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Sonderdruck ausEIDEREISENBAHNINGENIEURINTERNATIONALE FACHZEITSCHRIFTFÜR SCHIENENVERKEHR & TECHNIKHeft 7 · Juli 2008DVV Media Group · HamburgHolger SchuhModerne Antriebsbatteriesysteme fürSchienenverkehrs-HybridfahrzeugeSaft Batterien GmbHLöffelholzstraße 20D-90441 NürnbergTel. 0911/94174-0Fax 0911/426144www.saftbatteries.de

FAHRZEUGBATTERIESYSTEMEModerne Antriebsbatteriesysteme fürSchienenverkehrs-HybridfahrzeugeErst jüngst sind leistungsfähige Batterien für Fahrzeugantriebe entwickelt worden,die vielen Ansprüchen an umweltfreundliche Antriebskonzepte genügen.Holger SchuhTrotz intensiver Forschungs- und Entwicklungsarbeitenkonnten Elektro- und Hybridantriebemit Blei-Säure- bzw. Nickel-Cadmium-Batterien (Ni-Cd) in den 1990erJahren nicht zur Serienreife gebracht werden.Heute sind Energiespeichersystemeauf der Basis von Nickel-Metallhydrid(Ni-MH) bzw. Lithium-Ionen (Li-Ionen)verfügbar, sowohl für Straßen- als auch fürSchienenfahrzeuge.Die Energiespeicherung ist die Schlüsseltechnologiebei der Entwicklung elektrischerFahrzeuge. Insbesondere im Bereichvon Hybridfahrzeugen werden weit reichendeMarktentwicklungen in naher Zukunfterwartet. Dabei unterscheiden sichZweck und Nutzung dieser Fahrzeuge erheblich,so dass es verschiedene Modellemit seriellem oder parallelem Antrieb gebenwird.Hybridfahrzeuge und ihrEnergie- und LeistungsbedarfElektro- und HybridfahrzeugeIn Elektrofahrzeugen ist die Batterie dieeinzige Energiequelle, sie treibt Elektromotorenüber geeignete Energie-Schnittstellenan. Die wichtigste Eigenschaft derBatterie ist daher die Möglichkeit, großeEnergiemengen zu speichern, um eineausreichend große Reichweite zu erzielen.In Hybrid-Elektrofahrzeugen werden Elektromotorenin Kombination mit einemVerbrennungsmotor eingesetzt. Üblicherweiseunterscheidet man bei der Hybridfahrzeugtechnologiezwischen „seriell-hybrid“und „parallel-hybrid“.Beim seriellen Hybridantrieb wird dievom Verbrennungsmotor erzeugte Energiein Elektrizität umgewandelt, mitder dann das Fahrzeug angetrieben wird.Beim parallelen Hybridantrieb wird dasFahrzeug primär vom Verbrennungsmotorangetrieben. Ein oder mehrere Elektromotorenwerden zusätzlich in Phasengenutzt, in denen der Verbrennungsmotoreinen schlechten Wirkungsgrad hat. Der*) Der Fachbeitrag basiert auf einem Vortrag, der vomAutor auf der Internationalen SchienenfahrzeugtagungRad-Schiene 2008 in Dresden gehalten wurde.Ladezustand der Batterie wird dabei aufeinem konstanten Niveau gehalten, wofürvom Verbrennungsmotor erzeugte Energiesowie kinetische Energie, welche bei Verlangsamungund beim Bremsen freigesetztwird, genutzt wird.Tatsächlich gibt es ein Kontinuum vonVarianten dieser Konzepte, abhängig vomFahrzeugtyp und den gesetzten Zielen.Anstelle eines Verbrennungsmotors istauch eine zweite elektrische Energiequellemöglich, zum Beispiel eine Brennstoffzelleoder, in öffentlichen Verkehrsmitteln, eineoben liegende Fahrleitung.Diese von Modell zu Modell sehr unterschiedlichenBedürfnisse bezüglichelektrischer Energie und Leistung müssenselbstverständlich bei der Auswahlder Batterie und der Batteriegröße berücksichtigtwerden. Jedes der wichtigenBatteriesysteme (Blei-Säure, Ni-MH, Li-Ionen) kann dabei eine Lösung sein. Alsbefriedigend funktionierende Lösung fürkommerziell vermarktete Fahrzeuge werdenmomentan Blei-Säure-Batterien fürMikro-Hybridfahrzeuge und Ni-MH-Batterienfür Fahrzeuge mit Mild- und Vollhybridantrieberachtet. Als beste Lösungfür Hybridfahrzeuge der Zukunft gilt dieLi-Ionen-Technologie, sobald sie vollständigoptimiert ist.Was ist ein „Hybrid“?Parallel Confi gurationsSeries Confi gurationsCombustionEngineFuel CellBatterie-Nutzung● nur hybrid● rein elektrischPOWERElectricBattery MotorBatteryAlternatorBatteryPOWERCombustionEngineElectricMotorAbb. 