Engineering 20.05.2005, 18:38 Uhr

Winkel aus Kunststoff in der Batterie sichern den Stromfluss im Pkw  

Immer öfter stressen Batterieausfälle die Autofahrer. Ein Grund für diese Entwicklung ist die wachsende Batteriebelastung durch die steigende Anzahl von Stromverbrauchern. Doch damit ist der Weg zur überdimensionierten Batterie nicht unbedingt vorgezeichnet; zumindest, was das Problem der Säureschichtung betrifft. Kunststoffwinkel in den Batteriezellen wirken wie Steigrohre für den Elektrolyten, bringen ihn zum Strömen und können die leistungsmindernde Schichtbildung verhindern.

Erstmals registriert der ADAC in seiner Pannenstatistik einen „dramatischen“ Anstieg der Batterieausfälle auch bei neueren Fahrzeugen. Helmut Schmaler, Elektronikexperte beim ADAC und zuständig für die jährliche Statistik, nennt einen einleuchtenden Grund: „Der hohe Preisdruck auf die Batteriehersteller ließ die Qualität einbrechen. 7 % Abschlag auf die Lieferpreise hinterlassen Spuren.“

Vor allem die wachsende Elektrik und Elektronik in den Autos belastet die Batterien durch vermehrte Lade- und Entladezyklen stärker als bisher. Die unausweichliche Folge: Die Akkus sind schneller am Ende.

Kopfzerbrechen bereitet den Entwicklern ein komplexes Phänomen – es gehört zu den wichtigsten Ursachen für steigendes Batterieversagen: Säureschichtung in den Akkus, auch Stratifikation genannt. Säureschichtung bringt das stöchiometrische Verhältnis in der Batterie aus dem Gleichgewicht. Im oberen Drittel überwiegt das Wasser, im unteren Drittel Schwefelsäure. Das aber bedeutet: Aktive Ladungsfläche geht verloren, die Nennkapazität der Batterie bricht ein. Das Phänomen tritt besonders rasch und intensiv in Fahrzeugen auf, deren Batterien durch die modernen Bordnetze mit vielen elektrischen Verbrauchern besonders stark belastet werden. Auf diese Weise gibt es schon nach kurzer Zeit massive Leistungseinbrüche der Batterie bis hin zum völligen Versagen.

„Ähnlich wie hohe und tiefe Temperaturen einen leistungsmindernden Einfluss auf Batterien haben, gehört auch die Säureschichtung bzw. Stratifikation zur Achillesferse heutiger Blei/Säure-Akkus“, sagt Gerolf Richter, Chefentwickler bei VB-Autobatterie in Hannover – einem Jointventure von Bosch und Varta. Eine fabrikneue Batterie büßt nach seinen Worten bereits nach drei bis sechs Monaten allein nur durch von Stratifikation dauerhaft „über 40 % ihrer ursprünglichen Nennkapazität ein.“

Viel zu wenig würden die Zusammenhänge ins Bewusstsein der Automobilentwickler dringen, beklagt Richter. Wer als Entwicklungsingenieur für Bordnetze bisher glaubte, dass ein Akku über lange Zeit seine ursprüngliche Nennkapazität behalte, „der sitze einem Trugschluss auf und habe die komplizierten Prozesse, die in einer Batterie ablaufen, nicht verstanden.“ Richter bestätigt damit seinen Kollegen Günther Bauer. Der Entwicklungschef der Münchener Technologiefirma IQ Power, die sich auch mit Batterieforschung befasst, warnt vor den Auswirkungen der Säureschichtung und entwickelt Gegenstrategien.

Nicht genug, dass Säureschichtung die Kapazität der Batterie verschlechtert. In gleichem Maße nimmt auch immer weniger Blei als Ladungsträger aktiv am elektrochemischen Prozess teil. Weil nur noch 60 % vom Blei aktiv sind, muss dieser Rest nun die gesamte Zyklusarbeit leisten. Dabei werden immer tiefere Ladezyklen durchlaufen. „Für die Bleigitter eine höhere Stressbelastung. Das geht auf die Lebensdauer“, verdeutlicht Richter.

Batterien werden deshalb überdimensioniert. „Angstblei“, nennt die Branche die zusätzlichen Kilos treffend, welche Batterien doppelt so schwer machen. Immerhin, kaum ein Erlebnis wirkt auf Autofahrer negativer, als wenn der Startvorgang nicht funktioniert. Längst stecken in OberklasseFahrzeugen gewaltige Bleipakete. Mit ihrem Gewicht von über 30 kg stoßen die Akkus jedoch an vertretbare Grenzen. „Das Limit ist erreicht“, mahnt Rüdiger Wendt, DaimlerChrysler-Manager und Professor für Fahrzeugtechnik an der TU Wien.

Bereits heute entzieht das Bordnetz der Batterie teilweise mehr elektrische Energie als in sie zurückfließt. Die Industrie arbeitet deshalb an Batteriesteuerungen und Energiemanagement-Systemen. Die sollen den Hunger der Fahrzeuge zügeln und notfalls Stromfresser wie Sitzheizungen abschalten.

Schon warnt Rüdiger Wendt vor allzu komplizierten Lösungen und vor technologischem Overkill. So fordert er beim heiklen Thema Energiemanagement „weniger Komplexität“ sowie „mehr realistische Ansätze“. Zugleich kritisiert er das mangelnde Systemdenken in den Fachabteilungen vieler Unternehmen. „Wir müssen die Dinge wieder mehr vereinfachen statt sie immer komplizierter zu machen.“

Einen Ansatz, den auch Bauer verfolgt. „Die heutigen Probleme mit den Batterien lassen sich sehr viel einfacher entschärfen. Dabei gilt es die Ursachen zu bekämpfen und nicht die Symptome“, so der Entwicklungschef von IQ Power. Statt komplizierte Störeinflüsse in hochkomplexe mathematische Modelle zu packen, entwickelte Bauer pragmatische Lösungen, Störgrößen wie die Säureschichtung in der Batterie von vornherein auszuschalten und auch den Einfluss schädlicher Temperaturen auf die Elektrochemie zu dämpfen. „Wenn die Randbedingungen einfacher werden, wird auch das mathematische Batteriemodell sehr viel einfacher und die Diagnose zuverlässiger“, hält Bauer entgegen.

So nutzen die Entwickler von IQ Power beispielsweise die Bewegungsenergie des Fahrzeugs, um in Batterien den Elektrolyt effektiv zu durchmischen. Winkel aus Kunststoff in jeder Batteriekammer bilden dabei enge vertikale Überströmkanäle. In ihnen wird die Säure vom Boden der Batterie nach oben gepresst und tritt dort über einen Ablauf aus. „Ein simpeler hydrodynamischer Vorgang“, befindet Bauer. Und gleichzeitig eine „wirkungsvolle Lösung mit einem deutlichen Effekt auf die Lebensdauer und den Erhalt der Leistungsfähigkeit von Autobatterien.“ BERND ROSE/KIP

Von Bernd Rose/Dietmar Kippels
Von Bernd Rose/Dietmar Kippels

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