3 Grundlagen 37 Zudem wird die verfügbare Kapazität durch den maximalen Entladestrom begrenzt. Einen schnellen Überblick über die tatsächliche Belastbarkeit und Schnellladefähigkeit erhält man durch die angegebenen C-Raten. C-Rate = (Ent-)Ladestrom / Nennkapazität des Speichers Der Batteriehersteller definiert, mit welcher C-Rate eine Batterie maximal geladen bzw. ent- laden werden darf. Die C-Rate für das Entladen ist allgemein um ein Vielfaches größer als die C-Rate für das Laden. 3.3.1.4 Energiedichte Die Energiedichte wird zwischen volumetrischer und gravimetrischer Energiedichte unter- schieden. Die gravimetrische Energiedichte beschreibt, wieviel Energie pro Masse der Batterie ge- speichert werden kann. Sie wird in Wattstunden pro Kilogramm angegeben. Je höher die Energiedichte ist, desto leichter ist eine Batterie bei gleicher gespeicherter Energiemenge. Lithium-Ionen-Batterien haben im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien etwa eine dreifach hö- here gravimetrische Energiedichte. Das bedeutet, dass eine Lithium-Ionen-Batterie, welche die gleiche Energiemenge wie eine Bleisäure-Batterie speichert, nur ein Drittel von der Blei- Säure-Batterie wiegt. Die volumetrische Energiedichte beschreibt, wieviel Energie pro Volumen aus einer Batterie entnommen werden kann. Sie wird in Wattstunden pro Liter angegeben. Je höher die volu- metrische Energiedichte, umso kleinere Maße hat eine Batterie bei gleicher gespeicherter Energiemenge. 3.3.1.5 Zyklenzahl Wenn ein Akku einmal geladen und anschließend wieder entladen wird, spricht man von einem Zyklus. Wird dieser Vorgang bis zur maximalen Lade- bzw. Entladbarkeit durchge- führt, spricht man von einem Vollzyklus. Mit der sogenannten Zyklenzahl kann nun die Le- benserwartung eines Akkus beschrieben werden. Spricht man beispielsweise bei einem Akku von einer Zyklenzahl von 2.000, dann bedeutet dies, dass er 2.000 Mal entladen und erneut geladen werden kann, ohne dass ein Kapazitätsverlust größer als 20 % eintritt. Die Zyklenzahl ist jedoch nur ein grober Richtwert, da sie die Verwendung des Akkus unter Idealbedingungen voraussetzt, was nur in seltensten Fällen zutrifft. Wird mit einem Akku nicht betriebsgerecht umgegangen, so kann sich seine Zyklenzahl drastisch reduzieren. Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie

38 3 Grundlagen 3.3.2 Speichertechnologie für Traktionsanwendungen Ein geeigneter Energiespeicher für die Versorgung des Traktionskreises und der Bordnetz- verbraucher von Fahrzeugen im Allgemeinen und Bussen im Speziellen, muss den folgen- den Anforderungen genügen [76]:         geringe Beschaffungs- und Betriebskosten, hoher Wirkungsgrad beim Laden und Entladen, hohe Energiedichten, so dass die Speicher klein und leicht gehalten werden können, hohe Leistungsdichten, für die fahrdynamische Performance und die effektive Auf- nahme von Rekuperationsenergie, kurze Nachladezeiten, für eine hohe Verfügbarkeit, sicherer Betrieb muss gewährleitstet sein, um zusätzliche Gefährdung auszuschlie- ßen, hohe kalendarische und zyklische Lebensdauer, günstiger ökologischer Fußabdruck. Moderne Elektrobusse verwenden bzw. planen den Einsatz von Akkumulatoren (wiederauf- ladbare Sekundärzellen) und Kondensatoren als Energiespeichersysteme. Einen ersten vergleichenden Überblick verschiedener Energiespeichersysteme vermitteln Ragone-Dia- gramme, in denen die Energie- und Leistungsdichtebereiche unterschiedlicher Speicher- technologien gegenübergestellt werden. Das Ragone Diagramm in Abbildung 3-7 zeigt u.a., dass Doppelschichtkondensatoren (Super-Caps) sehr hohe spezifische Leistungen gene- rieren können, die spezifischen Energien gegenüber Batterien aber gering sind. Umgekehrt lassen sich mit Akkumulatoren gegenüber Kondensatoren nur verhältnismäßig geringe Leistungen generieren. Gegenüber dem orange dargestellten, konventionellen Dieselgene- ratorsatz zeigt sich, dass die spezifische Energie aller alternativen Speichertechnologien um Zehnerpotenzen niedriger ist. Daraus folgt, dass batteriegestützte Antriebe prinzipiell schwerer als Dieselfahrzeuge mit vergleichbarer Reichweite sind. Teilstudie „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – „Berlin-Spandau“