1: Defi nition möglicher HybridantriebeMechanical transmission to wheelsConventional carsMicro HEVMild HEVFull HEVPlug in hybridsPure EVPure EVEV + rangeextenderFull hybridFuel Cellhybridoder beides gemischt?Große HybridfahrzeugeSeit vielen Jahren gelten der öffentlichePersonennahverkehr und der städtischeLieferverkehr als attraktives Anwendungsgebietfür Hybridantriebe. Dabei könnenzwei Energiearten kombiniert werden, z. B.Wärmeenergie und elektrische Energie inHybridbussen, oder einfach zwei verschiedeneelektrische Energiequellen genutztwerden wie bei Oberleitungsbussen oderStraßenbahnen. Typischerweise wird dieFahrt häufig unterbrochen, was die regenerativeNutzung der Bremsenergie und dieLeistungsunterstützung beim Beschleunigenin den Mittelpunkt stellt.Bei Straßenbahnen bzw. Oberleitungsbussenist es durch den Batteriebetrieb möglich,streckenweise unabhängig von denFahrleitungen zu sein, z. B. in historischenStadtzentren, wodurch die Infrastrukturflexibler und einfacher gestaltet werdenkann. Die Batterien müssen dabei riesigeEnergiemengen speichern können, überlange tägliche Betriebszeiträume betriebenwerden können und die Lebensdauer mussder der Fahrzeuge entsprechen.Es wurde mit vielen Batteriesystemen experimentiert,sowohl Blei-Säure als auch Ni-Cd oder Ni-MH. Die praktische Erfahrunghat gezeigt, dass Ni-MH trotz der höherenKosten dank hoher Lebensdauer und Zu-● Start/Stopp● Beschleunigung● Entfernung● Ladung durchVerbrennungsmotor● RegenerativesBremsen● Externe Ladung2 EI-Eisenbahningenieur | Juli 2008

verlässigkeit am geeignetsten ist. Die Leistungsanforderungenentsprechen prinzipielldenen für andere Hybridantriebe, wobeimehr Energie und Leistung erforderlichsind.Zusammenfassung derAnforderungenArt und Größe des Hybridfahrzeugs bestimmendie Eigenschaften des passendenBatterietyps und der jeweiligen Technologie.Dabei sind folgende Parameter zu beachten:• erforderliche Energie für den reinenElektrobetrieb, abhängig von Fahrzeuggewichtund Reichweite,• erforderliche Leistung beim Start undbeim Beschleunigen,• Leistung, die beim regenerativen Bremsengenutzt werden soll,• Häufigkeit von Tiefentladungen,• Häufigkeit und Entladetiefe von leichtenEntladungen,• Ladezustand, in dem leichte Entladungendurchgeführt werden müssen und• Systemspannung.Batterietechnologien fürAntriebssystemeBlei-SäureDurch die relativ geringe Energiedichtevon Blei-Säure-Batterien ist die Reichweitevon Fahrzeugen im reinen Elektrobetrieb(Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge,Hybrid-Dualsysteme und Oberleitungsbusse)erheblich eingeschränkt.In Hybrid-Elektrofahrzeugen werden Batterienhäufig im teilentladenen Zustand(PSOC – partial-state-of-charge) genutzt.Beim Betrieb von Hybrid-Elektrofahrzeugensind die Lade- und Entladeraten sehrhoch. Dabei entstehen Spannungsabfälleüber Breite und Höhe der Platten, so dassdas aktive Material ungleichmäßig beanspruchtwird. An wenig genutztem Materialentstehen große