Akkus in Elektroautos
Batteriebetriebene Elektroautos habe einen großen Akku, der meistens als flache Baugruppe im Unterboden unter den Sitzen verstaut ist (Skateboard-Bauweise). Gerade bei Fahrzeugen, die als Verbrenner konzipiert wurden, befindet sich in der elektrischen Variante der Akku auch mal im ehemaligen Motorraum. Die sogenannten Hochvolt-Akkus bestehen aus tausenden einzelnen Zellen (Lithium-Ionen zu je max. 4.2 Volt), die elektrisch so verschaltet wurden, dass der Akku eine elektrische Spannung von 400 bis 800 Volt erreicht (jeweils 96 bzw. 192 Zellen in Reihenschaltung).
Diese Spannung ist ideal für die Versorgung des Antriebstrangs und der elektrischen Heizung bzw. der Wärmepumpe. Aber für den Betrieb von den vielen kleinen elektrischen Geräten wie der Lüftung, dem Radio, dem Bordcomputer, der Beleuchtung usw. ist die Spannung viel zu hoch. Während beim Verbrenner eine Lichtmaschine aus der Motordrehung eine 12 Volt Spannung erzeugt, hat das Elektroauto dazu einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler). Diese Leistungselektronik wandelt die 400 Volt des großen Akkus in eine konstante 12 Volt Spannung um und versorgt damit die vielen kleinen elektronischen Geräte. Da einige dieser Geräte für Sicherheitsfunktionen zuständig sind (Notruf, Handbremse, ABS, Airbags, …), schreibt der Gesetzgeber vor, dass deren Energieversorgung vorrübergehend unabhängig von der Hauptenergiequelle des Fahrzeugs sein muss. Und jetzt kommt sie auch beim Elektroauto wieder ins Spiel: Die 12 Volt Batterie! Sie arbeitet also wie ein Energiepuffer und ist auch im E-Fahrzeug dafür zuständig, dass alle 12 Volt-basierten Geräte zuverlässig mit Spannung versorgt werden und dabei unabhängig vom Zustand des Hochvolt-Akkus sind.
Wie wird die 12 Volt Batterie geladen?
Die Lichtmaschine des Verbrenners lädt bei laufendem Motor die 12 Volt Batterie nach. Die Spannung der 6 Zellen einer Blei-Säure-Batterie steigt dabei je nach Ladezustand auf jeweils über 2 Volt. Wenn das Fahrzeug länger steht, wird die Batterie durch die schleichende Entladung schwächer. Fällt die Spannung der Zellen dauerhaft unter 1,75 Volt, führt das irgendwann zum Defekt der Batterie. Kälte beschleunigt diesen Vorgang – der Grund für das Massensterben von Autobatterien zu Beginn der kalten Jahreszeit.
Beim Elektroauto übernimmt der Gleichspannungswandler die Funktion der Lichtmaschine. Je nach Fahrzeugtyp lädt dieser während der Fahrt (z.B. Opel Ampera) oder auch zusätzlich beim stehenden Wagen, so z.B. bei den Tesla Modellen. Das erklärt auch teilweise deren berüchtigten Vampirverlust: Der Verlust an Batterieladung von bis zu 3 % pro Tag, während das Fahrzeug steht. Die Ingenieure von Tesla haben entschieden, die 12 Volt Batterie auch im Stand nachzuladen, weil im Fahrzeug einige 12 Volt Systeme permanent arbeiten sollen, auch beim abgestellten Auto. Das ist zum Beispiel das Computersystem, welches die Kommunikation des Fahrzeugs mit den Servern bei Tesla und der App des Fahrers sicherstellt. Aber es betrifft auch Sicherheitsfunktionen wie die Alarmanlage oder den Wächtermodus, bei dem die Außenkameras das Umfeld des parkenden Fahrzeugs überwachen und verdächtige Szenen aufzeichnen. Übrigens macht der Tesla beim Einschalten des DC/DC-Wandlers ein klackendes Geräusch, wenn die entsprechende Trennvorrichtung die Verbindung vom Hochvoltakku zum DC/DC-Wandler herstellt. Wenn das in sehr kurzen Abständen geschieht (mehrmals pro Stunde), kann das ein Hinweis darauf sein, dass die 12 Volt Batterie entweder intensiv belastet wird oder dass ihre Kapazität alterungsbedingt abgenommen hat.