3 Grundlagen 39 Abbildung 3-7: Ragone Diagramm für Traktionsspeicher Neben Energie- und Leistungsdichte haben Energiespeicher individuelle Vor- und Nach- teile. Für heute gängige, moderne Technologien sind in Tabelle 3-10 vergleichend gegen- übergestellt. Dabei wird deutlich, dass keine ideale Energiespeicher-Technologie existiert. Tabelle 3-10: Vergleich von Traktionsspeichertechnologien, nach [76], [83] Li-Ionen-Akkus - - Vorteile - - - - Höchste Energiedichte Geringes spezifisches Gewicht Hohe Zell-Nennspan- nung  erhöhte spez. Leistung Gute Zyklenfestigkeit und Lebensdauer Kein „Memory Effekt“ Geringe Selbstentla- dung NiMH-Akkus - - - - Zuverlässig und robust (kurzzeitig) Tief- entladefähig Gut geeignet für hohe Ströme, da geringer Innenwi- derstand Höhere Standzei- ten möglich Super-Caps - - Zuverlässig und robust Wartungsarm - Hohe kalendarische Lebensdauer - Hohe Zyklenzahl - Sehr große Leistungs- dichte - Hoher Wirkungsgrad Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie

40 3 Grundlagen Li-Ionen-Akkus Nachteile - - - - - Hohe Kosten Reaktiv mit Luft und Feuchtigkeit Anfällig für Überladung Aufwendiges Batte- riemanagement not- wendig (elektrisch und thermisch) Temperaturanfällig NiMH-Akkus - - - - - Hohe Selbstent- ladung Schlechte Zyk- leneffizienz Nur begrenzt schnelladefähig Geringere Ener- giedichte Aufwendige Bat- teriepflege zur Reduktion des „memory Effekts“ Super-Caps - Hohe Selbstentladung - Großer Spannungshub - Sehr geringe Energie- dichte - Hoher Überwachungs- aufwand - Große Gefahr bei fal- scher Bedienung - Hohe Kosten Super-Caps sind als reine Traktionsenergiespeicher aufgrund der viel zu geringen Energie- dichten ungeeignet. Jedoch bieten sie Potenziale, in Kombination mit Batterien, deren be- grenzte Leistungsdichten zu kompensieren. Die NiMH-Batterien werden besonders in Mild- und Full-Hybrid Fahrzeugen eingesetzt. Auf- grund deutlich größerer Energiedichten, der spezifischen Leistung, der Möglichkeit zur Schnellladung und deutlich verringerter Selbstentladungsraten werden heute aber im Hyb- rid- und Elektrofahrzeugsektor Li-Ionen Akkus verwendet. Li-Ionen-Batterien werden als Hochenergiebatterien und Hochleistungsbatterien hergestellt (siehe Abbildung 3-7). Während für rein elektrische Fahrzeuge eine hohe Energiedichte zur Erzielung großer Reichweiten wesentlich ist, sind für Hybridfahrzeuge hohe Leistungsdich- ten zur Erzielung hoher Beschleunigungsvorgänge und zur schnellen Speicherung von gro- ßen Anteilen der Bremsenergie bedeutend. Der im Folgenden dargestellte Vergleich von drei in Hybridfahrzeugen üblicherweise einge- setzten Hochleistungs-Li-Ionen-Akkus aus unterschiedlichen Elektrodenmaterialien – Li- thium-Eisenphosphat (LTO), Nickel-Mangan-Kobalt (NMC) und Lithiumtitanat (LTO) - und einem kommerziellem Doppelschichtkondensator wurde in [81] veröffentlicht. Es werden im Speziellen die Leistungsmerkmale, das Lade- und Entladeverhalten und das thermische Verhalten der Zellen beim Betrieb mit unterschiedlichen C-Raten und unterschiedlichen Umgebungstemperaturen vergleichend gegenübergestellt. 3.3.2.1 Ruhespannungsverläufe Die in Abbildung 3-8 dargestellten Ruhespannungen (bei einer Temperatur von 25 °C) er- geben sich für die Li-Akkumulatoren aus der verwendeten Materialkombination für die Ka- thoden- bzw. Anodenelektrode. Beim Doppelschichtkondensator hängt sie von den Polplat- tenflächen und deren Abstand ab. Auffällig ist, dass der Spannungsverlauf der LFP-Kurve im Bereich zwischen 20% und 80% des SoC einen sehr flachen Spannungsverlauf hat. Dies Teilstudie „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – „Berlin-Spandau“

