchgesetzt. Dabei bedeutet dann beispielsweise für eine Zelle 3,2 V 100 Ah[1] der Firma Winston Battery bei Standardentladung mit 0,5C (oder auch 0,5CA), dass die Kapazität mit einem Entladestrom von 50 A ermittelt wurde. Üblich sind Kapazitätsangaben bei 0,5C oder 1C, wobei die zulässige Dauerbelastbarkeit durchaus 3C oder mehr, (im Beispiel bei 3C also 300 A) die kurzzeitige Belastung noch deutlich mehr (hier 20CA, also 2000 A) betragen kann.
Im Traktionsbetrieb wird in der Regel nicht die gesamte Nennkapazität genutzt. Zum Einen wird die nutzbare Kapazität bei hohen entnommenen Strömen geringer, zum Anderen wird die Entladetiefe der Akkuzellen zu Gunsten der Lebensdauer durch ein Batteriemanagementsystem (BMS) meist auf 60-80% der Nennkapazität begrenzt. Vor allem bei Verbrauchsberechnungen und Vergleichen von verschiedenen Traktionsbatterien müssen diese Umstände beachtet werden. Diese "Nutzkapazität" wird vom Autohersteller selten ausgewiesen, sondern als nutzbarer Bereich der Nennkapazität beschrieben. So wird beim Chevrolet Volt bzw. Opel Ampera ein nutzbares Akkufenster von 30%-80% angegeben, das sind (zugunsten der Haltbarkeit) lediglich 50% der Nennkapazität von 16kWh !
Üblicherweise werden die Traktionsbatterien nach den Materialien, welche für die galvanischen Zellen verwendet werden, unterschieden.
Bleiakkumulator-Systeme waren in Deutschland bislang die am häufigsten verwendeten Traktionsbatterietypen, jedoch wird intensiv an der Verwendung von Akkusystemen mit einer höheren Energiedichte und besserem Masse-Energieverhältnis geforscht. Eine Modifikation im Bereich der Bleiakkumulatoren ist der wartungsfreie Blei-Gelakku oder der Blei-Vliesakku. Dabei ist die normalerweise flüssige Säure gebunden. Der Akkumulator ist verschlossen und kann dadurch lageunabhängig eingesetzt werden. Geschlossene Blei-Traktionsakkus eignen sich vorzugsweise für den Einsatz in Gabelstaplern im Lebensmittelbereich (kein Säureeinsatz), und in fahrerlosen Transportsystemen bei ebenen, Anwendungen. Das hohe Gewicht wirkt sich nachteilig bei Höhenunterschieden /Steigungen aus. Daher sind sie für die Anwendung in Elektroautos weniger geeignet. Außer in Fällen, wo das Gewicht der Traktionsbatterie technisch genutzt wird (Bsp.: Gabelstapler) haben andere Batterietechnologien den Bleiakkumulator als Traktionsbatterie verdrängt.
Auch Nickel-Cadmium-Akkusysteme haben eine weite Verbreitung gefunden, da sie sehr Robust und langlebig sind. In Europa werden sie als Nasszellen vorrangig von der Firma Saft gefertigt und wurden in verschiedenen französischen Elektroautos eingesetzt. Allerdings enthalten sie das giftige Cadmium. Obwohl das europaweite Verbot NiCd-Traktionsakkus derzeit noch ausklammert sind sie wohl keine Option für Weiterentwicklungen mehr. Auch leiden NiCd-Akkus unter dem reversiblen Memory-Effekt, der zum Kapazitätserhalt eine vollständige Entladung erfordert.
Der Nickel-Metallhydrid-Akkumulator wurde auf Grund seiner hohen Energiedichte erfolgreich als Traktionsakku eingesetzt (Bsp.: General Motors EV1, jedoch verhinderten patentrechtliche Sanktionen eine Fertigung hochkapazitiver Zellen (mehr als 10Ah) und damit eine stärkere Verbreitung und Weiterentwicklung.
Auch Thermalbatterien wie die Zebra-Batterie wurden erfolgreich als Traktionsakkumulator eingesetzt[2]. Sie eignet sich vor allem für regelmäßigen bzw. Dauereinsatz, da dann die systembedingten Energieverluste vernachlässigbar sind.
Lithium-Ionen-Akkusysteme sind die derzeit (2012) modernste Variante unter den Traktionsbatterien. Ihnen wird ein großes Entwicklungspotential für die Zukunft bescheinigt.
In Elektrofahrrädern /Pedelecs kommen aus Platz- und Gewichtsgründen fast ausschließlich Akkumulatoren auf Lithiumbasis zum Einsatz. Anfänglich eingesetzte Bleiakkumulatoren haben sich nicht bewährt.
Bei Elektromotorrollern sind als Traktionsbatterien verschiedenste Akkusysteme im Einsatz. Auch hier gilt der Bleiakkumulator als veraltet.
Beim Einsatz in Hybridfahrzeugen wie dem Toyota Prius oder dem Honda Civic IMA werden derzeit (2012) Traktionsbatterien vom Typ Nickel-Metall-Hydrid-Akku mit Spannungen von mehreren 100 Volt und unter 10 Amperestunden eingesetzt. Die Kapazitätsbeschränkung ergibt sich dabei aus patentrechtlichen Bestimmungen , die Produktion und Weiterentwicklungen stark einschränken. Neuentwicklungen sind meist mit Traktionsbatterien auf Lithiumbasis ausgerüstet.
Traktionsbatterien werden auch als Gegengewichte zur Stapelware in Gabelstaplern eingesetzt, um diese mit der Hilfe der Gegengewichte in die Lage zu versetzen, eine bestimmte (größere) physikalische Masse transportieren zu können. Daher kommen hier meist die schweren Bleiakkumulatoren zum Einsatz.
Traktionsbatterien bestehen aus Einzelzellen, die sowohl in der Größe (Kapazität) als auch in der Anzahl der Einzelzellen (Spannung) deutlich über den Gerätebatterien /Konsumerbatterien liegen. Daher enthalten sie größere Mengen einzelner Rohstoffe, so dass nach der Nutzung eine Rückführung in den Stoffkreislauf (Recycling) volkswirtschaftlich und ökologisch sinnvoll und notwendig ist. Für Starterbatterien und Traktionsbatterien als Bleiakkumulator wurde daher in der Batterieverordnung schon ein Batteriepfand von 7,50€/Stück eingeführt. Die Rückführungsquote liegt bei über 90%.[3]
Für moderne Lithium-Ionenakkumulatoren existiert eine solche Pfandlösung noch nicht. Allerdings ist zu erwarten, dass die Wiederverwertung, vor allem des enthaltenen Lithium, gerade bei Traktionsbatterien wirtschaftlich realisierbar ist. Aufgrund der aufwendigen Lithiumgewinnung und des hohen Energieeinsatzes bei der Produktion der Akkumulatoren wurde oftmals davon ausgegangen, dass Lithium-Akkumulatoren die Ökobilanz von Elektroautos deutlich verschlechtern. Neuere Untersuchungen haben aber gezeigt, dass der ökologische Rucksack deutlich geringer ist, als bisher angenommen[4] [5].
Commons: Traktionsbatterie – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