und harte Sulfatkristalle,primär an der negativen Elektrode,die letztendlich zum Ausfall der Batterieführen.VRLA-Batterien zeigen in dieser Hinsichtein etwas besserer Verhalten als belüfteteBatterien, da die Sauerstoffrekombinationan der negativen Elektrode die Ungleichheitder Platten verhindert, die durch ungleicheLadungseffizienz von positiver undnegativer Platte entsteht. Allerdings sinddie Probleme der heutigen Blei-Säure-Batterienim PSOC-Betrieb ein Haupthindernisbei der breiten Einführung von Mild-Hybridfahrzeugen.Blei-Säure-Batterien werden daher eherfür Mikro-Hybridfahrzeuge gewählt, wosie für Stop-und-Start und beim Kaltstarteingesetzt werden, wo häufige, aber kurzeHochleistungszyklen bei meist hohen Temperaturen(Motorraum) nötig sind. AGM-Nickel-Cadmium● gute Zyklenlebensdauer> 3000 volle Zyklen (80 % DOD)> 50000 Zyklen bei 10 % DOD➞ bei 1 C Entladung➞ und C/2 Ladung● sehr robustunempfi ndlich gegenüber falscher Handhabung undextremen Temperaturen● sehr gute Leistungsdichte, auch bei niedrigem Ladezustand● Industriebatterien sind nur wartungsarmAbb. 2: Eigenschaften von Nickel-Cadmium-BatterienVRLA-Batterien eignen sich gut für dieseAnwendung und erreichen eine Lebensdauervon drei bis fünf Jahren, die durchKorrosion des positiven Gitters aufgrundder hohen Temperaturen und Sulfatablagerungenan der negativen Platte begrenztwird. Wenn höhere Leistung und längereLebensdauer erforderlich sind, sind Zellenmit spiralförmiger Wicklung und dünnenElektroden geeigneter.Die größte Herausforderung stellen Mikro-Hybridfahrzeuge mit regenerativer Bremsfunktiondar. Die Batterien müssen beimBremsen große regenerative Energiemengenaufnehmen, wodurch eine Überladungmöglich ist, die zur Austrocknung der Batterieführt. Abhilfe bietet die Verbindungder Batterie mit Superkondensatoren.Nickel-CadmiumIn den 1980er und 1990er Jahren entwickeltedie Firma Saft die ersten Ni-Cd-Batterien für moderne Elektrofahrzeuge.Mit einer spezifischen Energie von bis zu55 Wh/kg verbindet diese Batterie eine hervorragendeLebensdauer (3000 Lade-/Ent-Ni-MH-Produkte● höhere Energie- und Leistungsdichte● wartungsfreies Design (interne Rekombination)➞ benötigt Ladesteuerung und➞ Spannungs- und Temperaturüberwachung● NHE-Modul-Reihe – High Energy➞ prismatisches Modul für EV-Anwendungen entwickelt➞ 12 V – 100 Ah; 6 V – 200 Ah; 2,4 V – 500 AH; 1,2 V – 1000 AhAbb. 3: Eigenschaften von Nickel-Metallhydrid-Batterienladezyklen bei 80 % Entladetiefe) mit hoherund stabiler spezifischer Leistung. DieEntladung erfolgt typischerweise bei einerpermanenten Entladerate von 1 C, mitSpitzen von 2 C. So ist in kleinen Elektrofahrzeugenfür gewöhnlich eine Reichweitevon 80 km möglich.Es existieren auch Ni-Cd-Batterien inHochleistungsbauweise, die für den Einsatzin Hybrid-Elektrofahrzeugen geeignetsind. Im Gegensatz zu Blei-Säure-Batterienist der PSOC-Betrieb für Ni-Cd-Batterienkein Problem. Batteriekonzepte mit gesintertenpositiven Platten und kunststoffummanteltennegativen Platten (S/PBE-Technologien) bieten hohe Leistung undhervorragendes Lade-/Entladeverhaltenbei gleichzeitig geringem Wartungsaufwand.Dabei ist die Fähigkeit der Batterie,eine große Zahl von Zyklen mit geringerEntladung im teilentladenen Zustand zuüberstehen, von besonderer Bedeutung.S/PBE-Zellen können 3500 Zyklen bei80 % Entladetiefe bieten, aber – und dasist entscheidend – bei 10 % Entladetiefe50 000 Zyklen überstehen. Die S/PBE-Ni-● NHP-Modul-Reihe – High Power➞ prismatisches Modul für Hybrid-Anwendungen bei schweren Fahrzeugenentwickelt (Busse, Straßenbahnen …)➞ 12 V – 34 Ah; 6 V – 68 AhEI-Eisenbahningenieur | Juli 20083

