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Ultrakondensatoren und Batterien

Energie-Recycling für Fahrzeuge

31. Oktober 2018, 14:56 Uhr | Von Michael Liedtke und Olivier Chabilan

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Schnittstelle zwischen Akku, Kondensator und Antriebsmotor

Der DC/AC-Wechselrichter wird zwischen dem Ultrakondensator, dem Batteriespeicher und dem Antriebsmotor installiert. Das stellt sicher, dass das Gerät seine Leistung mit einer präzisen, kalibrierten Spannung abgibt, die sich im Laufe der Zeit nicht verändert.

Aktuell setzen die Hersteller von Elektrofahrzeugen auf übergroße und damit schwere Batterien, um sicherzustellen, dass sie die nötige Energie bereithalten, um die Fahrzeugspezifikation zu erfüllen. Auch braucht es ein System, um die Batterien bei niedrigeren Temperaturen warm zu halten. Andererseits kann eine Batterie während des Ladevorgangs überhitzen – je nachdem, wie stark der Strom fließt. Auch für das Ultra-kondensatorpaket kann je nach Frequenz und Tiefe des Zyklus ein Kühlsystem erforderlich sein. In jedem Fall ist ein Flüssigkeits-kühlsystem in Elektroautos sinnvoll, um sicherzustellen, dass der Energiespeicher immer in einem optimalen Temperaturfenster gehalten wird.

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Der primäre Energielieferant ist jedoch nach wie vor die Batterie: Sie spielt die erste Geige. Sie muss in der Lage sein, die Ultrakondensatoren für den ersten Start aufzuladen, gleichzeitig das Fahrzeug teilweise mitbeschleunigen. Die Hauptarbeit der Batterie jedoch wird dann zu Fortbewegung des Fahrzeugs verwendet: das Abspulen der Kilometer.

Dasselbe in umgekehrter Reihenfolge passiert dann beim Bremsvorgang. Zuerst werden die Ultrakondensatoren aufgeladen, genau dann, wenn die höchsten Ströme von den Motoren generiert werden. Wenn es dann nicht mehr so hochstromig läuft, wird die Energie in die Batterie gespeichert – also sehr schonend für die Batterie. Der Ultrakondensator übernimmt also die »Drecksarbeit«, ohne zu murren. Die Batterie macht die Musik, der Ultrakondensator die schnellen Solis.

Bei EVs (Electric Vehicle) werden die Batterien vollständig über das Stromnetz aufgeladen. Während der Anfangszyklen, also zu Beginn des Batterielebens, bleibt die Spannung „weitgehend“ gleich. Am Ende der Batterielebensdauer wird die Spannung jedoch unregelmäßiger. Und wie wird dem heute begegnet? Indem die Batterie überdimensioniert wird. Sie wird so ausgelegt, dass sie die Lebensdauer des Fahrzeugs erreicht – mit einer garantierten Leistung. Kein Autokäufer würde es hinnehmen, dass die Leistung des Fahrzeugs über die Lebensdauer langsam aber sicher kontinuierlich dahinschwindet. Einige Hersteller von Handys haben uns inzwischen so konditioniert, dass wir es ohne Murren akzeptieren, dass das Smartphone nach zwei Jahren Einsatz immer langsamer wird und immer öfters nachgeladen werden muss. Ultrakondensatoren indes übernehmen eine Funktion als Schoner. Sie schonen die Batterie.

Leistungsgewicht ist Trumpf
Das Leichtbau-Genie Colin Chapman – Gründer von Lotus-F1: „Mach es einfach, mach es leicht!“ – gewann mit seiner Devise in den Sechziger- und Siebzigerjahren sieben Mal die F1-Konstrukteursweltmeisterschaft, und ein altgedienter BMW-Ingenieur sagte: 100 kg weniger Gewicht sind besser als 50 PS mehr Leistung. Was bedeutet das für heutige Elektrofahrzeuge? Rund 15 kWh braucht ein durchschnittliches, rein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug laut Herstellerangaben momentan, um 100 km weit zu fahren. Um die dafür benötigte Energie zu speichern, ist einer Studie der Managementberatung Horváth & Partners zufolge eine Batterie mit knapp 160 kg notwendig. Aktuelle, kleinere Elektroauto-Modelle tragen Batteriegewichte zwischen 200 und 300 kg mit sich. Das mit rund 600 km reichweitenstärkste Modell, das Model S von Tesla mit 525 PS kommt auf ein Batteriegewicht von etwa 750 kg und bei einem Gesamtgewicht von über 2,1 Tonnen auf ein Leistungsgewicht von rund 4 kg/PS. Ein von der Leistung her vergleichbarer Audi-RS6 kommt bei 560 PS auf ein Leistungsgewicht von 3,48 kg/PS. Das bedeutet, dass der Gewichtsvorteil eines Elektrofahrzeuge, der durch den Verzicht auf Motor, Getriebe, Antriebsstränge und Differential bei rund 60 % eines konventionellen Autos liegt, durch das extrem hohe Batteriegewicht derzeit noch vollständig aufgehoben wird. Wenn es in Zukunft möglich ist, einige der Batterien durch Ultrakondensatoren zu ersetzen, die deutlich leichter und auch hinsichtlich der Lebensdauer den Batterien weit überlegen sind, dann ist ein großer Schritt in Richtung Elektromobilität getan. Zum Vergleich: Die Leistungsdichte des SCA 500-Kondensatormoduls von Skeleton Technologies beträgt 80 kW/kg – das entspricht 107 PS/kg!

