6. Mai 2020
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Performance
FEV Batterie-Benchmarking
FEV Batterie-Benchmarking
Benchmarking bietet einzigartige Möglichkeiten für detaillierte Einblicke in neu erschienene Technologien. Leistungsdaten, Konstruktionsdetails, verwendete Materialien, angewendete Fertigungsverfahren und Systemfunktionen können über eine detaillierte Benchmarkstudie analysiert werden. Fahrzeug- und Systemtests liefern entscheidende Messdaten, welche Aufschluss über die Performance neuer Produkte geben. Die Zerlegung gesamter Fahrzeuge oder einzelner technischer Systeme zeigen die Produktstruktur und lassen erforderliche Montageprozesse erkennen.
Möchten Sie immer einen Schritt voraus sein? Die Erkenntnisse aus spezifischen Benchmark-Programmen helfen, den entscheidenden Schritt voraus zu sein, um in interdisziplinären Expertenworkshops neue Design- und Produktideen zu generieren. Eine neutrale Bewertung der eigenen Entwicklungen durch einen Partner wie FEV liefert den wichtigen Blick von außen.
Neben der Ausprägung technischer Produkteigenschaften, ist die Optimierung der Kostenstruktur entscheidend, um Wettbewerbsvorteile zu entwickeln. Auf Basis einer detaillierten Analyse der zerlegten Komponenten wird eine sogenannte Should-Cost-Berechnung durchgeführt. Die Should-Cost-Analyse zeigt, was das entsprechende Produkt im aktuellen Design und unter getroffenen Annahmen kosten darf. Die Ergebnisse der Kostenanalyse liefern Erkenntnisse über Wettbewerbskosten und bilden die Grundlage zur Definition von Zielkosten. Im Rahmen von strukturierten Wertanalyse- und Kostensenkungsworkshops werden interessante Kostensenkungsmaßnahmen ermittelt, die genutzt werden, um die eigenen Produkte zu verbessern.
Die Hochvoltbatterie stellt bei elektrischen Fahrzeugen einen wesentlichen Kostenblock dar. Demnach liegt ein Hauptaugenmerk bei der Kostenoptimierung von elektrischen Fahrzeugen auf der Optimierung der Batterie. Ein Benchmarking von neu in den Markt eingeführten Batteriesystemen ist ein wichtiger Bestandteil der strategischen Entwicklung zukünftiger Batteriesysteme. Neben den Batteriekosten liefert ein technisches Benchmarking entscheidende Erkenntnisse über verschiedene Performance- Aspekte. Ein Vorsprung in Energiedichte und damit Reichweite bildet ein deutliches Alleinstellungsmerkmal. Informationen zu Zellchemie, Batterie Management System und Thermomanagement sind wichtige Daten, die für die Weiterentwicklung eigener Systeme genutzt werden können.
Was benötigen Sie?
- Tiefere Einblicke in neueste Technologien?
- Konstruktion und Funktionen im Detail verstehen?
- Wichtige Messdaten zu Leistungsparametern?
- Die Kostenstruktur des Wettbewerbs verstehen?
Batterie ist nicht gleich Batterie
Im Automobilbereich existieren gravierende Unterschiede zwischen verschiedenen Batterieanwendungen. Generell lassen sich drei Batterietypen identifizieren (Abbildung 1).
Die Batterie in einem Mild Hybrid Electric Vehicle (MHEV) dient der Versorgung eines 48 V-Bordnetzes und bietet Leistungen bis zu 30 kW. Batterien eines Hybrid Electric Vehicle (HEV) bieten Leistungen von bis zu 200 kW und Batterien für Plug-in Hybrid Electric Vehicles (PHEV) darüber hinaus eine erhöhte elektrische Reichweite und die Möglichkeit des externen Aufladens. Für diesen Batterietyp spielen gleichzeitig Energie- und Leistungsdichte eine wichtige Rolle. Hingegen kommen bei rein elektrischen Antrieben Traktionsbatterien mit hoher Energiedichte zum Einsatz. Damit sind je nach Anwendungen unterschiedliche Zelltypen einzusetzen. Diese unterscheiden sich neben der elektrischen Charakteristik auch durch die Bauform und Zellchemie. Es gibt zylindrische, prismatische und sogenannte Pouchzellen sowie Zellchemien vom heute gängigen Nickel Mangan Cobalt Oxid (NMC) in verschiedenen Dotierungen, Lithium Titanat Oxid (LTO) oder auch Lithium-Iron-Phosphate (LFP). Jede Technologie bietet Vor- und Nachteile bezogen auf Leistungsdaten, Konstruktionsdetails, verwendete Materialien, angewendete Fertigungsverfahren, Gesamtkosten (TCO) und Lebensdauer.
Vergleicht man nun auf Systemebene die jeweilige gravimetrische oder volumetrische Energiedichte, so zeigen sich größere Unterschiede sowohl durch die Zellauswahl als auch durch Modul- und Systemdesign. Für Elektrofahrzeuge ist diese Betrachtung ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal, da die Energiedichte direkt in für den Kunden verfügbare Reichweite resultiert (Abbildung 2). Vergleicht man zum Beispiel neuere BEV wie Teslas Model 3 Long Range (2018) und Hyundais Kona electric 150 kW (2018) miteinander, so zeigen sich die Unterschiede. Teslas Model 3 Long Range verfügt über eine Energiekapazität von 78 kWh bei einem Batteriegewicht von 457 kg. Im Vergleich erreicht der Hyundai Kona electric 150 kW eine Energiekapazität von 64 kWh bei einem Gewicht von 452 kg. Im Benchmarkingvergleich auf Zell-, Modul- und Systemebene können die Unterschiede nun technischen Maßnahmen zugeordnet werden. Damit werden Entwicklungsteams wertvolle Informationen für zukünftige Batterietechnologien an die Hand gegeben.
