Fahrzeugbatterien: Eine "wachsende" Herausforderung

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Angetrieben durch die Reichweitendiskussion verfolgen die Automobilhersteller aktuell die Entwicklung von Systemlösungen mit immer größeren Batterie­speichern. Um dennoch in begrenzter Zeit nachladen zu können, werden folgerichtig auch höhere Ladeleistungen benötigt. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE beleuchtet in diesem Fachbeitrag die Herausforderung durch immer größere Batterien.

Dieser Beitrag ist zuerst in eMobilJournal 02/2018 erschienen.

1. Ausgangslage

Bis heute wird die Elektromobilität in der brei­ten Öffentlichkeit mit geringen Reichweiten und langen Wartezeiten für die Nachladung verbunden. Die Automobilbranche reagiert auf diese Wahrnehmung mit immer größe­ren Batteriekapazitäten. Dies wird zum einen durch evolutionäre Entwicklungsschritte für die „klassischen“ Lithium-Ionen-Batteriezellen in Richtung höhere gravimetrische und volumetri­sche Energiedichten ermöglicht. Ferner werden durch Optimierungsmaßnahmen im Bereich der Batteriesystemtechnik höhere Kapazitäten auf Packebene in den Fahrzeugen umsetzbar.

Betrachtet man die Produkte neuester Ge­neration, so lässt sich bei reinen Elektrofahr­zeugen selbst im Kleinwagensegment ein Trend weg von typischen Batteriekapazitäten in der Größenordnung von ca. 20 kWh (z. B. der BMW i3 der Generation 2014 – 2016 mit 23 kWh) hin zu 60 kWh (z. B. Chevy Bolt mit 60 kWh) erkennen. Elektrofahrzeuge im Pre­miumsegment sind schon seit einiger Zeit mit sehr großen Batteriekapazitäten erhältlich, beispielsweise der Telsa Model S mit bis zu 100 kWh [1]. Währenddessen erreichen Batte­riekapazitäten in Plug-in-Hybriden bereits an­nähernd 20 kWh, der Kamera Revero ist be­reits mit 21,4 kWh ausgestattet [1].

Ein weiterer Ansatz die Reichweite zu ­erhöhen, besteht in der Möglichkeit durch ­optimierte ­Betriebsführungsstrategien, beispielsweise für das thermische Management, den für die Trak­tion nutzbaren Anteil der in den Batterien ge­speicherten elektrischen Energie zu erhöhen. So werden größere Reichweiten ermöglicht, ohne dass zusätzliche Batteriekapazitäten ver­baut werden müssen, was letztlich auch Kosten für das Batteriepack spart. Mittelfristig eröffnen neue aktuell in der Entwicklung befindliche Batterietechnologien noch höhere in die Fahrzeuge integrierbare Speicherkapazitäten und damit ­verbunden noch größere Reichweiten. Insbesondere sili­ziumbasierte Anoden sowie die „All Solid State“-Batterien gelten derzeit als vielverspre­chende Ansätze.

Höhere in die Fahrzeuge integrierte Batterie­kapazitäten bringen allerdings auch Herausfor­derungen mit sich, beispielsweise im Handling großer Ladeleistungen im Falle einer Schnell­ladung. Ein sich abzeichnender Trend ist dabei der Übergang zu höheren Spannungsebenen im Fahrzeug, um bei gleicher Leistung die Strö­me und die Kabelquerschnitte zu reduzieren.

Ein zweites vielfach diskutiertes Thema sind die Nachladezeiten der Elektroautos. Um auch Fahrzeuge mit größeren Batterien in begrenzter Zeit nachladen zu können, müssen folgerichtig immer größere Ladeleistungen ­bereitgestellt werden, die netzseitig zu Problemen führen können sowie entsprechend intelligente Lade­systeme mit Energiemanagementfunktionen und gegebenenfalls stationärem Pufferspeicher erforderlich machen. Eine Alternative zu immer größeren Batterie­kapazitäten stellen induktive Ladekonzepte dar, die es ermöglichen, „leicht“ an verschie­denen verteilten Ladepunkten und -bereichen „gefahrene Kilometer nachzuladen“.