In jedem Fall ist auch das Elektroauto bei leerer oder defekter 12 Volt Batterie nicht mehr in der Lage zu starten oder zu fahren, weil sämtliche Steuergeräte, Bedienelemente und die Aktoren zur Unterstützung beim Bremsen und Lenken nicht mehr funktionstüchtig sind. Das gilt auch, wenn der Hochvoltakku selbst noch ausreichend geladen ist. Und weil auch die meisten Elektroautos handelsübliche Blei-Säure-Batterien als 12 Volt Pufferbatterie verwenden, leiden sie wie ihre Verbrennerkollegen unter den Schwächen dieser kostengünstigen Technologie, die je nach Nutzung nach einigen Jahren ausgetauscht werden muss. Die Nummer eins der Ausfallgründe in der ADAC Pannenstatistik scheint gesichert über die nächsten Jahre bzw. über den Generationswechsel bei der Antriebstechnologie hinaus.
Und wenn die 12 Volt Batterie defekt ist?
Ein Defekt der 12 Volt Batterie kündigt sich in der Regel durch einen Kapazitätsverlust und eine sinkende Maximalspannung auf unter 10 bis 11 Volt an. Bei Tesla zeigt die Fahrzeugsteuerung rechtzeitig eine Fehlermeldung an mit dem Hinweis auf eine defekte 12 Volt Batterie. Dabei hat man noch ein paar Tage Zeit zum Austauschen und kann z.B. die Wochenendreise noch beenden. Beim Austausch geht man auf Nummer sicher, wenn man sich an den Hersteller des Fahrzeugs oder eine Vertragswerkstatt wendet. Das Bauteil lässt sich auch gut selbst wechseln, vorausgesetzt man hat entsprechende Erfahrungen mit der Fahrzeugtechnik, handwerkliches Geschick und passendes Werkzeug. Nachdem man z.B. beim Tesla die Kunststoffverkleidungen unter der Fronhaube entfernt hat, kann man die Batterie schon gut sehen. Die Batteriepole haben unterschiedliche Größen, um ein Vertauschen auszuschließen. Wichtig ist, dass die neue Batterie in Bezug auf Bauform und Kapazität für das jeweilige Fahrzeug geeignet ist.
Das Berühren der Batteriepole mit den Händen ist nicht gefährlich, aber einen versehentlichen Kurzschluss z.B. durch ein Werkzeug sollte man unbedingt verhindern. Da die 12 Volt Batterie durch den DC/DC-Wandler und die davor geschalteten Trennvorrichtungen vom Hochvolt-System des Autos getrennt ist, ist Kontakt mit der Hochspannung an dieser Stelle nicht möglich.
Kann man mit dem Elektroauto einem Verbrenner Starthilfe geben?
Wenn die 12 Volt Batterie mal versehentlich leer geworden ist und die Kapazität nicht mehr ausreicht, um den Verbrennungsmotor zu starten, dann ist es üblich, dem müden Aggregat vorübergehend etwas Power von außen zu geben, indem man ein zweites Fahrzeug mit einem Überbrückungskabel anschließt. Diese sogenannte Starthilfe sollte doch eigentlich auch mit einem Elektroauto als Spender möglich sein, oder?