Neben der richtigen Zellauswahl, den Konstruktionsdetails auf Modul- und Systemebene nimmt auch das Thermomanagement eine wichtige Rolle ein. Es existieren verschiedene Kühlungskonzepte von der Luftkühlung über indirekte Kühlung mittels Kühlblechen oder Kühlplatten und Wasser-Glycol, Kühlung über Kältemittel bis hin zu direkter Kühlung mit dielektrischen Flüssigkeiten der Busbars oder der Zellen (Immersion Cooling).
Kosten
Die Hochvolt-Traktionsbatterie stellt bis zu 50 Prozent der Gesamtfahrzeugkosten in batterieelektrischen Personenkraftwagen (PKW). Es ist also essenziell notwendig, ein tieferes Verständnis zur Kostenstruktur der Batterie aufzubauen. Wesentlichen Anteil an den Batteriekosten haben die Batteriezellen. Im gezeigten Beispiel (Abbildung 3) stellen die Batteriezellen 64 Prozent der Gesamtbatteriekosten.
Moderne batterieelektrische PKW verwenden typischerweise Lithium-Ionen-Batterien mit NMC (Nickel-Mangan-Cobalt) Kathodenmaterial. Insbesondere teure Materialbestandteile, wie z. B. Kobalt, treiben die Zellkosten in die Höhe. Ein Ansatz zur Optimierung der Batteriezellkosten liegt demnach darin, den Kobaltanteil zu reduzieren. Abbildung 4 zeigt, wie von einer bis dato üblichen Gleichverteilung (NMC-111) Nickel reichere Zellmaterialien entwickelt werden (NMC-622, NMC-811, NMC-911). Durch eine solche Optimierung der Materialzusammensetzung können über 40 Prozent der Kathodenmaterialkosten reduziert werden. Weitere Anstrengungen in der Batteriezellentwicklung zielen auf die Erhöhung der Leistungsdichte. Eine höhere Leistungsdichte bedeutet ebenfalls eine Kostensenkung bei gleicher Batteriereichweite.
Weitere Kostentreiber in der Hochvolt-Traktionsbatterie sind Modul und Batterie Gehäuseteile, das Thermomanagement und das Batterie-Management-System (BMS). Nach recht komplexen Konstruktionen der frühen Batteriegenerationen, werden nun im Benchmarking der neuen Batteriegenerationen deutliche Ansätze in Richtung Modularität und Baukastenstrukturen erkennbar. Ziel ist die Realisierung von Skaleneffekten und die Vereinfachung der Montageprozesse.
In Summe führen die aufgezeigten Kostenreduktionsansätze zu weiter fallenden Batteriekosten und damit einer Erhöhung der Attraktivität von Elektrofahrzeugen. Sehen wir heute noch im Mittel Batteriepack-Kosten für vollelektrische PKW in Höhe von ca. 180 EUR/kWh, so wird sich dieser Wert bis 2030 auf unter 100 EUR/kWh halbieren. Eine Batterie mit einer Kapazität von 70 kWh wird dann statt 12.600 EUR weniger als 7.000 EUR kosten (Abbildung 5).
Globales FEV Benchmarking
Als global aufgestellter Entwicklungsdienstleister mit weltweit über 40 Standorten und zahlreichen Entwicklungszentren bietet FEV umfassende Benchmarking-Leistungen für ihre globalen Kunden. In vier Kernregionen (Europa, USA, China und Indien) wurden dedizierte Benchmarking-Standorte aufgebaut. So können lokale Rahmenbedingungen und Daten berücksichtigt und globale Programme parallel geführt werden.
FEV betreibt seit mehr als 25 Jahren detaillierte Benchmarking-Studien und kombiniert in einer einzigartigen Weise tiefes technisches Know-how und Cost-Engineering-Wissen mit strategischen Management-Beratungsmethoden. Das Leistungsspektrum beinhaltet ein umfassendes technisches Benchmarking, Teardown-Studien, Kosten-Benchmarking, eine Benchmark-Academy und verfügt über umfassende Benchmark-Datenbanken.
Neben typischen Fahrzeug- und System-Zerlegungsstudien mit einer professionellen Foto- und Videodokumentation erörtern FEV Ingenieure Konstruktionsdetails, Funktionen, Materialien und Fertigungsverfahren. Zur Durchführung detaillierter Leistungs- und Funktionstests verfügt FEV über ein umfassendes Spektrum an Testeinrichtungen: Diverse on-road Fahrzyklen, Teststrecke, Fahrzeugprüfstände und diverse Systemprüfstände für z. B. Verbrennungsmotoren, Turbolader, Getriebe, Batterien, Elektromotoren, Brennstoffzellen, Leistungselektronik und NVH-(Noise Vibration Harshness)-Analysen.
Neben dem Schwerpunkt in der Automobilindustrie werden Benchmarking-Programme im Nutzfahrzeugbereich, im Agrar- und Bausektor sowie zu anderen technischen Produkten durchgeführt.
In einem typischen Benchmark-Programm beschafft FEV das Zielfahrzeug und bestückt dieses mit entsprechender Messtechnik. Erste Tests bzgl. der Fahrleistung und des Energieverbrauchs können im Rahmen eines „Micro Benchmarkings“ durchgeführt werden, ohne das Fahrzeug zu beschädigen. Für weiterführende Detailuntersuchungen wird spezielle Messtechnik in die zu analysierenden Systeme eingebracht. Spezifische Fahrzyklen und Fahrzeugtests auf der realen Straße, der Teststrecke oder auf dem Rollenprüfstand liefern detaillierte Messdaten. Nach der Fahrzeugzerlegung bringen FEV Ingenieure die zu analysierenden Hauptkomponenten auf den Prüfstand. Zum Beispiel den Verbrennungsmotor, das Getriebe, die Hochvolt-Batterie oder den Elektromotor. Leistungskennlinien werden aufgenommen und Messdaten in FEV Streubänder (Scatterbands) übertragen, um sie mit anderen Messergebnissen in der FEV Datenbank zu vergleichen.