FAHRZEUGBATTERIESYSTEMENi-MH-Batteriesystem für Müllfahrzeug● Dual Mode Applikation Batteriesystem➞ 100 Ah – 540 V Ni-MH-Batteriesystem➞ 54 KWh Energie; 80 KW – 130 KW Leistung➞ Gesamtgewicht des Batteriesystems: 1,5 to➞ rein elektrisch (einsammeln) oder hybrid (fahren)Abb. 4: Nickel-Metalllhydrid-Batteriesystem für ein MüllfahrzeugCd-Technologie erfüllt die Anforderungendieser Anwendung und ist eine sehr guteWahl für die nähere Zukunft. Ein Nachteildieser Technologie ist, dass regelmäßigWasser nachgefüllt werden muss.Nickel-MetallhydridNickel-Metallhydrid-Zellen (Ni-MH) sindim Wesentlichen eine Weiterentwicklungder Nickel-Cadmium-Technologie, wobeidie Elektrode auf Cadmium-Basis durcheine Wasserstoff aufnehmende negativeElektrode ersetzt wird. Die Batterie mussabgedichtet werden, um Wasserstoffverlustzu verhindern, allerdings ist der mittlereDruck in der Zelle gering. Am Ende derLadung erfolgt eine hundertprozentigeRekombination des Wassers, genau wie inabgedichteten Ni-Cd-Zellen.Dieser Rekombinationsmechanismus (derin allen verschlossenen und wasserhaltigenBatteriesystemen zu beobachten ist)begrenzt den Ladezustand der Batterie undsorgt dafür, dass am Ende der Ladung alleZellen gleichmäßig aufgeladen sind. Allerdingswird der Teil der überladenen Energie,der nicht elektrochemisch gespeichertwerden kann, als Wärme freigesetzt, so dasseine hochwirksame Temperaturregelungerforderlich ist, insbesondere bei hohenLaderaten. Das Fehlen einer verbrauchbarenElektrolytreserve (Nachfüllen vonWasser ist nicht erforderlich) sowie die negativeElektrode auf Wasserstoffbasis sindfür die Haupteigenschaft der Ni-MH-Zellenverantwortlich: eine wesentlich höhereEnergiedichte (bis zu 250 Wh/dm 3 ) undeine leicht höhere spezifische Energie (ca.70 Wh/kg) im Vergleich zu Ni-Cd. AuchNi-MH-Zellen haben eine Lebensdauervon vielen Lade-/Entladezyklen, typischerweisemehrere Tausend vollständige Zyklen,allerdings liegt die Selbstentladungsratehöher.Wie Ni-Cd- können auch Ni-MH-Zellen alsHochenergie- bzw. Hochleistungsbatteriegebaut werden, sowohl in zylindrischer alsauch prismatischer Form.Hochleistungsmodule fürVollhybridfahrzeugeHochleistungs-Ni-MH-Batterien werdenheute in großen Stückzahlen für in Seriegefertigte Hybridfahrzeuge produziert, vondenen der Toyota Prius, ein Vollhybridfahrzeugmit einer Ni-MH-Batterie von PEVE,das bekannteste ist. Typischerweise werdendabei zylindrische oder prismatische Zellenmit 6 Ah und Systemspannungen von ca.200 V eingesetzt. Saft hat ein prismatischesHochleistungsmodul mit größerer Kapazitätentwickelt, das für größere Fahrzeuge,Busse oder Straßenbahnen geeignet ist.Bei einem Experiment wurden über 50 000Entlade-/Ladezyklen mit 4,5 kW/min mitdiesem wassergekühlten Modul erreicht,bei einer Durchschnittstemperatur von35° C. Dieses Zyklenprofil mit 20 % Entladetiefesimuliert den Betrieb eines Hybridbussesmit maximalen Lade- und Entladeratenvon 150 A bzw. 120 A. Die erreichteZyklenzahl entspricht einer insgesamt entladenenKapazität von 10 000 Mal der genanntenKapazität, was 7,5 Betriebsjahreneines typischen Hybridbusses entspricht.Auch hier wird die Leistungsstärke der Batterienicht