3 Grundlagen 41 erleichtert einerseits die Regelung der Ladespannung, erschwert aber gleichzeitig die Be- stimmung des momentanen Ladezustandes. Abbildung 3-8: 3.3.2.2 Ruhespannungsverläufe verschiedener Speichertechnologien, nach [82] [84] Ladeverläufe Entladen Die Ladeverläufe von Energiespeichern spielen eine wichtige Rolle für den Betrieb von Hyb- rid- und Elektrofahrzeugen, da das Energiespeichersystem einerseits in der Lage sein muss große Ströme/Leistungen für Beschleunigungsvorgänge zu liefern und ebenso in der Lage sein sollte, die sich beim Bremsen ergebenden hohen Ströme und Leistungen mit steilem Gradienten aufzunehmen. In Abbildung 3-9 sind die Verläufe der Kapazität in Abhängigkeit der Entladungsrate (C- Rate) bei einer Arbeitstemperatur von 25 °C dargestellt. Für alle Speichertechnologien ist zu erkennen, dass die verfügbare Kapazität mit zunehmender Entladungsrate abnimmt. Je- doch ergeben sich für identische Entladungsraten erhebliche Differenzen zwischen den Ka- pazitäten der Batterien und des Doppelschichtkondensators. Der Doppelschichtkondensa- tor (SC) ist den Li-Batterien im Hinblick auf den Kapazitätserhalt überlegen. Er kann mit recht hohen Raten, bis zu 60 C, entladen werden, wobei die Ursprungskapazität um weni- ger als 5% abnimmt. Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie

42 3 Grundlagen Im Gegensatz zum Kondensator, der die Ladungsträger elektrostatisch an der Elektroden- oberfläche speichert, wird die Energie in Batterien elektrochemisch durch Oxidations- und Redoxreaktionsvorgänge gespeichert. Daraus ergeben sich einerseits hohe Energiedich- ten, aber gleichzeitig auch verhältnismäßig langsame Reaktionsgeschwindigkeiten. Es ist zu erkennen, dass die LTO-Batterie im Vergleich mit der LFP-Batterie und der NMC- Batterie überragende Entladeraten aufweist und demnach besser geeignet ist, Leistungen mit extrem variierenden und steilen Gradienten abzugeben. Abbildung 3-9: Kapazitätserhalt in Abhängigkeit der Entladungsrate verschiedener Speichertechnologien, nach [82] [84] [83] Zudem ist die Kapazität von Li-Batterien stark abhängig von der Umgebungstemperatur. Bei niedrigen Temperaturen verringert sich die Leitfähigkeit des Elektrolyts, wodurch sich die elektrochemischen Prozesse verlangsamen. In Folge erhöht sich der Innenwiderstand der Batterien und nutzbare Energie geht verloren. Unterhalb von -10 °C sollten die hier be- trachteten Li-Speicher nicht betrieben werden. Dagegen funktioniert der Doppelschichtkon- densator auch bei extremer Kälte und auch bei hohen Entladeraten wird die Kapazität nur minimal reduziert. Teilstudie „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – „Berlin-Spandau“

3 Grundlagen 43 Aufladen Je höher der (Diesel-)Hybridisierungsgrad eines Elektrobusses ist, desto mehr Aufmerk- samkeit sollte der Ladefähigkeit des Energiespeichers gewidmet werden, da die Rückge- winnung von Rekuperationsenergie für den Kraftstoffverbrauch von besonderer Bedeutung ist. Für Batterie-Trolleybusse steigt die Bedeutung der Ladefähigkeit mit zunehmender Länge der oberleitungsfreien Abschnitte an. In Abbildung 3-10 sind die sich für verschiedene Ladestromraten ergebenden Zellspan- nungsverläufe über der relativen Kapazität für verschieden große Laderaten bei einer Ar- beitstemperatur von 25 °C dargestellt. Demnach erreicht die Lithium-Eisenphosphat Batte- rie ihre Ladeschlussspannung bereits bei relativ kleinen Laderaten und kann nur bei relativ kleinen Laderaten die komplette zur Verfügung stehende Kapazität nutzen. Soll die Batterie komplett geladen werden, muss langsamer und mit geringerer Leistung nachgeladen wer- den. Zur Darstellung des NMC-Ladeverlaufs lagen keine Daten vor. Festzuhalten ist, dass die NMC-Batterie prinzipiell mit maximal 10 C aufgeladen werden können und bei Ladera- ten größer als drei die Ladeschlussspannung umgehend erreicht wird. Abbildung 3-10: Vergleich der Aufladekurven von LTO und LFP, nach [82] Üblicherweise werden Li-Batterien in einem Betriebsfenster zwischen 30% und 70% des SoC betrieben, um so ein Überladen bzw. zu tiefes Entladen zu vermeiden, welches signi- fikanten Einfluss auf die Länge der Lebensdauer hat. Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie

44 3 Grundlagen Im Fahrbetrieb müssen Batterien von Elektrofahrzeugen teilweise Laderaten von 15 C bis 20 C aushalten können. Die LFP-Batterie kann bei einer Aufladerate von 10 C nur ca. bis zu 60% der Gesamtkapazität mit der CC-Stufe (Konstantstrom) aufgeladen werden. Die restlichen 40% müssen mittels CV-Ladeverfahren (Konstantspannung) aufgeladen werden. Bei der NMC-Batterie tritt dieser Effekt bereits bei Laderaten von 3 C ein. Dies zeigt, dass die LFP Batterie gegenüber der LTO-Batterie eine deutlich verminderte Schnellladefähig- keit besitzt und die NMC-Batterie für Schnellladungen prinzipiell ungeeignet ist. Nicht dargestellt ist der sehr einfache, da lineare und von der Laderate unabhängige Auf- ladeverlauf des Doppelschichtkondensators. Unabhängig von den Ladestromraten ist die Ladeleistung des Superkondensators elektrochemischen Energiespeichern deutlich über- legen. 3.3.2.3 Widerstands- und Leistungsverhalten Der Innenwiderstand der Batterie beeinflusst direkt die Ausgangsleistung, den Wirkungs- grad und die Wärmeerzeugung der Batterie und wird zudem verwendet, um den Gesund- heitszustand der Batterie zu ermitteln (State of Health, SoH). Abbildung 3-11 vergleicht die Lade- und Entladewiderstandsverläufe von LTO- und LFP-Batterien. Es fällt auf, dass der Innenwiderstand der LTO-Batterie über den gesamten Betriebsbereich bedeutend geringer ist als von der LFP-Batterie – Folge des veränderten Elektrodenmaterials. Zudem unter- scheiden sich die Verläufe von Lade- und Entladewiderstand bei der LFP-Batterie stärker als bei der LTO-Batterie. Laut [82] geht dies zu Lasten der maximal erzielbaren Reichweite. Teilstudie „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – „Berlin-Spandau“

3 Grundlagen Abbildung 3-11: 45 Vergleich der Lade- und Entladewiderstandsverläufe von LFP und LTO, nach [82] Ein bedeutender Indikator für den Einsatz von Traktionsenergiespeichern sind die zugehö- rigen Leistungsmerkmale. So hängt beispielsweise der Grad der möglichen Hybridisierung vom Leistungsniveau des Energiespeichersystems ab. Abbildung 3-12 zeigt den sich erge- benden Verlauf der maximal nutzbaren spezifischen Leistung beim Entladen der Batterie (25 °C Arbeitstemperatur). Die spezifische nutzbare Leistung des Doppelschichtkondensa- tors ist gegenüber den Batterien extrem erhöht. Dies zeigt eindrucksvoll, dass Kondensa- toren besonders geeignet sind, wenn, wie beim Anfahren, in kurzen Zeiträumen hohe Leis- tungen benötigt werden. Der sich ergebende Leistungsverlauf zeigt die charakteristischen Vorteile der Lithiumtitanat-Speichertechnologie gegenüber der Eisenphosphat- bzw. Nickel- Mangan-Cobalt-Technologie. Noch deutlicher werden die Vorteile bei Betrachtung der Aufladeverläufe in Abbildung 3-13 bzw. vergrößert dargestellt in Abbildung 3-14. Dabei zeigt sich, dass der Ladeleistungswert der LFP-Batterie signifikant schlechter ist gegenüber der LTO-Batterie. Die LTO-Batterie erscheint somit besser geeignet für Schnellladekonzepte und für Fahrzeugkonzepte bei de- nen die Rückgewinnung von möglichst viel Bremsenergie besondere Bedeutung beigemes- sen wird. Auf die Darstellung der NMC-Batterie wurde an der Stelle verzichtet, da sie, wie bereits erwähnt, nicht für Schnellladungen geeignet ist. Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie

46 Abbildung 3-12: 3 Grundlagen Verlauf der maximalen Entladeleistungen mit Hilfe eines Hybrid Pulse Power Test, nach [82] Teilstudie „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – „Berlin-Spandau“