Nach erfolgten Performance-Tests analysieren FEV Cost-Engineering-Experten Materialien, Fertigungs- und Montageprozesse und führen eine detaillierte Should-Cost-Berechnung durch. Die Kostenanalyse liefert einen umfassenden Cost-Break-Down und zeigt wesentliche Kostentreiber auf. Mit Hilfe der erhaltenen Kostentransparenz können Kostensenkungsideen generiert und Zielkosten abgeleitet werden. Zusammengefasst liefert FEV ein einzigartiges Gesamtpaket an Benchmarking-Leistungen mit Kernergebnissen für Ihre Entwicklungen und Ihren unternehmerischen Erfolg.
Batterieelektrische Antriebe
FEV – Ihr Starker Partner bei der Batterieentwicklung
FEV – Ihr Starker Partner bei der Batterieentwicklung
Um die Ziele bei der Reduzierung der CO2 und Schadstoffemissionen zu erreichen, finden Hochvolt-Batterien immer häufiger im Automotive-Bereich Anwendung. Dies geschieht sowohl durch Nutzung bestehender Fahrzeugplattformen innerhalb von Hybrid- bzw. Plug-in-Hybrid-Konzepten, als auch auf Basis neuer, vollelektrischer Lösungen.
Zum einen ergänzen bzw. ersetzen Automobilhersteller aktuell ihre Fahrzeugportfolios mit elektrifizierten Anwendungen. Zum anderen gründen sich weltweit Start-Ups, die in unterschiedlichsten Ausprägungen elektrische Fahrzeuge entwickeln und auf den Markt bringen. Daraus ergibt sich ein hoher Unterstützungsbedarf zur Entwicklung von Hochvolt-Batterien, den FEV vom ersten
Konzept bis zur Serienreife, und darüber hinaus bis zur Rücknahme und dem Recycling, unterstützt.
Die beschriebenen Mechanismen sind nicht ausschließlich auf den automotiven Sektor beschränkt. Auch in Nutzfahrzeug-, Industrie- und Marineanwendungen finden zunehmend Untersuchungen statt, wie bisher durch Verbrennungsmotoren betriebene Fahrzeuge batterieelektrisch angetrieben werden können. Hier sind in erster Linie kleinere Nutzfahrzeuge, Baumaschinen oder kleinere Boote im Fokus.
Diese Veränderungen ermöglichen es, dass sich etablierte aber auch neue Hersteller größere Marktanteile sichern können. Der daraus resultierende Druck auf die Batterieentwicklung stellt innerhalb der Planungen der Hersteller häufig eine große Herausforderung dar. In aktuellen Projekten werden Elektroantriebe und Batterien häufig in bestehende Fahrzeugarchitekturen (sogenannte Mischarchitekturen) integriert, die sowohl für konventionelle als auch für elektrifizierte Antriebe konstruiert sind. Dies führt zu Batteriebauräumen mit starken Freiformflächen und komplexen oder doppelstöckigen Batterieaufbauten. Derartige Konfigurationen erhöhen den Entwicklungsaufwand signifikant insbesondere bei den Kühlsystemkomponenten, Hochvoltleitungen, Niedervoltkabelbäumen, Untersteuergeräten, Haltern und Fixierelemente.
Dennoch erfordert der Marktdruck, dass Batterieentwicklungsprojekte ohne nachträgliche Änderungen innerhalb der geplanten Zeitschiene durchgeführt werden.
Batteriezellen stellen den Kern jedes Hochvoltspeichers dar. Aus ihnen konfigurieren sich die Module, die dann innerhalb der entsprechenden elektrischen Verschaltungen Energie und Leistung der Batterie bestimmen.
Der enorme Bedarfsanstieg hat die Verfügbarkeit der unterschiedlichen Zelltypen und Produkte unterschiedlicher Hersteller stark eingeschränkt. Gerade kleinere Hersteller stehen daher vor großen Herausforderungen, die Zellverfügbarkeit für geplante Anwendungen sicherzustellen. Auch die Serienproduktion von Batteriesystemen kann sich als Hürde innerhalb einer Entwicklungsaktivität herausstellen. Gerade bei kleineren jährlichen Stückzahlen ist ein wirtschaftlich sinnvolles Konzept unter Umständen schwierig darzustellen. All dies kann einen nachhaltigen Einfluss auf den Verlauf von Entwicklungsprojekten haben.
FEV unterstützt hier mit der Erfahrung aus vielen Serienentwicklungsprojekten und kann frühzeitig die individuelle Situation bewerten sowie entsprechende Vorschläge machen, um eine stabile Basis für eine solche Entwicklungsaktivität zu schaffen. FEVs Engineering-Portfolio deckt dabei sowohl alle Entwicklungsaktivitäten, als auch bei Bedarf die Identifikation, Empfehlung und Qualifizierung eines Produktionspartners ab, der für den Kunden die Batterie in Serie produziert.
„FEV IST EIN STARKER PARTNER FÜR KLEINSERIEN-PRODUKTIONEN VON BATTERIESYSTEMEN UND ÜBERNIMMT ALLE NOTWENDIGEN PROZESSSCHRITTE“
Umfassendes Portfolio
FEV ist in der Lage, Entwicklungsdienstleistungen mit unterschiedlicher Ausprägung anzubieten. Die Basis des FEV Portfolios in der Batterieentwicklung beinhaltet alle notwendigen Dienstleistungen um, beginnend mit dem ersten Batterie-Konzept, bis zur Serie zu entwickeln und darüber hinaus zu betreuen.