nur durch die hohe Anfangsleistungdeutlich, sondern noch viel mehrdurch die Gleichmäßigkeit der abgegebenenLeistung über die gesamte Lebensdauerund die gesamte Entladetiefe. Ni-MH-Batterien sind im Allgemeinen teurer alsNi-Cd-Batterien. Die Anschaffungskostenmüssen allerdings, wie bei Ni-Cd-Batterienauch, auf die gesamte Lebensdauer umgelegtwerden.SystemintegrationAuch die für sich gesehen beste Batterietechnologiekann in Anwendungen nurdann zu befriedigenden Ergebnissen führen,wenn die Integration der einzelnenZellen oder Module in ein Fahrzeugsystemgut durchdacht ist. Die Hauptaspekte, diedabei beachtet werden müssen, sind dieDurchführung der Ladung und Entladung,die Wärmebeherrschung sowie mechanischeAspekte. Darüber hinaus muss dasSystem diverse ungünstige Betriebsbedingungenüberstehen, wenn ein oder mehrereBetriebsparameter außerhalb des Nennbereichsliegen. Ein komplettes Batteriesystembesteht aus elektrochemischen Zellen,einem Betriebsrechner (BMC), Leistungselektronik,Kommunikationsschnittstellensowie einem mechanischen Gehäuse.Ladung und Entladung der Ni-MH-Modulewerden überwacht. Im Allgemeinen wirdan jeder 20. Zelle die Spannung gemessen(24 V). Die Modultemperatur wird an verschiedenenOrten gemessen, abhängig vonder Bauart der Batterie. Der Gesamt-Batteriestromwird ebenfalls gemessen.In Anwendungen mit Tiefentladung, alsomeist bei Fahrzeugen in denen die Batterieeinen vollelektrischen Antrieb ermöglicht,wird die Batterie mit konstanter Stromstärkebei einer Rate von bis zu 0,3 C aufgeladen.Im Hybridmodus steigt die Laderratekurzfristig auf bis zu 10 C.Der BMC sammelt und verarbeitet sämtlicheDaten der Spannungs-, Temperatur-und Strommessungen. Der Rechnerüberwacht den Lade- und Entladevorgangund leitet in Problemsituationen geeigneteMaßnahmen ein. So wird der Lade- und/oder Entladevorgang durch einen Schalterunterbrochen und die jeweiligen Alarmsignalewerden ausgelöst. Zusätzlich wirdder Ladezustand der Batterie errechnet.Der BMC verfügt über Kontroll- und Diagnosefunktionenfür die elektronischenBauteile sowie eine Selbstdiagnosefunktionfür das gesamte System. Mit dem Fahrzeugsteuerungssystemkommuniziert der BMCüber einen CAN-Bus. Weiterhin verfügt derRechner noch über eine Black Box, in derdie wichtigsten Betriebsdaten zu Diagnosezweckengespeichert werden.WärmebeherrschungDie Wärmebeherrschung ist ein sehr wichtigerAspekt beim Batteriebau. Durch dieständigen Lade- und Entladezyklen entstehtin der Zelle Wärme. Da eine erhöhteTemperatur die Alterung der Batterie erheblichbeschleunigt und niedrige Temperaturendie Entladeleistung beeinträchtigt,muss versucht werden, die gesamte Batteriegleichmäßig im optimalen Temperaturbereichzu halten. Dieser Bereich liegt zwischen+20° C und +35° C. Die Flüssigkeitskühlungist die wirksamste Möglichkeit, umdie Temperatur im gewünschten Bereich zuhalten. Die Zusatzkosten für das Hydrauliksystemund den Wärmetauscher sindbei großen Hy bridsystemen in der Regelgerechtfertigt. Das bereits erwähnte Hochleistungsmodulist für die Flüssigkeitskühlungdurch ein System von Wasserfächernin den Modulwänden ausgelegt. DiesesSystem sorgt für eine wirksame Flüssigkeitszirkulationan den größeren Flächender einzelnen Sub-Module. Der gesamteKühlkreislauf ist an der Batterie mit einerFlüssigkeitskühleinheit (Wärmetauscher)verbunden, durch die die notwendige Wärmeableitungerfolgt.Die Funktion ist auch umkehrbar, damitbei kalter Witterung die Batterie beheiztwerden kann. Die erforderliche Kühlleistunghängt von der abzuleitenden Wärme-4 EI-Eisenbahningenieur | Juli 2008

