Fahrzeugbatterien: Eine "wachsende" Herausforderung

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.


4. Herausforderungen in Bezug auf die Netzintegration

Größere Fahrzeugbatterien bringen nicht nur im Fahrzeug selbst Herausforderungen mit sich, sondern auch in Bezug auf die Netzinte­gration. Genauer gesagt auf die benötigten ­Ladeleistungen, wenn diese großen Fahrzeug­batterien in kurzer und mittlerweile in kürzes­ter Zeit nachgeladen werden sollen. Tabelle 1 gibt einen Überblick zu den aktuellen und zu­künftigen Ladeleistungen:

Tabelle 1

Studien zeigen, dass ein Großteil der aktuell genutzten Elektrofahrzeuge zu Hause geladen werden [7]. Betrachtet man die typischen Fahrpro­file – 80 % der Fahrzeuge in Deutschland legen im Alltag weniger als 50 km an einem Tag zurück [8] – so erscheint es völlig ausreichend, dass nur die gefahrenen Kilometer zu Hause nachgeladen werden müssen, in der Regel also über die Nacht verteilt einige Kilowattstunden. Mit einem höhe­ren Durchdringungsgrad an Elektrofahrzeugen wird sich dies jedoch ändern. Es müssen zum einen Lademöglichkeiten auch in Mehrfamilienhäusern geschaffen werden, dies bedeutet genügend An­schlusspunkte in den Tiefgaragen. Um leistungs­seitig nicht an Grenzen zu stoßen, ist hierfür ein intelligentes Lademanagement – integriert in das Gebäude-Energiemanagement – sowie gegebe­nenfalls ein stationärer Pufferspeicher notwendig.

Mit der weiteren Durchdringung an Elektro­fahrzeugen werden jedoch auch Schnelllade­möglichkeiten – beispielsweise an Autobahn­raststätten, wie sie schon seit einiger Zeit von Tesla betrieben werden – notwendig. Solche ­Ladepunkte sind ferner auch im Bundes- und Landesstraßennetz sowie auch in ­Stadtquartieren denkbar, um schnelles Nachladen von großen Fahrzeugbatterien zu ermöglichen. Denkbar sind hierbei Schnellladestationen mit Anbindung an Quartiersspeicher. Damit sind stationäre Bat­terien gemeint, die für lokale Energiemanage­mentaufgaben beispielsweise in Stadtquartieren aufgebaut werden, sobald die regulatorischen Rahmenbedingungen dies erlauben.

Die Nachladung an solchen Ladepunkten wird allerdings nur eine hohe Akzeptanz erfahren, wenn die Ladezeiten entsprechend kurz sind. Mit dem Anstieg der Batteriekapazitäten der Elektro­fahrzeuge werden damit auch höhere Ladeleis­tungen erforderlich. So plant beispielsweise die Firma Porsche Schnellladestationen mit 350 kW (siehe Tabelle 1). Typische Verteilnetz-Transforma­toren besitzen allerdings meist nur eine Leistung von 630 kVA. Ohne entsprechende Investitionen in die Netzinfrastruktur wird eine entsprechende Versorgung mit derartigen Ladestationen folglich nicht möglich sein. Eine zentrale Fragestellung ist hierbei die Abwägung zwischen „mehr Kupfer“ versus „Elektrochemie in Kombination mit intelli­gentem Energiemanagement“.

5. Induktive Ladekonzepte

Können auf einfache Art und Weise an verschie­denen Stellen „gefahrene Kilometer nachgeladen“ werden – auch Opportunity charging genannt – so können unter gewissen Voraus­setzungen Über­dimensionierungen von Batteriekapazitäten ver­mieden werden. Das induktive ­Laden ermöglicht solche Konzepte, da ohne Kabel und Stecker – also ohne manuelle Eingriffe – ein Aufladen auch für kurze Zeiträume umsetzbar ist.

Generell wird in drei Klassen von induktiven Ladesystemen unterschieden [9]:

1.Stationäres induktives Laden: Das Elektro­fahrzeug steht während des Ladevorgangs, beispielsweise auf öffentlichen Parkplätzen (Supermarkt, Bahnhof, Kino, etc.)

2.Semi-dynamisches Laden: Die Batterie des Elektrofahrzeugs wird an bestimmten Punkten beziehungsweise Bereichen aufgeladen, bei­spielsweise vor stark frequentierten Ampeln.

3.Dynamisches Laden: Die Batterie des Elektro­fahrzeugs wird während der Fahrt nachge­laden, beispielsweise an stark ­frequentierten Innenstadtringen oder an ­ausgewählten stark frequentierten Straßen­abschnitten ­außerhalb der Städte.