Im Prinzip ist die 12 Volt Batterie eines Elektrofahrzeugs vergleichbar mit der eines Verbrenners. Dennoch gibt es einige Gründe, die gegen ein Elektroauto als Spender für eine Starthilfe sprechen. Die 12 Volt Batterien im E-Mobil haben zunächst oft eine geringere Kapazität und vor allem eine geringere maximale Leistung. Schließlich muss die Batterie im Verbrenner zum Zeitpunkt des Anlassens einen sehr hohen Strom in sehr kurzer Zeit bereitstellen. E-Auto haben diesen Bedarf nicht und deshalb wird bei der Dimensionierung der Batterie oft gespart. Im Augenblick der Starthilfe könnte sie überlastet werden und dadurch schneller altern oder sogar zerstört werden. Zusätzlich wird die 12 Volt Batterie im Elektroauto ständig vom DC/DC-Wandler überwacht. Wenn dieser während der Starthilfe den Abfall der Spannung und des Ladestands bemerkt, könnte er in diesem Moment einen Nachladevorgang beginnen. Dann würde die zur Starthilfe benötigte Energie nicht nur aus der 12 Volt Batterie bezogen werden, sondern teilweise auch aus dem Wandler, der dafür aber nicht ausgelegt ist (Ladeleistung max. 2,4 kW bei Tesla). Er kann dadurch überlastet und ggf. zerstört werden.
Auch wenn es in den Medien viele Berichte gibt von erfolgreichen Starthilfeversuchen durch ein Elektroauto als Spender, so bleibt dennoch dringend davon abzuraten, um eine schnelle Alterung oder sogar Zerstörung von Bauteilen zu verhindern. Im Zweifelsfall sollte man sich beim Hersteller des Fahrzeugs erkundigen oder in der Bedienungsanleitung nachschlagen.
Gibt es die 12 Volt Batterie auch mit Lithium-Ionen Technik?
Zuletzt stellt sich noch die Frage, warum man bei der 12 Volt Versorgung eigentlich immer noch auf die klassische Blei-Säure Batterie setzt, wo doch Lithium-Ionen-Akkus deutlich langlebiger zu sein scheinen. Der Grund liegt bei den meisten Elektroautos wohl darin, dass sie schlichtweg kostengünstiger sind und bei normaler Verwendung dennoch mehrere Jahre halten. Trotzdem produzieren inzwischen Batteriehersteller neue 12 Volt Austauschbatterien auf Basis der Lithium-Ionen Technologie, die in Form und Funktion dem Bleiakku gleichen und ihn ersetzen können. Es ist aber zu bedenken, dass der DC/DC-Wandler im Fahrzeug trotzdem so konfiguriert ist, dass er mit einer Blei-Säure Batterie arbeitet. Das gilt insbesondere für die spezifische Ladekurve und den maximalem Ladestand. Deshalb haben Austauschbatterien auf Basis von Lithium-Ionen eine zusätzliche ins Gehäuse integrierte Ladeelektronik, welche dem Wandler das Verhalten eines klassischen Bleiakkus vorgaukelt und für die Lithium-Ionen Zellen adaptiert. Nur sollte Akkus sollten als Ersatz für einen Bleiakku verwendet werden.
Unabhängig davon haben erste Autobauer wie z.B. Tesla angekündigt, dass sie zukünftige Generationen ihrer Fahrzeuge von Werk ab mit Lithium-Ionen-Akkus ausstatten. Diese haben in der Regel eine 16 Volt Spannung. Das ist für die Verbraucher im Auto kein Problem, weil das alte 12 Volt Bordnetz im Moment des Aufladens ebenfalls schon mit 14,5 bis 15 Volt betrieben wurde. Für Fahrzeuge zugelassene Geräte sind auf diese Spannungsschwankungen bestens vorbereitet.
Fazit
Glücklicher Weise sind die meisten Fahrzeuge so konstruiert, dass man sich als Fahrer keine Sorgen machen muss über die Stromversorgung im Allgemeinen oder über das 12 Volt Netz im Speziellen. Auch wenn die Technik in batterieelektrischen Fahrzeugen auf Interessierte eine besondere Faszination ausübt, so darf sich der normale Autofahrer auf eine im Vergleich zum Verbrenner nie dagewesene Entspannung und Unbekümmertheit beim Fahren einstellen. Anstatt sich über die Details ständig Gedanken machen zu müssen, darf man jeden Kilometer mit seinem Stromer einfach genießen.
Das T&Emagazin
Der Artikel ist erschienen in der Ausgabe 13 (Januar 2022) des T&Emagazins.
(Online Lesen)
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