menge ab, d. h. von der Anzahl der Batteriemodulesowie dem effektiven Profil desAntriebszyklus.AnwendungsbeispieleUntenstehend werden zwei beispielhafteGroßfahrzeuge beschrieben, in denen Ni-MH-Batterien eingesetzt werden.Hybridstraßenbahn:Genau wie bei konventionellen Systemennutzt die Hybridstraßenbahn während desGroßteils der Fahrt die Energie der Fahrleitung.In der Innenstadt oder in historischenStadtteilen kann dann aber für Streckenbis zu 1 km auf das fahrzeugeigeneBatteriesystem umgeschaltet werden. DieBatterie liefert unabhängig Energie bis dasFahrzeug die nächste externe Versorgungsleitungerreicht. Tatsächlich entspricht dasBetriebsprofil einem Dualbetrieb, d. h. dasFahrzeug wird entweder über eine konventionelleEnergieversorgung angetrieben(Fahrleitung, prinzipiell sind aber auchandere Energiequellen möglich), oder fürkurze, aber häufige Phasen durch die Batterie.Bei einem typischem Fahrzeuggewicht von30 bis 60 t und Strecken von 200 bis 800 mliegt die notwendige Batterieleistung zwischen80 und 200 kW für eine Antriebsdauervon 100 bis 200 Sekunden, 15 bis 30Mal täglich. Wichtig ist dabei, dass mehrereaufeinander folgende Anfahrzyklen durchführbarsind, da die Straßenbahn mehrmalsinnerhalb eines Streckenabschnittsohne Oberleitung halten und anfahrenmuss, bedingt durch starken Verkehr, Stausoder Fußgänger. Typische Batteriekennwertezeigt Tab. 1.Hybridmüllwagen:Es gibt bislang nur wenige Müllsammelfahrzeugemit Elektroantrieb, obwohl dieVorteile eines geräuscharmen und umweltfreundlichenBetriebs, der sogar nachtsmöglich wäre, auf der Hand liegen. EinBeispiel ist der FCC-Hybridmüllwagen, derin Spanien unter dem Eureka-Label gebautwurde. Das Fahrzeug kann während desEinsammelns des Mülls im reinen Elektrobetriebfahren. Daher ist eine bestimmteEnergiemenge nötig, damit der Wagen dieerforderliche Strecke fahren kann. Zusätzlichkann der Müllwagen im Vollhybridbetriebgenutzt werden, wobei die Batterie beiLeistungsspitzen beim Anfahren und Beschleunigenzur Unterstützung zugeschaltetwird und mit einem Dieselgenerator dieelektrische Antriebskette des Fahrzeugs mitEnergie versorgt wird. Die Batterie speichertzusätzlich regenerative Bremsenergie.Um mit einer einzigen Batterieladungden 15 t schweren Wagen über die nötigeStrecke von 3 km zu bringen, sind 4 bis5 kWh erforderlich. Zusätzlich werdenLithium-Ion High Power● Leistungszyklen➞ > 500 000 Zyklen mit 2,5 % DOD➞ > 12 000 x Kapazitätsumsatz➞ Kontrollzyklus 500 A / 12 sec,alle 20 Tage● kalendarische Lebensdauer➞ 20 Jahre bei 20° C➞ 10 – 15 Jahre bei 40° C● Leistungsdichte➞ High Power Zelle➞ Ultra High Power Zelle3000 W/l; 1500 W/kg10 000 W/l; 5000 W/KgAbb. 5: Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien13 kWh zum Betrieb des Hydrauliksystemswährend des Einsammelns benötigt.Im Hybridmodus beträgt die erforderlicheSpitzenleistung 130 kW über 10 Sekunden.Abschließend kann die Batterie währenddes Bremsens für einige Sekunden mit derMaximalleistung von 90 kW aufgeladenwerden.Lithium-IonenLithium-Ionen-Batterien wurden Anfangder 1990er Jahre als erstes wiederaufladbaresSystem eingeführt, das nicht mit Wassergefüllt war. Grundsätzlich können Li-Ionen-Batterienmit verschiedenen