Leistungsgewicht ist Trumpf

Das Leichtbau-Genie Colin Chapman – Gründer von Lotus-F1: „Mach es einfach, mach es leicht!“ – gewann mit seiner Devise in den Sechziger- und Siebzigerjahren sieben Mal die F1-Konstrukteursweltmeisterschaft, und ein altgedienter BMW-Ingenieur sagte: 100 kg weniger Gewicht sind besser als 50 PS mehr Leistung.

Was bedeutet das für heutige Elektrofahrzeuge? Rund 15 kWh braucht ein durchschnittliches, rein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug laut Herstellerangaben momentan, um 100 km weit zu fahren. Um die dafür benötigte Energie zu speichern, ist einer Studie der Managementberatung Horváth & Partners zufolge eine Batterie mit knapp 160 kg notwendig. Aktuelle, kleinere Elektroauto-Modelle tragen Batteriegewichte zwischen 200 und 300 kg mit sich. Das mit rund 600 km reichweitenstärkste Modell, das Model S von Tesla mit 525 PS kommt auf ein Batteriegewicht von etwa 750 kg und bei einem Gesamtgewicht von über 2,1 Tonnen auf ein Leistungsgewicht von rund 4 kg/PS.

Ein von der Leistung her vergleichbarer Audi-RS6 kommt bei 560 PS auf ein Leistungsgewicht von 3,48 kg/PS.
Das bedeutet, dass der Gewichtsvorteil eines Elektrofahrzeuge, der durch den Verzicht auf Motor, Getriebe, Antriebsstränge und Differential bei rund 60 % eines konventionellen Autos liegt, durch das extrem hohe Batteriegewicht derzeit noch vollständig aufgehoben wird.

Wenn es in Zukunft möglich ist, einige der Batterien durch Ultrakondensatoren zu ersetzen, die deutlich leichter und auch hinsichtlich der Lebensdauer den Batterien weit überlegen sind, dann ist ein großer Schritt in Richtung Elektromobilität getan. Zum Vergleich: Die Leistungsdichte des SCA 500-Kondensatormoduls von Skeleton Technologies beträgt 80 kW/kg – das entspricht 107 PS/kg!

Ganz entscheidend ist, dass die Ultrakondensatoren in der Lage sind, die großen Belastungen des Systems beim Bremsen aufzunehmen und beim Wiederbeschleunigen abzugeben, wodurch die Batterie für normale Fahrten und Rekuperationsphasen mit geringer Leistung herangezogen wird. Die Batterie wird nach wie vor die Energie für fast den kompletten Fahrzyklus liefern – nur eben stressfrei. Die Ultrakondensatoren können diese Entlade- und Ladezyklen problemlos bis über eine Million Mal im Laufe ihres Lebens durchführen.

Es gibt bereits einige veröffentlichte Untersuchungen, wie sich somit die Lebensdauer der Batterie verbessern lässt; unabhängig von der verwendeten Batteriechemie. Es werden verschiedene Werte genannt: von 40 bis mehr als 100 % – also eine Verdopplung der Lebensdauer. Selbst bei dem Wert am unteren Ende der Skala lässt sich schnell ausmalen, was für Vorteile das mit sich bringt:

Mehr Reichweite, die Kapazität der Batterie muss nicht mehr so viel in Reserve halten, um die Lebensdaueranforderungen zu erfüllen.
Weniger Gewicht und Volume bei gleicher Lebensdauer ohne Einbußen von wichtigen Leistungseigenschaften etc.

Gilt das nur für EVs?

Dasselbe Prinzip kann auch bei den viel diskutierten 48-V-Systemen in Hybrid-Fahrzeugen angewendet werden. Aber gilt das nur für Fahrzeuge im klassischen Sinn? Nein. Immer wieder werden neue Anwendungen angedacht und auf diese Einsparpotenziale hin untersucht. Bei vielen dieser Anwendungen kommt immer wieder derselbe Grundgedanke zur Anwendung. Wenn ich die Energie schon aufwendig erzeugt habe, warum nicht so oft wie irgendwie möglich wiederverwenden.

Die Autoren

Michael Liedtke

ist seit August 2017 als Sr. Vice President Business Development bei Skeleton Technologies tätig. Er sammelte bei Maxwell Technologies mehr als zwölf Jahre Berufserfahrung in der Entwicklung von Ultrakondensatoren, bevor er zu seinem aktuellen Arbeitgeber wechselte.

michael.liedtke@skeletontech.com