Im Allgemeinen bieten Lithium-Ionen-Technologien eine gute Speicheroption für heutige Pkws. Bei Nutzfahrzeugen vom Stadtlieferwagen bis hin zu Großbussen hat die Elektrifizierung sehr viel mit der Auslegung des Batteriepacks entsprechend der spezifischen Fahrprofile zu tun. Lieferwagen und vor allem Busse haben ein vorhersagbareres Fahrprofil, das sich von Pkws etwas unterscheidet. Für Pkws gilt die primäre Überlegung der Reichweite, dann der Leistung und der Ladezeit/Schnellladeoption. Diese Faktoren bewirken, dass die Batterie größer ist als es für den täglichen Fahrzyklus erforderlich wäre. Für die überdimensionierte Batterie ist es leicht, das Fahrzeug mit der erforderlichen Leistung und Energiedichte zu versorgen, die für häufige Beschleunigungs- und Bremsenergierückgewinnung erforderlich sind.

Welchen Schritt Tesla gerade getan hat, um sich im Bereich Superkondensatoren zu verstärken, können Sie hier lesen.

Bild 1: Bei Nutzfahrzeugen lässt sich das Fahrverhalten vom Betreiber definieren. Im Bild zu sehen ist ein typischer Standardfahrzyklus für einen Stadtbus.

Bild 1: Bei Nutzfahrzeugen lässt sich das Fahrverhalten vom Betreiber definieren. Im Bild zu sehen ist ein typischer Standardfahrzyklus für einen Stadtbus. Eaton

Nutzfahrzeuge sind in diesem Punkt anders. Da sie als Investition betrachtet werden, sind Beschleunigung oder Spitzenleistung für Käufer nicht ausschlaggebend. Hier spielt es vielmehr eine Rolle, täglich die volle Reichweite abzudecken sowie eine langlebige Energiespeicherlösung zu haben, die die Gesamtbetriebskosten (Total Cost of Ownership, TCO) so niedrig wie möglich hält. Das Fahrverhalten lässt sich vom Betreiber definieren. Ein typisches Beispiel hierfür ist der EQ6100-Stadtbus-Standardfahrzyklus (Bild 1). Zusätzlich sind bei Nutzfahrzeugen hinsichtlich der Batteriegröße auch zusätzlicher Energiebedarf (Heizung, Klimaanlage oder Beleuchtung), der Umgebungstemperaturbereich, Ladezeiten und Garantiedauern zu berücksichtigen.

Supercap vs. Batterie

Um alle Arten der Energiespeicherung zu berücksichtigen, sollten sowohl Superkondensatoren als auch Batterien Berücksichtigung finden, allerdings in verschiedenen Anwendungsfällen. Superkondensatoren kommen eher bei hohen erforderlichen Leistungsdichten zum Einsatz, während Batterien für hohe Energiedichte stehen. Der grundlegende Unterschied liegt im Lade- und Entlademechanismus. Bei Supercaps erfolgt dies mithilfe eines elektrostatischen Prozesses, bei Batterien jedoch elektrochemisch. Elektrostatische Ladungsbewegungen ermöglichen eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Ladezyklen bis zu 0 V und Ladezeiten im Sekundenbereich.

Hybrid-Speichersysteme

Hybrid-Energiespeichersysteme aus Superkondensator und Batterie kommen in der Industrie seit langem zum Einsatz, um die Lebensdauer von Primärbatterien und wiederaufladbaren Batterien zu erhöhen. Bei Anwendungen mit intelligenten Messgeräten lässt sich die Lebensdauer der Primärbatterie um das Vierfache verlängern, wenn ein Superkondensator mit entsprechender Größe parallelgeschaltet wird, um die hohen Spitzenimpulsströme während der Kommunikationssequenz des Zählerablesens zu verarbeiten.

Der gleiche Ansatz gilt auch für Elektrofahrzeuge (Electric Vehicle, EV), um entweder die Batterielebensdauer oder die Leistungsdichte zu verbessern. Dabei hängt die Verbesserung vom verwendeten Batterietyp ab. Eine der möglichen Optionen für Nutzfahrzeuge ist der Lithium-Mangan-Typ (Lithiummanganoxid, LMO), der Teil der Batterielösung des Nissan Leaf und der E-Fahrzeuge von BMW ist. Superkondensatoren können die Lebensdauer der Batterien vor allem aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber der Entladungstiefe (Depth of Discharge, DoD) verbessern. Abhängig von der Größe des hinzugefügten Superkondensators lassen sich die Leistungsdichte und Leistung auch während der Beschleunigung verbessern. Der andere potentielle Batterietyp, der eine zuverlässige, langlebige Lösung bietet, jedoch keine hohe Leistungsdichte aufweist, ist geschmolzene Natriumkeramik. Die Natriumbatterie, oft auch Zebra-Batterie genannt, muss zur Aktivierung auf 250 bis 350 °C erhitzt werden. Nach der Aktivierung ist sie die ideale Wahl für Anwendungen mit kontinuierlichem Laden und Entladen.