elektrochemischenKomponenten gebaut werden,unterschiedlich sind dabei jeweils Art undVerbindung der Metallionen in den positivenElektroden. Die wichtigsten Grundeigenschaftensind eine bemerkenswerthohe spezifische Energie, eine hohe Energiedichtesowie eine hohe Spannung derEinzelzellen, durch die für den Bau einerHochspannungsbatterie weniger Zellen benötigtwerden. Mit dünnen Elektroden undSeparatoren können Hochleistungsbatterienmit sehr hoher Leistung gebaut werden.Li-Ionen-Zellen werden in Massenfertigungfür Verbraucheranwendungen in Größenvon 1 bis 3 Ah produziert. Die weltweitenProduktionskapazitäten für großformatigeLi-Ionen-Zellen für Industrieanwendungensind nach wie vor begrenzt, so dass dieKosten noch vergleichsweise hoch sind.VL20P, Leistung im KontrollzyklusEs wird erwartet, dass Li-Ionen-Batterienökonomisch konkurrenzfähig werden,sobald die Kosten durch größere Produktionsvoluminasinken und mittelfristigwerden sie vermutlich die heute gebräuchlichenNi-MH-Batterien ersetzen [3].Bereits heute sind verschiedene prismatischeund zylindrische Versionen im Handelverfügbar und werden auch schon ineinigen fortschrittlichen Industrieanwendungeneingesetzt.Langfristig stellt die Lithium-Ionen-Technologiedie vielversprechendste Optionfür Hybrid-Elektrofahrzeuge dar. ModerneLi-Ionen-Zellen auf Nickelbasis verbindenhohe Leistung und hervorragendes LadeundEntladeverhalten mit einer Betriebsdauer,die die Haltbarkeit von Verbraucherbatterienweit übersteigt, so dass die Zellenmit der Lebensdauer von Industrieanlagen(10 bis 20 Jahre) mithalten können. Zudemzeichnet sich diese Technologie durch hoheEnergieeffizienz, geringe Größe und geringesGewicht sowie Wartungsfreiheit aus.Die Herausforderung bei der Nutzung vonLi-Ionen-Batterien ist die Konzeption desGesamtsystems. Sicherer Batteriebetriebmuss durch elektronische Kontrollfunktionen,die die Kosten nur minimal steigerndürfen, ebenso sichergestellt sein, wie Zuverlässigkeitund Robustheit.Zur Einführung von Lithium-Ionen-Technologieim Bereich von Elektro- und Hybridfahrzeugenwurden große öffentlichBatterie 44 bis 68 Module NHP 10-340Nominalspannung530 bis 820 VBatteriesystemgewicht800 bis 1100 kgBatterieenergie18 bis 28 kWhBatterieleistung90 bis 200 kWEntladetiefe 8 bis 20 %Zyklenlebensdauer14000 bis 60000 ZyklenGebrauchsdauer6 bis 8 JahreTab. 1: Beispiel für typische Anforderungen an Ni-MH-Batterien für HybridstraßenbahnenEI-Eisenbahningenieur | Juli 20085

finanzierte Entwicklungsprogramme in dervergangenen Dekade durchgeführt [7,8],doch kommerziell erhältlich sind Hybrid-Elektrofahrzeuge mit Li-Ionen-Technologienach wie vor nicht. JCS (Johnsson Controls– Saft Advanced Power Solutions) konnten2006 den Zuschlag für einen Auftrag überLi-Ionen-Batterien für die Mercedes S-Klasse400 Hybrid von Daimler bekannt geben.Die dafür erforderliche Fertigungsanlagewird mit einem Aufwand von 15 Mio. EURin Nersac, Frankreich gebaut. Die Serienproduktionwird dort 2008 anlaufen.Zur kommerziellen Einführung auf großenFahrzeugen, insbesondere im Bereich desöffentlichen Personennahverkehrs, bleibtdie Systemintegration eine große Herausforderung.Das Batteriesystem muss immeran das spezifische Betriebsprofil angepasstwerden und auch zu einer Reihe von mechanischen,elektrischen und elektronischenKomponenten kompatibel sein,welche die Schnittstelle von Batterie undFahrzeug darstellen.ZusammenfassungAn