Bei entsprechender Anforderung ist FEV darüber hinaus ein starker Partner für Kleinserienproduktionen von Batteriesystemen und übernimmt alle notwendigen Prozessschritte zur Vorbereitung und anschließender Kleinserienproduktion für Losgrößen bis 1.000 Stück pro Jahr.
Passende Lösungen
Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge werden eine hohe Akzeptanz im Markt erlangen, wenn sie in allen kundenrelevanten Punkten mindestens gleichwertig mit konventionell angetriebenen Fahrzeugen sind.
- Reichweite
Eine der elementaren Anforderungen für Kunden ist die Reichweite. Kunden möchten nicht auf die gewohnten Vorzüge verbrennungsmotorisch angetriebener Fahrzeuge verzichten. Die Reichweite von Elektrofahrzeugen hängt direkt von dem verfügbaren Energieinhalt der Batterie ab. Da mit zunehmender Kapazität aber auch das Gewicht und das Volumen der Batterie ansteigen, ist eine möglichst hohe gravimetrische und volumetrische Energiedichte wünschenswert, um ein weiterhin attraktives Fahrzeug anbieten zu können.
Zur Überbrückung von größeren Distanzen muss der Fahrer zum Nachladen der Batterie einen Zwischenstopp einlegen. Dieser Vorgang darf nicht signifikant länger dauern als bei kraftstoffbetriebenen Fahrzeugen. Daher ist eine weitere Anforderung, die Ladedauer durch optimierte Schnellladefähigkeit zu verkürzen. Die Gesamtkapazität der Speicher wird nach aktueller Prognose auf 50–75 kWh (Massenmarkt) bzw. 80 – 120 kWh (Premiumsegment) anwachsen. Die Ladedauer für eine Anhebung des State-of-Charge (SoC) von ~10–80 Prozent wird sich zusätzlich auf voraussichtlich 15 Minuten (Premiumsegment) bzw. 30 Minuten (Massenmarkt) reduzieren. Daraus ergeben sich benötigte Ladeleistungen von bis zu 350 kW, die infrastrukturseitig bereitgestellt werden müssen.
Um die Energiedichte zu erhöhen, werden die Materialzusammensetzungen der Anode und Kathode weiter optimiert. Aktuell wird anodenseitig ein Si/C-Komposit verwendet, für die Kathode hingegen wird der Nickelanteil weiter erhöht. Langfristig bietet die Feststoffbatterie möglicherweise ein großes Potential. Um die Schnellladefähigkeit zu optimieren, kann sowohl das Zelldesign (Feststoffbatterie) angepasst, als auch das Thermomanagement weiter optimiert werden. Weiterhin muss auch das Verbindungs- und Kontaktiersystem hinsichtlich der Stromtragfähigkeit verbessert werden.
- Fahrleistung
Früher verfügbare, reine Elektrofahrzeuge zeugten primär von zurückhaltenden Fahrleistungen und haben damit bei Kunden ein erstes Image kreiert. Aktuelle Modelle müssen diese Vorurteile aufheben und den Kunden den gewohnten Fahrkomfort bieten oder übertreffen. Hierfür sind gute Beschleunigungswerte und die Möglichkeit zum wiederholten Abruf der maximalen Leistung sowie eine dauerhafte Fahrt bei maximaler Geschwindigkeit ohne Einschränkung wichtige Kriterien.
Zum Erreichen solcher Beschleunigungswerte sind hohe maximale Stromstärken im Bereich von 1.200–2.000 A für 4–10 Sekunden notwendig. Für den wiederholten Abruf maximaler Leistung sind hohe Ströme in einem Zeitraum von 30–120 Sekunden und für eine Fahrt bei maximaler Geschwindigkeit hohe Dauerströme notwendig. Dabei muss vermieden werden, dass die Zellen (~50 °C) oder Leitungen (~100–150 °C) ihre maximal zulässige Temperatur übersteigen. Das erfordert, den Strompfad vom Aktivmaterial der Zelle bis hin zum Inverter und E-Motor zu optimieren. Dies beinhaltet unter anderem interne Zellverbindungstechnik, Stecksysteme, Trennsysteme und Sicherheitseinrichtungen. Zur Vermeidung einer Überhitzung müssen die Zellen aktiv (bspw. mit Wasser-Glykol) und die Leitungen passiv oder aktiv (bspw. durch Heatpipes) gekühlt werden.
- Lebensdauer
Eine weitere, aktuell große Herausforderung, ist die Alterung von Li-Ionen-Batterien. In der Vergangenheit haben Kunden teilweise negative Erfahrungen mit der Lebensdauer von Li-Ionen-Batterien in Consumer-Produkten (Notebooks, Smartphones, Digitalkameras etc.) gemacht. Auch bei modernen Li-Ionen-Batterien ist die Lebensdauer abhängig von Nutzung, Zeit und Temperatur. Fällt der nutzbare Energieinhalt – bezogen auf den neuen Zustand – auf unter 80 Prozent oder weniger State-of-Health (je nach Zellchemie und -hersteller), ist die Nutzung der Batterie für den Gebrauch in einem batterieelektrischen Fahrzeug nicht mehr sinnvoll. Wenn dies im Batteriedesign berücksichtigt wird (Hardware und Software), kann die Batterie darauf folgend in einem 2nd-life-Einsatz z. B. als stationärer Pufferspeicher verwendet werden. Aktuell kann eine Li-Ionen-Batterie in automobilen Anwendungen 8–10 Jahre verwendet werden. Ziel ist es mittelfristig, einen Zeitraum von 15 und langfristig bis zu 20 Jahren zu erreichen. Neben der kalendarischen muss auch die zyklische Alterung betrachtet werden. Derzeit liegt diese bei 150.000–250.000 km bis die Li-Ionen-Batterien 80 % SoH erreicht haben.
