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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
Seite 1 und 2: Sonderdruck ausEIDEREISENBAHNINGENI
Seite 3: verlässigkeit am geeignetsten ist.

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