Batterien für rein elektrisch oder hybridangetriebene Fahrzeuge müssen hoheAnforderungen gestellt werden. DerartigeAntriebsbatterien müssen neben hoherKapazität, langer Lebensdauer und niedrigemGewicht auch der Betriebsweise derFahrzeuge angepasst sein. Dafür ist es notwendig,intelligente Antriebssysteme zuentwickeln, damit die Vorteile dieser Hybridtechnikauch optimal genutzt werdenkönnen. Erst in den letzten Jahren ist es gelungen,derart leistungsfähige Batterien zuentwickeln und zur Serienreife zu bringen.LITERATUR[1] Broussely, M.: Traction Batteries, EV, HEV and OtherVehicles, in: Industrial Applications of Batteries, from Cars toEnergy Storage and Aerospace; M.Broussely and G.Pistoiaeditors, Elsevier, Amsterdam, to be published early 2007[2] Ulrich, P.; Liska, J.L.: Proceedings of 20th Electric VehicleSymposium (EVS20), Long Beach, CA, USA (2003)[3] Broussely, M.; Blanchard, P.; Biensan, P.; Rigobert, G.;Liska, J.L.; Genin, P.; Barsacq, F.: Abstracts of the 46th BatterySymposium, 3E, 616-617, Nagoya, Japan, 2005[4] Miyamoto, T.; Touda, M.; Katayama, K.: Proceedings ofEVS13 symposium Vol 1, 37-44, Osaka, Japan, 1996.31[5] Sarre, G.; Lafl aquière, P.; Borello, C.; Ceres, P.; Rena, P.:Proceedings of 3rd AABC conference, Nice, France, 2003[6] Bitsche, O.; Gutmann, G.; Schmloz, A.; d’Ussel, L.:Proceedings of 18th ElectricVehicle Symposium (EVS18),Berlin, Oct 2001[7] Barnes, J.A.; Duong, T.Q.; Howell, D.:Abstracts of the 46thBattery Symposium, 3E, 564-565, Nagoya, Japan, 2005[8] Ikeya, T.; Miyazaki, H.; Kuriyama, H.; Sato, Y.: Proceedings of21th Electric Vehicle Symposium (EVS21), A1, Monaco, France,2005[9] Johnsson Controls – Saft Advanced Power Solutions, PressRelease N° 03-06, Paris, France & Milwaukee (Wi), USA,September 2006SummaryHolger SchuhGeschäftsführer Saft BatterienGmbH, NürnbergHolger.Schuh@saftbatteries.comModern battery power systems forhybrid railway vehiclesBatteries for electric- or hybrid-propulsion railwayvehicles need to meet high requirements.Alongside high capacity, long service life andlow weight, they also need to be adapted tothe vehicles’ mode of operation. This entailsdeveloping intelligent propulsion systems soas to be able to exploit the benefits of suchhybrid technology to the full. Only in the lastfew years has the development of such highperformancesystems reached a stage whereseries production is feasible.Fortschrittliche BatteriesystemeInnovative Lösungen für Backup und TraktionLÖHR 2006IBG 012-1- 08 Photo credits:© Digital Vision,J Isenmann, PhotoDisc, Saft.Saft-Batteriesysteme sind weltweit zahlreich im Einsatz. In enger Zusammenarbeit mitunseren Kunden entwickeln wir Produkte, welche den äußerst hohen Anforderungengerecht werden, die ein dynamischer, sich stets weiter entwickelnder Markt an uns stellt.Unsere Standardlösungen reichen von einfachen Systemen zum Einbau in bestehendeGerätekästen, bis hin zu voll integrierten, kundenspezifischen Energiesystemen fürhochkomplexe Anwendungen.Saft Batterien werden heute bereits zum Antrieb von Hybridstraßenbahnen eingesetzt.Fortschrittliche Technologien ermöglichen eine weitere Leistungssteigerung der AntriebsundNotstrombatterien im mobilen Schienenverkehr.www.saftbatteries.deSaft Batterien GmbH - Löffelholzstrasse 20, 90441 Nürnberg - Tel: +49 911 94174-41Email: Frank.Strunz@saftbatteries.com6 EI-Eisenbahningenieur | Juli 2008