Gibt es also an verschiedenen Punkten eines typi­schen Fahrbetriebes immer wieder die Möglich­keit, leicht gefahrene Kilometer nachzuladen, so können die erforderliche Reichweite und damit die Batteriekapazität reduziert werden – so die These! Denn für den Großteil der Fahrten reicht eine kleinere Batteriekapazität völlig aus, eine zu große Batterie bedeutet also die unnötige Bewe­gung von viel Masse, was sich letztlich für diese Fahrten negativ auf die Effizienz auswirkt.

6. Fazit

Fortschritte in den Lithium-Ionen-Batterietechno­logien, sowohl auf Zell- wie auch auf Systemebene, ermöglichen immer größere Batteriekapazitäten in den Elektrofahrzeugen, verbunden mit immer größeren Reichweiten. So wird beispielsweise die untere Fahrzeugklasse, bisher mit Batterien um die 20 kWh erhältlich, mittlerweile mit Batterien um die 60 kWh ausgestattet. Im Premiumsegment hingegen geht der Trend bis zu 120 kWh. Sollen diese großen Batteriesysteme dennoch in über­schaubarer Zeit wieder vollgeladen werden, sind auch größere Ladeleistungen erforderlich.

Grö­ßere Batteriesysteme und Schnellladestationen mit Leistungen bis zu 350 kW, wie sie sich aktuell in der Entwicklung befinden, bringen aber auch große Herausforderungen mit sich, sowohl im Fahrzeug als auch im Stromnetz. Die zugehörigen Aufgaben sind zwar lösbar, es stellt sich aber die Frage, ob der entsprechende Aufwand und die damit verbundenen hohen Investitionen sowie der Ressourcenverbrauch überhaupt gerechtfer­tigt sind, beziehungsweise ob durch Alternativen wie beispielsweise intelligente induktive Lade­systeme zu große Batteriekapazitäten vermieden werden können – zumindest für einen Großteil der Fahrzeugnutzer.

Literatur

[1] SMUD_Charge-Times-Chart-20170706_FINAL-LOW-RES.pdf.

[2] Vetter, M. et al.: Batterien – Von der Zelle zum System und zur Systemintegration. Beiträge zur FVEE-Jahrestagung Forschung für die Energiewende – Die Gestaltung des Energiesystems, Berlin, 2016.

[3] Gentischer, H., et al.: Passivierte Silizium­materialien für Lithium-Ionen-Batteriezellen. Batterieforum Deutschland, Berlin 2017.

[4] Bernardi, D. et al.: A General Energy Balance for Battery Systems. Meeting of the Society, vol. 132, 1985.

[5] Millet, L.: Isothermal calorimeter heat measurements of a 20Ah lithium iron phosphate battery cell. Twelfth International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER), Monte Carlo, 2017. https://ieeexplore.ieee.org/document/7935957

[6] März, M.: Energieumstieg und Elektromobilität – Systeme im Umbruch. Workshop ­Ladelösungen mit Zukunft – Mobilität trifft auf Energie­wirtschaft, Bayern Innovativ, Nürnberg, 2017.

[7] Sole, B: Smart Charging with Energy ­Management Systems – Market place based energy management for PEV grid integration. Kongress Forum Elektromobilität, Berlin, 2017.

[8] Öko-Institut e.V.: Autos unter Strom, Ergebnis­broschüre erstellt im Rahmen des Projekts OPTUM „Umweltentlastungspotentiale von Elektrofahr­zeugen-Integrierte Betrachtung von Fahrzeug­nutzung und Energiewirtschaft“, Berlin, 2011.

[9] Nindl, T.: The future of mobility is connected, wire­less and electric. ees Conference Munich, 2017.

  • Matthias Vetter Fraunhofer

    Autor

    Dr.-Ing. Matthias Vetter

    Abteilungsleiter „Elektrische Energiespeicher“ und Kontaktperson für Batteriesysteme in der ­Fraunhofer Batterie-Allianz; Dozent an der Universität Freiburg zu den Themen „Energiespeicher“ und „Elektromobilität“

     

  • Stephan Lux Fraunhofer

    Autor

    Dipl.-Ing. (FH) Stephan Lux

    Leiter der Gruppe „Batterietechnik“ am Fraunhofer ISE

  • Maximilian Bruch Fraunhofer

    Autor

    M.Sc. Maximilian Bruch

    Projektmanager am Fraunhofer ISE, aktuell verantwortlich für die Entwicklung eines EV‑Batteriesystems im Projekt JOSPEL

     

     

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