Um die kalendarische Alterung zu verringern, muss die Durchschnittstemperatur der Zellen durch ein effektives Thermomanagement reduziert werden. Die zyklische Alterung entspricht bei State-of-the-Art-Zellen etwa 1.000–2.000 Vollzyklen mit je 80 Prozent Entladetiefe. Der optimale Arbeitsbereich der Zellen liegt dabei zwischen 10–25 °C (Parken) und 40 °C (Fahren). Anhand von Simulationen kann FEV eine Bewertung der Lebensdauer bei unterschiedlichen Stress- und Nutzungsprofilen durchführen. Für eine Optimierung der zyklischen Alterung sind Verbesserungen der Stabilität der Zellchemie (Elektrolyt, Beschichtung, Nanostruktur der Elektroden und weitere) notwendig, um die irreversiblen Prozesse (z. B. Elektrolytzersetzung, Bildung einer SEI-Schicht) zu reduzieren.
„UM DIE SCHNELLLADE-FÄHIGKEIT ZU OPTIMIEREN, KANN SOWOHL DAS ZELLDESIGN ANGEPASST, ALS AUCH DAS THERMOMANAGEMENT WEITER OPTIMEIRT WERDEN.“
- Sicherheit
Für die Sicherheit eines Hochvoltspeichers muss zwischen der Gebrauchssicherheit (GeSi) und der Funktionalen Sicherheit (FuSi) unterschieden werden. Während die Gebrauchssicherheit garantieren soll, dass keine Sicherheitsrisiken bei erwartungsgemäßem Gebrauch oder Fehlgebrauch auftreten, sorgt die Funktionale Sicherheit auf Basis der ISO26262 dafür, dass keine Sicherheitsrisiken bei Ausfall von Elektronikfunktionen auftreten.
Mittels der Gebrauchssicherheit werden Risiken identifiziert, bewertet und durch Maßnahmen minimiert. Zu den Risiken gehören insbesondere ein Thermisches Durchgehen, Kühlmittelleckage, HV-Berührschutz und Crashsicherheit. Werden für die Vermeidung dieser Risiken funktionale Maßnahmen genutzt, fallen diese unter die FuSi und müssen robust gemäß ASIL-Integrität sein.
Zum Absichern eines Thermischen Durchgehens werden in einem ersten Schritt durch die Gebrauchssicherheit die Zellen vor Überstrom und Über-/Unterspannung (Über-/Tiefenentladung) geschützt. Das Funktionale Sicherheitskonzept von FEV sichert in einem weiteren Schritt durch geeignete Hardware (Sensorik, Aktorik) und Software die Zellen zusätzlich nach ASIL-Integrität (A-D) ab.
„DIE BASIS DES FEV PORTFOLIOS IN DER BATTERIEENTWICKLUNG BEINHALTET ALLE NOTWENDIGEN DIENSTLEITUNGEN – VOM ERSTEN BATTERIE-KONZEPT BIS ZUR SERIE UND DARÜBER HINAUS DER BETREUUNG“
- Kosten
Aktuell sind batterieelektrisch angetriebene Fahrzeuge vor allem aufgrund der Batterie für den Kunden teurer als solche, die bei vergleichbaren Produkteigenschaften mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet sind. Optimistische Prognosen sagen voraus, dass bis 2023/24 erste Elektrofahrzeuge den Kaufpreis eines gleichwertigen Verbrenners erreichen werden.
Aus diesem Grund ist es notwendig, die aktuell hohen Kosten der Zellproduktion – bezogen auf den Energieinhalt in kWh/kg – zu reduzieren. Auf der einen Seite wird das durch eine höhere Energiedichte bei nahezu gleichbleibendem Materialeinsatz erreicht werden können. Auf der anderen Seite sind Rohstoffförderung, Verarbeitung, Automatisierung der Produktion und kostensenkende Maßnahmen im Zelldesign erforderlich, um die resultierenden Kosten pro kWh zu senken.
Eine vielversprechende Maßnahme zur Reduzierung der Zellkosten ist die Substitution des relativ teuren Rohstoffes Kobalt in der Kathode durch günstigeres Nickel. Der höhere Nickelanteil verhilft zusätzlich zur Erhöhung der Reichweite, wobei der Nickelanteil schrittweise im Verhältnis N:M:C (Nickel-Mangan-Cobalt) von 111 über 532 und 622 bis hin zu 811 erhöht wird („High-Ni-Roadmap“). Diese Maßnahmen stehen aber in einem Trade-Off mit der Stabilität und folglich der Sicherheit und Lebensdauer, die nicht vernachlässigt werden darf.
Zielkonflikte
Die Erhöhung des Nickelanteiles innerhalb der Zelle ermöglicht eine höhere Reichweite bei zeitgleich kurzen Ladevorgängen. Diese Erhöhung sorgt hingegen auch für ein thermisch instabileres System, wodurch die Herausforderungen an die Sicherheit wachsen. Zudem wird die kalendarische und zyklische Alterung erhöht, was die Lebensdauer verringert. Positiv wirkt sich hingegen die Substitution des Kobalts durch Nickel auf die Kosten aus. Durch das veränderte Zelldesign besteht beim Schnellladen jedoch eine erhöhte Gefahr von Lithium-Plating und Übertemperatur, was zu Kapazitätsverlust und Thermal Runaway führen kann. Ein optimiertes Schnellladen sorgt durch höhere Ströme für eine höhere thermische Belastung, wodurch sich die Herausforderung für die Sicherheit erhöht. Außerdem sorgen die höheren Ströme für ein verstärktes Lithium-Plating, das die Lebensdauer einschränkt.
