Hochvoltsysteme Teil 1: Batterie

Grundsätzlich kennzeichnet ein Hybridfahrzeug das Vorhandensein zweier unterschiedlicher für den Fahrzeugantrieb eingesetzter Energiewandler, was beim sogenannten Mikrohybrid nicht der Fall ist.

Während Mikrohybride mit der herkömmlichen Spannung von 12 Volt arbeiten, werden in Mildhybriden meist 48 Volt eingesetzt. Bei Voll Hybridfahrzeugen und natürlich E-Fahrzeugen (BEV) dagegen geht es ans Eingemachte, hier kommen Hochvoltkomponenten zum Einsatz.
Als „Hochvolt“ (nicht zu verwechseln mit der Hochspannung, die Spannungen ab 1000 Volt AC bzw. 1500 Volt DC meint) im Automobilbereich gelten Spannungen, die mehr als 25 Volt (Wechselspannung AC) bzw. 60 Volt (Gleichspannung DC) betragen, wobei in Elektro- und Hybridautos mehrere hundert Volt Standard sind.

Lithium-Ionen-Akkumulator
Die wichtigsten Komponenten des Elektroantriebs sind der Elektromotor, die Leistungselektronik und die Batterie. Letztere hat maßgeblichen Einfluss auf das Gewicht, die Größe und den Preis eines Elektroautomodells und ist in der Regel ein Lithium-Ionen-Akkumulator. Die Akkus werden im Auto nicht „zu Ende gebraucht“ und können nach ihrem Einsatz im E-Fahrzeug etwa als stationäre Energiespeicher weiterverwendet werden. Denn sobald sie weniger als 80 Prozent Energie- und Leistungsdichte aufweisen als im Neuzustand (was erst nach einer Fahrzeuglaufleistung von mindestens 150.000 Kilometern eintreffen sollte), gelten die Akkus für den Einsatz im Auto als verschlissen.
Lithium-Ionen-Akkus unterscheiden sich in ihrer Funktion von den bekannten Bleiakkumulatoren: Während in Blei-Säure-Batterien die Plus- und die Minus-Elektroden (bzw. -Platten) mit dem Elektrolyten reagieren, dient der Elektrolyt im Lithium-Ionen-Akku nur zum Transport der Lithium-Ionen – die in den porösen Gitterstrukturen der Elektroden eingelagert sind – von einer Elektrode zur anderen.

Batteriemodule & Subunits
Eine Hochvoltbatterie besteht aus meist mehreren Hundert Lithium-Ionen-Batterien. Diese Einzelzellen sind in unterschiedlichen Gehäusebauformen (zylindrisch mit aufgewickelten Elektrodenplatten; flach mit blattförmigen Elektroden; prismatisch) erhältlich und werden in baugleicher Ausführung auch beispielsweise in mobilen Elektronikgeräten verwendet. Die Einzelzellen weisen eine Nennspannung von 3,7 Volt auf. Damit der Akku auf Hochvolt kommt, werden die Zellen in Serie geschaltet – teilweise auch parallel, um eine höhere Kapazität zu erreichen. So entstehen aus Einzelzellen Batteriemodule, in denen zudem eine Überwachungselektronik die Zellspannungen und die Temperaturen erfasst und für eine Angleichung des Ladezustands der einzelnen Zellen sorgt. Diese Module werden wiederum zusammengeschaltet und zusammengebaut und bilden so sogenannte Subunits. Hier tritt nun die Kühlung auf den Plan, denn Hochvoltbatterien verfügen über ein internes, aktives Thermomanagement für die Zellen. Um dies zu bewerkstelligen, enthalten die Subunits flüssigkeitsdurchströmte Kühlplatten.

Trenneinrichtung
Was nun letzten Endes als Hochvoltbatterie bezeichnet wird, ist die Zusammenfassung mehrerer Subunits in einem Gehäuse. Dabei ist auch ein Batteriemanagement-Steuergerät integriert, das die Ladezustände der einzelnen Zellen und den Alterungszustand ermittelt.
Zusätzlich enthält die Hochvoltbatterie eine Trenneinrichtung – die BDU, Battery Disconnect Unit –, mit welcher der Akkumulator galvanisch vom Bordnetz getrennt werden kann. Die Möglichkeit dieser Trennung ist natürlich für ein sicheres Arbeiten an Hochvoltsystemen elementar und gehört auch zu den technischen Maßnahmen, die das Auto „HV-eigensicher“ machen.