Batterieelektrische Antriebe

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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.“

4. 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“

5. 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

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