Antrieb für Hybrid-Elektrofahrzeuge

Der Akku ist nach wie vor die Schwachstelle

27.07.2007 | Autor / Redakteur: Isidor Buchmann* / Thomas Kuther

Der Lexus LS 600h wird von einem 5-Liter-V8-Benzinmotor und einem Elektromotor mit einer Systemleistung von rund 327 kW angetrieben
Der Lexus LS 600h wird von einem 5-Liter-V8-Benzinmotor und einem Elektromotor mit einer Systemleistung von rund 327 kW angetrieben

Steigende Energiekosten und immer strengere Umweltauflagen stellen den Verbrennungsmotor in Frage und Hybridfahrzeuge sind im Trend. Ob die sich auf Dauer durchsetzen hängt entscheidend vom Akku ab.

Steigende Energiekosten und immer strengere Umweltauflagen stellen den Verbrennungsmotor zunehmend in Frage. So sind Hybridfahrzeuge derzeit zwar voll im Trend – aber werden sie sich auf Dauer auch durchsetzen? Die Schwachstelle ist nach wie vor der Akku.Das Hybridauto an sich ist nichts Neues: Das erste Exemplar, der Lohner-Porsche (Bild 1), wurde bereits 1898 von Ferdinand Porsche entwickelt. Mit Ferdinand Porsche als Fahrer stellte der Wagen mehrere österreichische Geschwindigkeitsrekorde auf, u.a. 1901 auf der Exelberg-Rally. Ein weiteres Beispiel für einen frühen Hybrid ist das in Chicago gebaute 1915er Woods Motor Vehicle. In diesem Wagen werkelten ein vierzylindriger Verbrennungsmotor und ein Elektromotor.

Unter 25 km/h trieb der Elektromotor das Fahrzeug an, dann griff der Benzinmotor ein, um es bis zur seiner Höchstgeschwindigkeit von 55 km/h zu beschleunigen. Im Rahmen des „Federal Clean Car Incentive Program“ installierte Victor Wouk einen Hybridantrieb in einen 1972er GM Buick Skylark. 1976 wurde das Programm allerdings von der Umweltschutzbehörde der USA eingestellt. Inzwischen haben Honda und Toyota bei der Kommerzialisierung attraktiver und kraftstoffsparender Hybridautos große Fortschritte gemacht.

Zwei Antriebslösungen: parallel- oder in Reihe

Ein Hybrid-Elekrofahrzeug (HEV) spart Kraftstoff, indem es die beim Bremsen freiwerdende kinetische Energie speichert und beim Beschleunigen wieder an einen Elektromotor zur Unterstützung des Verbrennungsmotors abgibt. Zudem wird der Verbrennungsmotor beim Anhalten und bei langsamer Fahrt abgeschaltet. Sobald die volle Leistung benötigt wird, treiben Verbrennungsmotor und Elektromotor gleichzeitig an. Diese Leistungsteilung bietet zwei Vorteile: Man kommt mit einem kleineren Verbrennungsmotor aus und die Beschleunigung ist besser, da der Elektromotor ausgezeichnete Drehmomenteigenschaften aufweist.

Die meisten HEV haben einen mechanischen Antriebstrang, der vom Verbrennungsmotor zu den Rädern verläuft. Auch in Bezug auf Kurbelwelle, Kupplung und Getriebe gleicht das HEV einem normalen Fahrzeug – verfügt darüber hinaus jedoch über einen Elektromotor und einen großen Akku. Diese Ausführung wird Parallelkonfiguration genannt.

Bei den neuen Plug-in-HEV wird jedoch meist die Reihenkonfiguration verwendet, bei der die Räder von einem oder mehreren Elektromotoren angetrieben werden. Statt einer mechanischen Verbindung zu den Rädern, treibt der Verbrennungsmotor einen Generator an, der den Strom für diese Motoren erzeugt. Wie beim Laptop oder Handy schließt der Fahrer sein Auto über Nacht zum Laden an eine Steckdose an. Die Reichweite mit einem voll geladenen Akku beträgt normalerweise ca. 30 km. Auf längeren Fahrten versorgt der Verbrennungsmotor die Elektromotoren mit Strom.