Bild 2: Zur Verbesserung ihrer Leistungsdichte und der Gesamtleistung des EVs sind Superkondensatoren erforderlich. Hier im Beispiel liefert der Supercap den Großteil der Energie während der Beschleunigung.

Bild 2: Zur Verbesserung ihrer Leistungsdichte und der Gesamtleistung des EV sind Superkondensatoren erforderlich. Hier im Beispiel liefert der Supercap den Großteil der Energie während der Beschleunigung. Eaton

Bild 3: Die zu erwartende Verbesserung der LMO- und Natriumbatterien mit parallelem Supercap hängt stark von der Größe des Superkondensators ab.

Bild 3: Die zu erwartende Verbesserung der LMO- und Natriumbatterien mit parallelem Supercap hängt stark von der Größe des Superkondensators ab. Eaton

Die übliche Entladezeit beträgt vier bis acht Stunden, was den Anforderungen einer täglichen Fahrt mit einem Lieferwagen oder einem Stadtbus mit einer Nachtladung entspricht. Natriumbatterien besitzen eine sehr hohe Lebensdauer und Zyklenfähigkeit. Zur Verbesserung ihrer Leistungsdichte und der Gesamtleistung des EV sind Superkondensatoren erforderlich (Bild 2). Der Superkondensator ist in diesem Fall so bemessen, dass er den Großteil der Kraft und Energie während der Beschleunigung liefert und die gesamte Bremsenergie absorbiert, die vom Antriebsstrang regeneriert wird. Die Batterie wird hauptsächlich zum Aufladen des Superkondensator-Moduls und zum Aufrechterhalten der Geschwindigkeit verwendet (maximal 80 bis 100 km/h). Bild 3 zeigt die erwartete Verbesserung der LMO- und Natriumbatterien mit parallel geschalteten Superkondensatoren. Dabei hängt die Verbesserung stark von der Größe des Superkondensators ab.

Fallstudie Elektrobus

Eaton hat ein Auswertungsmodell für Batterie-Superkondensator-Hybride entwickelt, mit dem die erwartete Lebensdauer eines Batterietyps, der einem bestimmten Fahrzyklus ausgesetzt ist, bewertbar ist. Das Modell kann die Optimierungen simulieren, wenn Superkondensatoren passiv (direkt parallel) oder aktiv (über einen DC/DC-Wandler) an die Batterie angeschlossen sind.

Bild 4: Die Superkondensator-Bank arbeitet als eine Art Tiefpassfilter, der einen konstanten Strom passieren lässt, diesen beim regenerativen Bremsen absorbiert und beim Beschleunigen wieder abgibt.

Bild 4: Die Superkondensator-Bank arbeitet als eine Art Tiefpassfilter, der einen konstanten Strom passieren lässt, diesen beim regenerativen Bremsen absorbiert und beim Beschleunigen wieder abgibt. Eaton

Die folgende Simulation berücksichtigt den EQ6100-Stadtbus-Standardfahrzyklus eines Busses mit Hybrid-Energiespeichersystem bestehend aus einem LMO-Batteriepack mit 530 V und 105 Ah und einem Supercap-Modul mit 210 V und 71 F (zweimal parallel und 84-fach in Reihe geschaltete Eaton-XL60-2R7308T-R-Superkondensatoren mit einem Gesamtgewicht von etwa 120 kg und einem Volumen von rund 150 l unter Berücksichtigung von Gehäuse und Kabeln). Das Superkondensator-Modul ist über einen bidirektionalen DC/DC-Wandler mit der Hauptstromleitung verbunden. Gesteuert wird der Wandler vom Strommessmodus, um zu entscheiden, wann die Superkondensatoren ge- und entladen werden sollen. Die Superkondensator-Bank arbeitet als eine Art Tiefpassfilter, der einen konstanten Strom passieren lässt, diesen aber bei schnellem Stromanstieg (regeneratives Bremsen) absorbiert und bei schnellem Stromrückgang (Beschleunigung) abgibt (Bild 4).

Die Batterielebensdauer hängt hauptsächlich von der Entladungstiefe, der Ladespannung und der Zellentemperatur ab. In der Simulation wird die Auswirkung der Temperatur unter der Annahme ausgeschlossen, dass sie ausreichend kontrolliert ist. Durch Hinzufügen von Superkondensatoren zur Bewältigung der hohen Spitzenströme wird jedoch erwartet, dass sich der Temperaturanstieg der Batterie verringert, was einen zusätzlichen positiven Effekt zur Verlängerung der Batterielebensdauer darstellt. Basierend auf Angaben des Batterieherstellers entwickelt Eaton die Entladungsprofile und die Zyklen bis zum Ausfall in Abhängigkeit von der DoD.