Zur Erhöhung der Fahrleistung wird das Gesamtsystem einer höheren Strombelastung ausgesetzt. Dabei steigt das Risiko einer Überlastung der einzelnen Komponenten, welche zu ei-nem thermischen Event oder dem Verlust des Isolationsschutzes führen kann. Weiterhin haben die höheren Ströme einen Einfluss auf die zyklische, durch höhere Durchschnittstemperaturen auch auf die kalendarische Alterung, und damit eine verkürzte Lebensdauer der Li-Ionen-Batterien. Zusätzlich müssen die Leitungen und (Steck-)Verbindungen robuster ausgelegt werden, dadurch entstehen zusätzliche Kosten wegen geändertem Materialbedarf. Soll die Sicherheit erhöht werden, erhöht dies die Kosten ebenfalls, da weitere funktionale Maßnahmen durch Hardware (Sensorik, Aktorik) und Software (Algorithmen, Funktionen) notwendig werden. Ebenso können größere Sicherheitsvorhalte im Batterie-Management-System die maximale Leistung, Leistungsreproduzierbarkeit und Reichweite einschränken.
FEV berät mit einem Team aus international anerkannten Spezialisten an verschiedenen Standorten OEMs, Tier-1 Supplier und Zellhersteller oder übernimmt gesamte Projekte im Rahmen einer Generalentwicklung. Erste energetische oder technische Konzepte werden dabei erstellt und abgestimmt, um sie anschließend über die Serienentwicklungsprozesse zum Start-of-Production zu konkretisieren. Neben dem Auflösen der beschriebenen Zielkonflikte in den Entwicklungsphasen können Prototypenbatterien und Kleinserien aufgebaut werden und auf eigenen Prüfständen für Zelle, Modul und Pack validiert werden
BMS
Die Schlüsselkomponente von E-Fahrzeugen: Das Batterie-Management-System
Die Schlüsselkomponente von E-Fahrzeugen: Das Batterie-Management-System
Batterie-Management-Systeme (BMS) werden für das präzise Monitoring und Steuern der wichtigsten Komponente aller E-Fahrzeuge, der Lithium-Ionen-Batterie, benötigt. Seit 2006 entwickelt FEV Batterie-Management-Systeme kontinuierlich weiter und ist aufgrund der erfahrenen Mitarbeiter ein gefragter Partner bei der Hardware- und Software-Entwicklung für BMS. Das angebotene Portfolio von FEV reicht von der Entwicklung einzelner komplexer Softwarefunktionen, wie dem State-of-Health (SoH), über die Bereitstellung einer BMS-Entwicklungsumgebung für Forschungszwecke bis hin zur Turn-Key-Entwicklung einer kompletten, kundenspezifischen BMS-Lösung inklusive eines dazu erforderlichen, funktionalen Sicherheitskonzepts. Hierbei kann auf die serienreife FEV BMS-Software sowie die erprobte FEV BMS-Hardware zurückgegriffen werden. Das Besondere hieran ist, dass diese sowohl als Black-Box- als auch White-Box-Lösung zur Verfügung gestellt werden können.
Die Leistungsfähigkeit von Batterien wird neben der Auswahl passender Batteriezellen auch von der Qualität der Steuerung beeinflusst. Für das Batterie-Management-System, welches eines der Kernsysteme bei der Batterieentwicklung ist, hat FEV bereits 2006 mit der Entwicklung eigener BMS-Steuergeräte begonnen und besitzt nun ein modulares BMS-System in der vierten Generation, welches je nach Projektanforderungen flexibel und schnell eingesetzt und unterschiedlich kombiniert werden kann. Dies umfasst die Batterie-Management-Unit (BMU), verschiedene Cell-Monitoring-Units (CMU) für 12, 15 oder 18 Batteriezellen sowie die Isolation-Monitoring-Unit (IMU). Die BMU bildet dabei die zentrale Einheit, welche die CMUs, die dezentralen Messeinheiten, steuert.
Durch die Entwicklungs- und Absicherungstätigkeit in zahlreichen Projekten mit unterschiedlichsten Anforderungen und Batteriearchitekturen verfügen die Hardwarekomponenten über ein B-Sample Reifegrad und können neben dem Einsatz in Prototypen auch als White Box für die Serienentwicklung erworben werden. Während der Weiterentwicklung ist neben der technischen Reife genauso die Verfügbarkeit der verbauten Komponenten im Fokus, wodurch auch dem Thema des Obsoleszenz-Management Rechnung getragen wird.
Die fünfte Generation der Hardware befindet sich derzeit in einer fortgeschrittenen Entwicklungsphase. Diese eignet sich für den Einbau mit Batterie-Systemen mit 48 V bis zu 800 V. Batterien mit einem oder mehreren Strängen sowie schaltbare 400 V / 800 V Batterien können hiermit gesteuert und überwacht werden. Ein weiterer Vorteil der fünften Generation sind vier CAN Kommunikationskanäle sowie die Unterstützung von CAN-FD, Wake-Up über CAN und Partial Networking. Neben CAN hat die BMU zwei LIN-Kanäle sowie zahlreiche allgemeine Ein- und Ausgänge, um den unterschiedlichen Kundenanforderungen gerecht zu werden. Eine maßgeschneiderte Entwicklung nach Kundenanforderung für den Serieneinsatz ist ebenso Bestandteil des Portfolios.
Eine einzelne CMU von FEV überwacht die Temperatur und Spannung von maximal 18 Batteriezellen. Aufgrund der selbst entwickelten Hardware und dem einfachen, modularen Design kann diese kurzfristig für den Entwicklungsprozess verschiedenster Batteriekonfigurationen mit geringem Aufwand angepasst werden. Bei der Entwicklung wurde auch das Thema „Kostenoptimierung“ betrachtet. Hierbei wurde eine Einsparung von Bauteilen wie zum Beispiel Steckern aber auch die Reduktion des Test- und Fertigungsaufwands verfolgt.