Hybrid-Akku für ein Auto muss langlebig sein

Bei den ersten HEV-Modellen wurden Blei-Säure-Akkus verwendet, da es einfach nichts anderes gab. Heute setzen beispielsweise Honda und Toyota auf Nickelmetallhydrid-Akkus (NiMH), die leichter und umweltfreundlicher als Bleiakkus sind. Ein solcher NiMH-Akkusatz besteht aus zylindrischen Zellen, die in Reihenschaltung mehrere hundert Volt bringen. Zwischen den einzelnen Zellen ist genügend Platz, sodass eine gute Luftkühlung möglich ist. Bild 2 zeigt ein Demonstrationspack eines frühen Akkus für Toyota-Hybrids.

Eines der entscheidenden Anforderungen an einen Hybrid-Akku ist eine lange Lebensdauer. Wiederaufladbare Batterien für den Normalverbraucher halten normalerweise zwei bis drei Jahre. Diese kurze Lebensdauer ist kein großer Nachteil für Handys, Laptops und Digitalkameras, da die Geräte schnell überholt sind. Beim Preis eines Akkupacks von 2000 bis 3000 US-$ ist das Erneuern eines HEV-Akkus allerdings eine teure Angelegenheit.

Die meisten HEV-Akkus haben eine Garantiezeit von 8t Jahren. Diese lange Lebenszeit wird erreicht, da diese Akkus auf Langlebigkeit optimiert sind – im Gegensatz zu Akkus für tragbare Geräte , bei denen es vor allem um kompakte Größe und geringes Gewicht geht. Da der Akku bei Hybridfahrzeugen auf Rädern läuft, ist das Mehr an Gewicht und Größe weniger entscheidend.

Lebensdauer von mehreren Tausend Ladezyklen gefordert

Ein NiMH-Akku für ein HEV kann etwa 1000 Mal ent- und wieder geladen werden, wenn dies bei 80 % Entladungstiefe geschieht. Bei einem Hybridauto wird der Akku selten ganz entladen, es sei denn, der Besitzer benötigt ständig die gesamte Akkukapazität, um beispielsweise von der Arbeit nach Hause zu kommen. In solch einem Fall würde der Akku stark belastet, was seine Lebenszeit verkürzt. Bei den meisten Anwendungen benötigt der Akku jedoch nur 10% seiner Nennkapazität. So eignet sich der Akku für Tausende von Ladezyklen. Ganz ähnlich werden auch die Akkus in Satelliten belastet: Während der Satellitennacht werden sie um nur 10% entladen, da die Akkus deutlich größer ausgelegt werden, als erforderlich wäre.

Einer der Nachteile des NiMH-Akkus ist der nicht gerade überzeugende Wirkungsgrad bei der Energieumformung, was beim Laden und Entladen zur Erwärmung des Akkus führt. Der beste Ladewirkungsgrad liegt bei einem Ladezustand von 50 bis 70% vor. Über 70% kann der Akku die Ladung nicht mehr gut aufnehmen, sodass viel Ladeenergie in Wärme umgesetzt wird. Soll ein Akku teilgeladen betrieben werden, ist eine größere Masse erforderlich, wodurch sich das Verhältnis Energie zu Gewicht sowie der Wirkungsgrad verschlechtern.

Die Japaner haben verschiedene Akku-Chemien erprobt, darunter auch wieder Blei-Säure. Heute liegt der Fokus auf Lithium-Ionen-Akkus. Lithium-Ionen-Akkus auf Kobaltbasis bieten eine der ersten Chemien der Lithium-Familie und haben eine sehr hohe Energiedichte. Leider kann dieses Akkusystem keine großen Ströme liefern und ist darum auf tragbare Geräte beschränkt.

HEV-Hersteller experimentieren mit Mangan (Spinel) und Phosphat. Diese Lithium-Ionen-Systeme haben einen extrem niedrigen Innenwiderstand, liefern hohe Ströme und vertragen Schellladungen. Entgegen der Kobalt-Version bleibt durch die gesamte Lebenszeit des Akkus hindurch der Widerstand gering. Um die Eigenschaften des Mangan-Lithium-Ionen zu überprüfen, belastete ein Forschungslabor über sieben Jahre hinweg eine Zelle mit 30.000 Entlade/Lade-Zyklen. Obwohl die Kapazität von 100% auf 20% abfiel, bliebt der Innenwiderstand der Zelle gering.

Der Nachteil von Mangan und Phosphat ist die niedrigere Energiedichte; auf der anderen Seite bieten diese Systeme jedoch 20% mehr Kapazität pro Gewichtseinheit als NiMH und dreimal so viel wie Blei-Säure. Bild 3 zeigt einen Vergleich der Energiedichten von Blei-, Nickel- und Lithium-Ionen-System, wobei bei Lithium-Ionen-Systemen auf Kosten der Sicherheit und des Zykluslebens durchaus auch eine höhere Energiedichte möglich wäre.