2. Entwicklungen auf Zellebene

Unter Lithium-Ionen-Batterien wird eine ganze Familie an verschiedenen Technologien verstan­den, die immer noch große Optimierungspoten­ziale für das breite Feld an unterschiedlichen Anwendungen – stationär wie mobil – besitzen. Um beispielsweise die Energiedichte signifikant zu steigern, werden aktuell Anodenmaterialien mit deutlich höheren spezifischen Kapazitäten als das gängige Graphit erforscht [2]. Auf der Gegenseite werden Kathodenmaterialien, die als sogenannte Hochvoltmaterialien / 5 V Ma­terialien ein höheres Potenzial gegenüber der Referenzelektrode aus metallischem Lithium aufweisen, untersucht [2]. In Bild 1 sind die gän­gigen sowie die in der Entwicklung befindli­chen Materialien hinsichtlich ihrer spezifischen Kapazität sowie ihrem Potenzial gegenüber metallischem Lithium dargestellt.

1 Anoden Kathodenmaterialien

Bild 1: Etablierte und neue Anoden- sowie Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien [2].

Seitens der in der Erforschung befindlichen Hochvolt-Kathodenmaterialien stellen sich un­ter anderem große Herausforderungen an die Oxidationsstabilität des Elektrolyten. Auf der Anodenseite wird unter anderem Silizium als eine interessante Alternative zur Steigerung der Energiedichte betrachtet, jedoch müssen für dieses Material Lösungen für die Problematik der Volumenausdehnung während des Ladevor­ganges gefunden werden. Ein vielversprechen­der Ansatz auf Basis von passivierten Silizium­materialien wird aktuell am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE (Fraunhofer ISE) verfolgt [3]. Bild 2 zeigt bereits sehr stabile Entladekapazitäten für Halbzellen ohne signifi­kante Degradation bis über 1.200 Zyklen.

2 Langzeittest an Halbzellen

Bild 2: Langzeittest an Halbzellen mit passivierten Siliziumanoden [3].

3. Herausforderungen im Fahrzeug

Insbesondere in Fahrzeuganwendungen hat ein optimiertes thermisches Management für die Lithium-Ionen-Batteriespeicher eine besonders große Bedeutung. Dieses beinhaltet sowohl ein für die zu berücksichtigenden Anwendungs­fälle optimiertes Design des Kühlsystems und der Vorheizeinrichtung als auch eine optimierte Betriebsführung, um die peripheren Verluste bedingt durch die aktiven Komponenten wie beispielsweise Pumpen zu reduzieren. Bei der Auslegung des thermischen Managements ist insbesondere das Verhalten der gealterten Zel­len zu berücksichtigen. Dabei ist zu beachten, dass sich gealterte Zellen in dreifacher Weise ne­gativ auf die verfügbare Reichweite des Elektro­fahrzeugs auswirken, wie in Bild 3 dargestellt.

3 Alterung Batteriezellen

Bild 3: Einfluss der Alterung von Batteriezellen auf die Reduktion der Reichweite von Elektrofahrzeugen.

Für die Auslegung des thermischen Manage­ments – Auslegung des Kühlsystems, der Vor­heizung und der Betriebsführung – müssen die ausgewählten Batteriezellen sowohl elektrisch als auch thermisch charakterisiert werden. Da­bei ist zu berücksichtigen, dass die Wärmeent­wicklung abhängig vom Ladezustand sehr stark variiert. Darüber hinaus unterscheidet sich diese für den Lade- und Entladefall stark, bedingt durch die Zusammensetzung aus irreversiblen und reversiblen Anteilen [4]:

dQ/dt = I2 ∙ Rtotal + I ∙ T ∙ dUOCV/dT

In Bild 4 ist die Wärmeentwicklung exempla­risch für eine 20 Ah Pouch-Bag-Batteriezelle mit Graphit-Anode und Lithium-Eisenphosphat-­Kathode dargestellt. Aufgrund des Innenwiderstandsanstiegs bei gealterten Batteriezellen wird die Wärmeent­wicklung über die Zeit zunehmen, sodass bei der Entwicklung des thermischen Manage­ments das Verhalten der gealterten Zellen heran­gezogen werden muss, um auch gegen Ende der Lebenszeit einen sicheren und zuver­lässigen Betrieb zu gewährleisten.