Bild 5: Zur Auswertung wurden drei verschiedene Batteriepack-Konfigurationen ohne Supercap ausgewertet, was zu unterschiedlichen Ladezuständen während des Fahrzyklus führte.

Bild 5: Zur Auswertung wurden drei verschiedene Batteriepack-Konfigurationen ohne Supercap ausgewertet, was zu unterschiedlichen Ladezuständen während des Fahrzyklus führte. Eaton

Basierend auf dem Fahrzyklus lässt sich die tatsächliche Übertragungsleistung berechnen, um das aktuelle Batteriestromprofil zu erhalten. Anhand des Stromprofils erfolgt schließlich die Berechung der tatsächlichen Batterieentladung. Der Vergleich des Modells mit den Testdaten zeigt eine gute Korrelation mit der tatsächlichen Leistung, wodurch das Modell validiert wird. Es wurden drei verschiedene Batteriepack-Konfigurationen ohne angeschlossene Superkondensatoren ausgewertet, was zu unterschiedlichen Ladezuständen (State of Charge, SOC) während des tatsächlichen Fahrzyklus führte (Bild 5).

Anhand der SOC-Kurven ist die Anzahl kleiner Lade-Entlade-Zyklen bei jedem regenerativen Bremsen und Beschleunigen auffällig. Diese relativ kleinen, aber häufigen Ereignisse führen neben der geplanten täglichen Aufladung zu einer erheblichen Degradation der Batterie. Superkondensatoren als Teil des Energiespeichersystems (ESS) können einen Teil der Hochstromimpulse absorbieren und freigeben und tragen so zu einer wesentlich glatteren Batterieentladungskurve bei.

ESS-DC/DC-Wandler richtig einstellen

Die schnelle Fourier-Transformationsanalyse des tatsächlichen Fahrzyklus ermöglicht es, den Bereich der Zeitkonstante zu sehen, der für die Auswertung berücksichtigt werden soll. Basierend auf der Fast-Fourier-Transformation (FFT) wurde eine Zeitkonstante von sechs bis 100 für die Bewertung des Tiefpassfilters mit einem ausreichend großen Superkondensator-Modul in Betracht gezogen. Die Größe des Moduls hängt von der tatsächlich gewählten Zeitkonstante und den Parametern des DC/DC-Wandlers ab. Eine Verwendung größerer Superkondensator-Module trägt dazu bei, Effizienz und Reichweite zu erhöhen. Das simulierte Busmodell lässt sich durch die Berücksichtigung verschiedener Wandler und Superkondensatoren weiter optimieren. Um einen unverfälschten Einfluss auf die Batterielebensdauer mit unterschiedlichen Zeitkonstanten für die Steuerschaltung zu zeigen, wurde dieselbe Kombination aus Superkondensator-Modul und Wandler betrachtet.

Das Ergebnis der Simulation, bei dem die verschiedenen Tiefpasssteuerstrategien angewendet wurden, zeigt eine starke Reduzierung der Transienten des Batteriestroms. Je höher die Zeitkonstante für die Steuerschaltung ist, desto größer der Effekt der Spitzenstromabnahme.

In der Regel erhöht die Verwendung von Superkondensator-Hybriden, laut Branchenstudien, aufgrund der effizienteren Bremsenergieabsorption von mehr als 98 Prozent die Reichweite um bis zu 8 Prozent. Bei einer passiven Hybridverbindung ist dieser Effekt offensichtlicher, während dies im aktiven Setup hauptsächlich von der Effizienz des Wandlers abhängt.

Verbesserung der Lebensdauer

Nach Angaben des kooperierenden Batterieherstellers beträgt die unter diesen Bedingungen berücksichtigte Lebensdauer des Batteriepacks vier Jahre. Die erwartete Verbesserung mit einer gewissen Optimierung der realen Bedingungen kann etwa zweimal so hoch sein.

Bild 6: DoD-Verbesserung eines 48-V-Bleiakkus für einen Gabelstapler während eines Standardzyklus mit und ohne Superkondensator-Modul.

Bild 6: DoD-Verbesserung eines 48-V-Bleiakkus für einen Gabelstapler während eines Standardzyklus mit und ohne Superkondensator-Modul. Eaton

Batterien mit geringerer Leistungsdichte als Hochleistungs-Li-Ionen können von der Lastfestigkeit des Superkondensators noch mehr profitieren. Bild 6 zeigt die DoD-Verbesserung eines 48-V-Bleiakkus für einen Gabelstapler während eines Standardzyklus mit und ohne Eaton-XLR-48R6167-R-Superkondensator-Modul (48,6 V/166 F/5 mΩ/15 kg). Die Verbesserung ist signifikant, was nicht nur die Batterielebensdauer erhöht, sondern effektiv auch die Größe der Batterie verringert. Gemäß der Simulation ließe sich der 920-Ah-Bleiakku letztendlich auf 350 Ah reduzieren, falls die tägliche Laufzeit dies zulässt.