Vielversprechende Lithium-Ionen-Akkus

Die Lithium-Ionen-Systeme sind vielversprechende Kandidaten für HEV und Plug-in-HEV, auch wenn noch weiter geforscht werden muss, um die derzeit noch bestehenden Hindernisse zu überwinden. So fordert der Käufer mindestens zehn Jahre Garantie. NiMH-Akkus für Hybridfahrzeuge liefern die Hersteller derzeit nur mit acht Jahren Garantie, wwwährend die Langlebigkeit von Lithium-Ionen-Systemen noch nicht nachgewiesen ist – und selbst acht Jahre gegenwärtig noch knapp sind.

Wenn mit 2000 bis 3000 $ die Kosten für den Ersatz von NiMH-Packs schon zu hoch sind, so liegen die Kosten bei Lithium-Ionen-Akkus noch weit darüber, da die Herstellung im Moment noch sehr teuer ist. Jedoch ist damit zu rechnen, dass verbesserte Fertigungsmethoden zu niedrigeren Preisen führen werden. Die Preise für NiMH-Akkus werden dagegen aufgrund der hohen Nickelpreise kaum mehr sinken.

Lithium-Ionen-Systeme auf Mangan- oder Phosphatbasis sind von Natur aus sicherer als auf Basis von Kobalt, da Kobalt bereits bei einer Temperatur von 150 °C thermisch instabil wird. Mangan- und Phosphatzellen können dagegen 250 °C erreichen, bevor sie instabil werden. Trotz der hohen thermischen Stabilität benötigt der Akku aufwändige Schutzkreise für die Überwachung der Zellenspannung und Begrenzung des Stromes im Fehlerfall. Weiterhin muss der Schutzkreis die Unterschiede in den Zellen, die sich mit den Jahren einstellen, kompensieren. Die vor kurzem aufgetretenen Probleme mit Lithium-Ionen-Akkus in Mobilgeräten werden ihren Eintritt in den HEV-Markt möglicherweise verzögern.

Für einen HEV-Akku sind 7 kg Lithium erforderlich

Ein weiterer Aspekt ist die Verfügbarkeit. Die Hersteller von Mangan- und Phosphatzellen können der Nachfrage kaum nachkommen. Ein rascher Anstieg des Bedarfs an Lithium für HEV-Akkus würde zu Engpässen in der Akkuproduktion führen. Bei 7 kg Lithium pro Akku würde es voraussichtlich zu einem Rohstoffmangel kommen. Die meisten Lieferanten von Lithium befinden sich in Südamerika, Argentinien, Chile und Bolivien.

Stellen Sie sich einmal vor: Ein Plug-in Electric Vehicle, also ein Elektrofahrzeug mit Ladesteckdose, kann mit einer Akkuladung etwa 30 km weit fahren. Es gibt keine Umweltverschmutzung und die Nachbarn hören kein Kommen und Gehen, da das Fahrzeug keinen Laut von sich gibt. Es gibt keine Bezinsteuer zu bezahlen und das Straßennetz ist ohnehin frei. Ist dies das Paradies der Autofahrer?

So gut es auch klingen mag, die Einsparungen sind gering oder null – wegen des Akkus. Laut Dr. Menahem Anderman, einem führenden Experten auf dem Gebiet hochentwickelter Fahrzeugakkus, gibt es bisher noch keinen geeigneten Akku für Plug-in-HEV, auch sei die Zuverlässigkeit der Lithium-Ionen-Technologie für Automobilanwendungen nicht nachgewiesen. Im Gegensatz zu herkömmlichen HEV, die mit leichten Ladungen und Entladungen betrieben werden, kommt es bei Plug-in-HEV zu Tiefentladungen. Damit eine annehmbare Reichweite erzielt werden kann, müsste der PHEV-Akku fünfmal größer sein als der HEV-Akku. Mit einer geschätzten Lebensdauer von 1000 Vollentladungen muss der Akku alle drei Jahre ausgewechselt werden. Bei einem Preis von 10.000 US-$ für einen neuen Akkusatz sind die Einsparungen schnell aufgezehrt.