Für die Entwicklungsphase hat FEV mit dem Campus Controller eine frei programmierbare Steuereinheit entwickelt, die verschiedene Funktionen des BMS oder anderer Steuergeräte übernehmen kann, u. a.:
- Bussimulation
- Manipulation von Sensorsignalen
- CAN-Gateway
- Lüfterdrehzahlregelung
In Kombination mit dem FEV Projekt „VISION“, einer Bluetooth-basierten Visualisierungslösung, ist das System ein leistungsfähiges Werkzeug für verschiedenste Entwicklungszwecke.
In diesem Projekt widmet sich FEV dem Thema Mensch-Maschine-Interface für Prototypenfahrzeuge. „VISION“ besteht zum einen aus der echtzeitfähigen CAMPUS-Hardware, die in diesem Zusammenhang CAN-Gatewayfunktionen übernimmt, und zum anderen aus einem Tablet mit entsprechender App. Die CAMPUS-Hardware übernimmt die Rolle des Cyber-Security-Gateways und verbindet das CAN-Netzwerk der Batterie oder des Fahrzeugs über eine Bluetooth-Schnittstelle mit dem Tablet. Hierbei wird sichergestellt, dass nur die relevanten Botschaften gelesen bzw. gesendet werden. Die Datenverbindung ist bidirektional realisiert, damit zum einen die relevanten Systeminformationen wie beispielspeise Ladezustand der Batterie, Leistungsbedarf sowie Drehzahlen des Motors auf dem Tablet angezeigt werden können und zum anderen auch Befehle von verschiedenen Eingabeinstrumenten (z. B. Knöpfen oder Slidern) an die Fahrzeugsteuergeräte gesendet werden können. Durch die kabellose Anbindung kann sich dieses zu Präsentationszwecken auch außerhalb des Fahrzeugs befinden oder an die Interessenten überreicht werden, um technische Daten während der Probefahrten sehen zu können.
Über die Internetverbindung der Tablet-Hardware ist es außerdem möglich, Informationen mit Servern im Internet auszutauschen und so beispielsweise die gemessenen Daten zu protokollieren.
Die Anwendungssoftware: entscheidend für die Performance des Batteriespeichers
Die Software eines Batterie-Management-Systems ist von entscheidender Bedeutung für die Performance des Batteriespeichers über die gesamte Lebensdauer und hat einen direkten Einfluss auf zentrale Eigenschaften des Fahrzeugs – beispielsweise auf die Reichweite bei reinelektrischen Fahrmodi (PHEV, BEV). Darüber hinaus übernimmt das BMS häufig Funktionen wie die Ladezeitprognose oder die Berechnung der verfügbaren Leistung, die direkt vom Kunden wahrgenommen werden und daher das Fahrzeug-Erlebnis beeinflussen. Eine präzise Berechnung von Kenngrößen, wie z. B. State-of-Charge (SoC) und auch State-of-Health (SoH), ist die Basis für eine optimale Ausnutzung des Speichersystems, jedoch gleichzeitig sehr herausfordernd, da es sich um Werte handelt, die nicht direkt gemessen werden können. Weiterhin ist die Software wichtiger Bestandteil der Sicherheitsmechanismen, die die Sicherheit des Batteriesystems im Betrieb garantieren.
Die FEV BMS-Software wurde seit 2006 stetig weiterentwickelt und ist dank einer modularen Architektur mit schlanken, AUTOSAR-kompatiblen Interfaces flexibel und mit wenig Aufwand auf verschiedensten BMS-Systemen einsetzbar.
So kommt die Software bereits für unterschiedlichste Batteriesysteme zum Einsatz – von kleinen 12 V- und 48 V-Systemen bis hin zu Hochvolt-Batterien mit flexiblen Verschaltungsmöglichkeiten. FEV greift hier auf eine breite Erfahrung zurück, da in vielen Projekten die individuellen Anforderungen des jeweiligen Kunden erfüllt werden müssen. Diese ergeben sich beispielsweise aus Unterschieden im E/E-Layout bzw. der Architektur des Batteriespeichers oder auch der funktionalen Integration in das Fahrzeug. Grundsätzlich ist die Software in drei Bestandteile aufgeteilt, diese sind die Applikations-, Safety- und die Basissoftware.
Die FEV BMS-Applikationssoftware wird modellbasiert entwickelt und enthält Features wie beispielsweise Leistungs-/Stromfreigabe, Laderegelung, SOC/SOH Berechnung, Balancing, Schützsteuerung und Batteriediagnosen. Sie kommt sowohl auf der FEV BMS-Hardware zum Einsatz als auch auf Steuergeräten von Zulieferern der Kunden. Die Portierung der Applikationssoftware auf andere Plattformen wurde bereits in mehreren (Serien-)Projekten durchgeführt und das Interface dabei immer weiter optimiert, um den Anpassungsaufwand so gering wie möglich zu halten. Dies gilt auch für die Schnittstellen zum Fahrzeug. Alle relevanten Größen lassen sich parametrieren bzw. kalibrieren, dies ist ein weiterer entscheidender Faktor für die Flexibilität der Software. Dem Thema „Verifikation und Validierung“ der Software kommt dabei besonderes Augenmerk zuteil. Hierbei wird auf die Testmethoden und -tools des FEV Embedded Systems Test Center (FEST) sowie einem HIL-Testsystem für Batterie-Management-Systeme zurückgegriffen, welches bis zu 192 Einzelzellen emulieren kann.
Die FEV BMS-Basissoftware stellt eine Entwicklung für FEVs eigene BMS-Hardware dar. Sie realisiert die Anbindung an die Hardware-Komponenten der BMU und CMUs und stellt der Applikationssoftware neben den Messwerten und I/Os verschiedene Services bereit, beispielsweise das Speichern von Werten im „non-volatile memory“. Neben der Entwicklung der BMS-Software unterstützt FEV auch OEMs und Zulieferer bei der Entwicklung ihrer BMS Applikations- und/oder Basissoftware.
