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Einsatz von Hochvoltbatterien in Elektroautos und Solaranlagen

Wie funktionieren Hochvoltbatterien? Wo liegen ihre Vorteile im Betrieb mit einer PV-Anlage?

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Funktionsprinzip von Hochvoltbatterien in Elektroautos

Lithium-Ionen Hochvolt-Batterie, Ladegerät und Fahrzeugsteckdose einer B-Klasse Electric Drive (W242) (Foto: Daimler AG)
Lithium-Ionen Hochvolt-Batterie, Ladegerät und Fahrzeugsteckdose einer B-Klasse Electric Drive (W242) (Foto: Daimler AG)

Die Hochvoltbatterie (HV-Batterie) ist neben dem Elektromotor eine der Schlüsselkomponente des Elektro- und Elektrohybridfahrzeugs. Die Technologie ist zwar heute schon alltagstauglich, jedoch kann die hohe Energiedichte auf engem Raum zu Kurzschlüssen und Bränden führen. Daher wird weiterhin an Materialien für die Hochvoltbatterie geforscht, die keine ungewollten chemischen Reaktionen auslösen. Zudem lohnt sich die weitere Forschung, da ohne Hochvoltbatterie die Herstellung eines Elektroautos ähnlich teuer wie die eines Diesel- oder Benzinfahrzeugs wäre. Denn der Preisaufschlag von einigen Tausend Euro kommt allein durch die Hochvoltbatterie zustande.

Heutige Hochvoltfahrzeuge besitzen in der Regel eine Drehstrommaschine, die als Motor und als Generator dienen. Im Generatorbetrieb erzeugt die Drehstrommaschine 3-Phasen-Wechselstrom (Drehstrom) wie konventionelle Generatoren bzw. Lichtmaschinen, jedoch mit deutlich höheren Spannungen. Im Motorbetrieb wird die Drehstrommaschine mit einer 3-Phasen-Wechselspannung gespeist und die Drehzahlen durch Variation der Frequenz der 3-Phasen-Wechselspannung gesteuert.

Hierbei kommen vorwiegend Metall-Hydrid-Batterien als auch teilweise Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz. In den Modulen der Hochvolt-Batterien werden dann einzelne Zellen mit einer Spannung von ein bis zwei Volt in Reihe geschaltet. In Summe ergibt sich so die benötigte Hochvoltspannung.

Der Inverter wandelt dabei die 3-Phasen-Wechselspannung des Generators in eine Gleichspannung zum Laden der Batterie bzw. zum Antrieb des Elektromotors die Gleichspannung der Batterie in eine 3-Phasen-Wechselspannung um. Im DC/DC-Wandler wird die Hochvoltspannung der Hochvoltbatterie zum Laden der "12 V-Batterie" entsprechend abgesenkt.

Einbindung von Hochvoltbatterien in Photovoltaik-Anlagen

Neuerdings werden die Vorteile einer Hochvoltbatterie auch mit einem entsprechend angepassten Solar-Wechselrichter erschlossen. Denn durch das hohe Spannungsniveau der Hochvoltbatterie kann diese direkt an einen Zwischenkreis des Wechselrichters angeschlossen werden, sodass man mit dem sehr weiten Eingangsspannungsbereich von 150 bis 1.000 Volt und entsprechenden Maximum-Power-Trackern nahezu alle Kombination von Reihenschaltungen und Ausrichtungen von Solarmodulen bedienen kann.

Von der weitreichenden Freiheit bei der Verschaltung der Module in unterschiedliche Strings könnten insbesondere Solaranlagen auf Ost-West ausgerichteten Dächern sowie auf tageszeitlich teilverschatteten Dächern profitieren. Da das Hochvolt-Speichersystem (> 350 V) direkt an einen Zwischenkreis des Einspeisewechselrichters angeschlossen wird, können besonders hohe Wirkungsgrade bei der Ladung und Entnahme aus der Batterie erzielt werden. Zudem können durch den direkten Anschluss der Batterie an den Einspeisewechselrichter Kosten für die Anschlusskomponenten in den heute angebotenen Photovoltaik-Batteriespeichersystemen eingespart werden.

Als einer der ersten Hersteller hat die SMA Solar Technology AG einen auf Hochvolt-Batterien abgestimmten Batterie-Wechselrichter für private Haushalte auf den Markt gebracht. Das AC-gekoppelte System "Sunny Boy Storage" ermöglicht eine einfache und flexible Einbindung eines Stromspeichers sowohl in bestehende als auch neue Photovoltaikanlagen, da das Hochvolt-Wechselrichtersystem von SMA parallel zur Photovoltaikanlage läuft und somit nicht in die Photovoltaikanlage eingegriffen werden muss.

Durch die AC-Kopplung des Hochvolt-Batteriespeichers und standardisierte Schnittstellen kann das System aufgrund geänderter Lebensumstände wie z. B. der Einbindung eines Elektromobils sowie eines veränderten Energieeigenbedarfs jederzeit, auch nach der Installation, an individuelle Bedürfnisse angepasst und erweitert werden. Die Speicherkosten pro kWh der Hochvoltbatterie sollen sich laut SMA auf dem Niveau der durchschnittlichen deutschen Haushaltsstrompreise bewegen.

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"Hochvoltbatterien in Elektroautos und Solaranlagen" wurde am 18.01.2016 verfasst und am 14.03.2016 das letzte Mal aktualisiert.