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“

3 Grundlagen 47 Abbildung 3-13: Vergleich der maximalen Aufladeleistungen, nach [82] Abbildung 3-14: Vergleich der maximalen Aufladeleistungen der Li-Speicher, nach [82] Da der nominale Arbeitsbereich von Li-Batterien zwischen 30% und 80% SoC liegt, er- scheint das temperaturabhängige Lade- und Entladeverhalten der Speicher bei einem SoC von 50% besonders repräsentativ. Die sich ergebenden Verläufe sind in Abbildung 3-15 und Abbildung 3-16 dargestellt. Einerseits sinkt, mit abnehmender Temperatur, die Ladung und somit auch die Entladungsleistungsrate. Andererseits ist zu erkennen, dass LFP- Batterien bei sehr tiefen Temperaturen gar nicht betrieben werden sollten. Wissenschaftliche Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie

48 3 Grundlagen Abbildung 3-15: Vergleich der spezifischen Entladeleistungen bei 50% SoC, nach [82] Abbildung 3-16: Vergleich der spezifischen Aufladeleistungen bei 50% SoC, nach [82] Teilstudie „Machbarkeit eines Hybridoberleitungsbusbetriebs – „Berlin-Spandau“