Gesamtlebenszyklus Funktionale Sicherheit (FuSi)
Die Entwicklung des funktionalen Sicherheitskonzepts kann entweder für ein spezifisches Fahrzeug oder auch fahrzeugunabhängig als alleinstehendes Produkt („components-off-the-shelf“) geschehen. Erfolgt die Entwicklung für ein bekanntes Fahrzeug, gliedert sich die Entwicklung des Batteriesystems direkt in den FuSi-Lebenszyklus des Gesamtfahrzeugs ein. Dies ist normalerweise bei FEV Entwicklungen der Fall. Erfolgt die Entwicklung hingegen fahrzeugunabhängig („safety element out of context“), wird ein Teil des FuSi-Gesamtlebenszyklus für die Batterie befolgt. Die Integration in den Gesamtfahrzeuglebenszyklus erfolgt dann zu einem späteren Zeitpunkt durch den Fahrzeughersteller. Die Annahmen müssen auf Gültigkeit überprüft werden und notwendige Änderungen über das Änderungsmanagement abgewickelt werden.
„DIE FEV BMS-APPLIKATIONSSOFTWARE WIRD MODELLBASIERT ENTWICKELT“
Betrachtete Aspekte
Die funktionale Sicherheit befasst sich mit Risiken, die durch mögliche Fehlfunktionen von E/E-Systemen durch systematische Software- oder zufällige Hardwarefehler ausgelöst werden. Um das Batteriesystem nach heutigem Standard ausreichend sicher zu entwickeln, folgt FEV den Entwicklungsprinzipien der Norm ISO26262. Bestimmte Gefährdungen, wie beispielsweise durch chemische Gefahren oder durch elektrischen Schlag, werden dabei nur dann als Teil der funktionalen Sicherheit betrachtet, wenn die Gefahr direkt durch die E/E-Funktion verursacht wird. Das bedeutet, übertragen auf das Batteriesystem, dass die Vermeidung von elektrischem Schlag in erster Linie durch die HV-Sicherheit abgedeckt wird. HV-Isolierungen und Berührungsschütze fallen daher nicht in den Bereich der funktionalen Sicherheit. Dennoch können auch E/E-Funktionen der HV-Sicherheit dienen und trotzdem in den Bereich der funktionalen Sicherheit fallen. Dies ist der Fall bei der Abschaltung des HV-Systems bei einem Unfall, da hier die aufgrund der HV-Sicherheit getroffenen Maßnahmen wie Isolierung beschädigt werden können und daher nicht mehr als ausreichend betrachtet werden.
Konzeptphase
In der sogenannten Konzeptphase werden Risiken bewertet, die durch Fehlfunktionen der implementierten Funktionen des Systems entstehen können. Das Resultat dieser Gefahrenanalyse und Risikobewertung (GuR) sind die Sicherheitsziele für das System. Der Umfang der notwendigen Risikoverminderung wird durch das ASIL bestimmt, das mit den Buchstaben A bis D klassifiziert wird.
Ein typisches Beispiel für ein Sicherheitsziel eines Batteriesystems ist „Das System soll ein thermisches Durchgehen der Batterie vermeiden“ (typischerweise bei FEV mit ASIL C bis ASIL D bewertet). Diese Sicherheitsziele sind Anforderungen, die auf der obersten Ebene liegen. Ausgehend von diesen Sicherheitszielen wird ein funktionales Sicherheitskonzept entwickelt, das durch funktionale Sicherheitsanforderungen beschrieben wird. Teil des Sicherheitskonzepts sind neben der Detektion auch die Notfallmaßnahmen, die eingeleitet werden. Die Erstellung des FSK wird häufig bereits mit Fehlerbaumanalysen unterstützt.
Produktentwicklungsphase
Im Anschluss an die Konzeptphase folgt die Systementwicklungsphase. In dieser Phase werden die funktionalen Anforderungen in technische Anforderungen überführt. Parallel zu diesem Schritt wird die technische Systemarchitektur entwickelt. In dieser Phase, sind in Abhängigkeit des ASIL, der Sicherheitsziele, Fehlerbaumanalysen und FMEA durch den Standard ISO26262 vorgeschrieben. Von hieraus wird dann in die Phasen HW- und SW-Entwicklung verzweigt und die Sicherheitsanforderungen werden in diese Entwicklungsphasen eingespeist.
FEV Test Bench BMS (T-BMS) für Batterie- und Modulprüfstände
Das Batterie-Management-System von FEV ist auch für andere Anwendungen, wie etwa dem Einsatz am Prüfstand, geeignet. Für diesen hat FEV ein universell einsatzbares Prüfstands-BMS (T-BMS) für Batteriemodule entwickelt, eine Erweiterung für die Untersuchung kompletter Batterien ist ebenso möglich.
Das System basiert auf einer FEV BMU und einer oder mehrerer FEV CMU(s) und dient der Erfassung von Zellparametern und deren Überwachung sowie der Berechnung von weiteren Kenngrößen wie z. B. State-of-Charge (SoC). Hierbei können kundenspezifische Funktionen zur Berechnung der notwendigen Parameter auf dem T-BMS implementiert werden. Sämtliche erfasste Parameter können an den Prüfstand übertragen werden, um diese aufzuzeichnen, auszuwerten und für den Testablauf zu nutzen. Das T-BMS ist selbstverständlich mit den FEV Batterieprüfständen sowie FEV MORPHEE nutzbar, womit eine Komplettlösung (siehe Seite 30) zum Testen von Batteriemodulen angeboten werden kann. Aufgrund des einfach anzupassenden CAN-Interface kann das T-BMS jedoch auch auf anderen Prüfständen genutzt werden.
Über eine graphische Benutzeroberfläche ist es möglich alle wesentlichen Parameter des System zu kalibrieren, wie zum Beispiel die Anzahl der verbundenen Zellen. Hierdurch ist eine einfache Anpassung auf verschiedene Testanforderungen realisierbar.
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