Performance

FEV Batterie-Benchmarking

4. August 2020 | Featured Article

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).

Abb.1: Hauptanforderungen je Batterietyp (Status 2020)

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.

Abb.2: Spezifische gravimetrische Energiedichte auf Pack-Level

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.

Abb. 4: Entwicklung von NMC Kathodenmaterialien

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).

Abb. 5: Batteriekostenentwicklung (Mittelwerte) – Stand 2019

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.

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