4 Waermeabgabe Batteriezelle

Bild 4: Wärmeabgabe einer neuwertigen 20 Ah Pouch-Bag Batteriezelle mit Graphit-Anode und Lithium-Eisenphosphat-Kathode für den Ladebetrieb (links) und Entladebetrieb (rechts) in Abhängigkeit des Ladezustandes bei verschiedenen Betriebstemperaturen [5].

Insbesondere bei großen Fahrzeugbatterien kann nicht mit vertretbarem Aufwand eine völ­lig homogene Temperaturverteilung über die Batteriezellen und über das gesamte Batterie­system erreicht werden (siehe Bild 5). Müssen große Fahrzeugbatterien darüber hinaus in kürzester Zeit nachgeladen werden, potenzie­ren sich dabei die Herausforderungen an das thermische Management und es ist mit sehr großen Temperaturdifferenzen im Batteriesys­tem zu rechnen. Diese Effekte haben zur Fol­ge, dass die Batteriezellen in der Anwendung unterschiedlich schnell altern. Grund hierfür sind einerseits die unterschiedlichen absoluten Temperaturen der einzelnen Zellen, anderer­seits führen aber auch Temperaturdifferenzen in einer Zelle zu mechanischen Spannungen, was sich ebenfalls negativ auf die Alterungs­geschwindigkeit der einzelnen Zellen auswirkt.

5 CFD Simulation Batteriemodul

Bild 5: CFD Simulation eines Batteriemoduls. Die Batteriezellen (ohne Ableiter dargestellt) sind zwischen Aluminiumblechen angeordnet. Die Batteriezellen sind in der Darstellung mit Nennstrom belastet und werden seitlich gekühlt.

Der Energieaufwand für den Betrieb des Kühl­systems eines Batteriepacks trägt zur Reduktion der Reichweite von reinen Elektrofahrzeugen bei. Dass diese peripheren Verluste durch eine optimierte Betriebsführung minimiert werden können, ohne dass die Lebensdauer der Batterie­zellen darunter leidet, wurde im Rahmen des von der EU geförderten Projektes JOSPEL (Grant ­Agreement n° 653851) am Fraunhofer ISE ­gezeigt (siehe Bild 6). Die simulationsgestützte Unter­suchung zeigt, dass für das projektspezifische Bat­teriesystem mit Peltier-Element-Kühlung durch die Optimierung des Betriebsmanagements alle entscheidenden Faktoren verbessert werden können. Die Reichweite kann im Jahresmittel um 5 % verbessert werden (bei kaltem Wetter weit­aus mehr – bei gemäßigter Temperatur unverän­dert). Die Alterung und der Energieaufwand für die Temperierung der Fahrzeugbatterie während der Fahrt können deutlich reduziert werden. Zu­dem entstehen durch die betrachteten Betriebs­führungsstrategien keine Mehrkosten in Form eines höheren Stromverbrauchs, da zwar bei der Vorkonditionierung Strom aus dem Netz ent­nommen wird, dieser aber wiederum in Form eines höheren Batteriewirkungsgrades sowie geringerem anschließenden Temperierungsauf­wand eingespart wird.

6 Betriebsführungsstrategien

Bild 6: Untersuchung verschiedener Betriebsführungsstrategien (z. B. Vorkonditionierung und Variation der Temperatur-Sollwerte) gegenüber dem Referenzfall. Betrachtet werden die Reichweite bei Vollladung, die Betriebskosten (Stromkosten), die Alterung der Batteriezellen sowie der periphere Stromverbrauch für die Heizung (Vorkonditionierung) und Kühlung des Batteriepacks.

Um große Ladeleistungen in großen Bat­teriepacks von Elektrofahrzeugen elektrisch überhaupt mit vertretbarem Aufwand zu ­managen (z. B. bezüglich der erforderlichen Kabelquerschnitte und des Kühlaufwandes), wird zunehmend im Elektrofahrzeug über Spannungslagen von 800 V (Nennspannung des Batteriepacks) anstelle der bisher üblichen 400 V nachgedacht und bereits für erste Fahr­zeugtypen auch umgesetzt (siehe Tabelle 1). ­Allerdings stellt die Verfügbarkeit von einzel­nen Komponenten, zugelassen im Fahrzeug für diese hohen Spannungslagen, noch ein ­Problem dar, das sich aber sicherlich mit zunehmender Nachfrage lösen lässt.

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