Bis zum marktfähigen Plug-In-PHEV werden noch 10 Jahre vergehen

Moderne Autos sind nicht nur für die Beförderung da, die Benutzer legen auch Wert auf Sicherheit, Komfort und Unterhaltung. Dazu gehören zuerst einmal die Scheinwerfer und die Scheibenwischer und die meisten Käufer wollen auch auf Heizung und Klimaanlage nicht verzichten. Diese Annehmlichkeiten sind in benzingetriebenen Fahrzeugen eine Selbstverständlichkeit, müssen in PHEV jedoch sparsam genutzt werden.

Analysten rechnen damit, dass es noch 10 Jahre dauert, bevor ein marktfähiges Plug-in-HEV zur Verfügung steht. Die Aussicht auf eine sauberes Brennstoffzellenauto ist noch frisch in unserer Erinnerung. Heute rechnen Analysten damit, dass die Brennstoffzelle erst in 20 Jahren für die Massenproduktion reif sein wird. Gerüchten zufolge, wird die Brennstoffzelle nie ihren Weg in ein normales Auto finden. Wenn das wahr ist, wird sich ein weiterer Traum in Luft auflösen, so wie Mitte des 19. Jahrhunderts das dampfgetriebene Flugzeug, das zum Fliegen einfach zu schwerfällig war.

Auf der Advanced Automotive Battery Conference in Hawaii behauptete ein Teilnehmer einem HEV-Hersteller gegenüber, dass ein deutscher Diesel weniger verbraucht als ein Hybrid. Der professionelle Verkäufer wies dies glatt zurück. Doch ist an der Behauptung ein Fünkchen Wahrheit. Auf der Autobahn verbraucht ein Diesel tatsächlich weniger, während ein HEV im Stadtverkehr besser abschneidet. Der Zusatzantrieb für schnelle Beschleunigung und das regenerative Bremsen sind Vorteile, die ein deutscher Diesel nicht bieten kann.

Jemand fragte darauf, was passieren würde, wenn der Akku eines HEV auf einem langen Bergpass leer wird. „Hat das Auto noch genügend Leistung?“ Die Antwort lautete, dass das Auto es mit dem Verbrennungsmotor allein schon schaffen würde, die Manövrierfähigkeit wäre allerdings eingeschränkt. Um diesen Eventualitäten vorzubeugen bieten einige HEV-Hersteller heute SUV mit 250-PS-Verbrennungsmotor und 150-PS-Elektromotor an, insgesamt also 400 PS. Solch ein Auto würde sicherlich Käufer finden, insbesondere wenn der Staat das „Grünsein“ subventioniert.

Li-Ionen-Akkus sind auf dem Vormarsch

Es ist anzunehmen, dass bei Hybrid-Elektrofahrzeugen der Lithium-Ionen- den NiMH-Akku langsam verdrängen wird, auch wenn heute die kurze Lebensdauer, die hohen Fertigungskosten und die Sicherheitsprobleme noch im Wege stehen.

Wir dürfen dabei nicht vergessen, dass der Automobilmarkt für eine neue Akkutechnologie nur geringe Preiserhöhungen akzeptiert. Hinzu kommt, dass Lithium-Ionen gegenüber NiMH nur 20% mehr Energiedichte pro Gewichtseinheit zu bieten hat. Der NiMH-Akku hat sich in den heutigen HEV bewährt, und eine neue Chemie müsste mehr als nur geringe Vorteile aufweisen, damit sich Käufer finden.

Toyota, Honda und Ford sind in der HEV-Technik führend. Andere große Autohersteller werden voraussichtlich 2010 mit wettbewerbsfähigen Modellen herauskommen. Panasonic EV Energy und Sanyo liefern gegenwärtig 90% der HEV-Akkus. Doch entwickeln beide Firmen auch Lithium-Ionen-Akkus.

Während Japan und Korea sich auf Mangan konzentrieren, experimentiert man in den USA mit Phosphat. Europa dagegen verlässt sich auf saubere Dieselmotoren. Die Abgase dieser Motoren sind so sauber, dass sie nicht einmal ein Papiertuch verschmutzen, das über den Auspuffrohrauslass gehalten wird. BMW arbeitet an einem Wasserstoffmotor mit Nullemission.

Die Zeit wird zeigen, wer das Rennen um das sauberste, sparsamste und dauerhafteste Fahrzeug gewinnt. Was die Dauerhaftigkeit angeht, so stände der Diesel heute auf dem Siegerpodest. Wir wollen hoffen, dass es eines Tages einen Akku gibt, der die Langlebigkeit des robusten Dieselmotors noch übertrifft.

*Isidor Buchmann ist Gründer und Geschäftsführer der Cadex Electronics Inc., Vancouver/BC., Kanada.

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