Techblog August
21.08.2018

BFFT Techblog: Auslegung von Hochvoltbatterien auf Zellebene

Thema: Lithium-Ionen Batterien für BEVs (Battery Electric Vehicle). Vorgehen bei der Batterieauslegung in der Konzeptphase. Vom Prüfen der Leistungsanforderungen bis hin zur Abschätzung der notwendigen Kühlleistung und des Bauraums.

Motivation

Die Bedeutung der Elektromobilität wird in den nächsten Jahren maßgeblich zunehmen. Sobald die notwendige Ladeinfrastruktur vorhanden ist und bezahlbare „Stromer“ in den Autohäusern verfügbar sind, wird die Elektromobilität auch bei der Mehrheit der Bevölkerung ankommen. Der Fortschritt in Sachen bezahlbare Elektroautos wird nun auch von den OEMs vorangetrieben – sei es auch nur zur Erreichung der EU Vorgaben für CO2-Emissionen oder aufgrund der neuen Konkurrenten im Automotive-Sektor. Dieser Techblog behandelt das Thema der elektrochemischen Energiequelle des reinen Elektrofahrzeugs. Mittels der folgenden Erläuterungen wird aufgezeigt, was hinter einer Batterie auf Basis von Lithium-Ionen Zellen steckt und warum man mit der aktuellen Technologie selbst in einem SUV – ohne zusätzlichen Anhänger – im Alltag keine Reichweite von 1000 km erzielen kann.

Batterieaufbau

Eine Hochvoltbatterie oder auch Batteriepack eines Electric Vehicle (EV), setzt sich aus einer Vielzahl von einzelnen Lithium-Ionen Zellen zusammen, die in Modulen, auch Stacks genannt, organisiert sind. Die nötige Anzahl an Zellen beläuft sich dabei von wenigen hundert Stück bei prismatischen oder Pouch-Zellen bis fast hin in den fünfstelligen Bereich bei Rundzellen. Die genannten Pouch-Zellen werden bereits seit Jahren in einer Vielzahl an Consumer-Produkten wie z.B. Smartphones eingesetzt und haben vielerorts die Rundzellen abgelöst.

Die Zellen sind, wie bereits erwähnt, in der Regel mechanisch zu Modulen zusammengefasst. Beispielsweise sind im Nissan LEAF (Version 2012) 48 Module in Reihe verschaltet. Dabei befinden sich in jedem Modul 4 Zellen in der Verschaltung 2s2p, respektive 2 in Serie und 2 in Parallel. Durch die Verschaltung in Serie wird die Spannung „eingestellt“ (zumeist im Bereich von nominell 400 V), wogegen die zusätzliche Parallelschaltung von Zellen die Kapazität der Batterie erhöht und einen höheren Stromfluss ermöglicht und so die gewünschte Reichweite und Leistung erzielt. Dies ist notwendig, da je nach System die Stromtragfähigkeit einer Zelle nicht ausreicht, um die gewünschte Leistung für das Fahrzeug bereitzustellen. Die Stromtragfähigkeit hängt neben der Zellchemie maßgeblich von der Kapazität ab. Die Leistungs- und Energiedichten der aktuellen Zellchemien beschränken schlicht die mögliche Kapazität und damit auch den Strom, der entnommen werden kann. Erst durch neue Technologien wird es möglich sein, 80 kWh in ein geringeres Gewicht als ~450 kg (vgl. Tesla Model 3) zu packen bzw. bei gleichem Gewicht eine höhere Kapazität zu erzielen und so die Reichweite der Fahrzeuge signifikant zu erhöhen. Die Hoffnung der Branche liegt hierbei aktuell in den sogenannten Feststoffzellen. Bei diesen Zellen, deren Serieneinsatz nicht vor 2025 zu erwarten ist, wird der bisher flüssige Elektrolyt der Zelle durch einen Feststoff ersetzt. Diese neue Technologie verspricht bei gleichem Bauraum aktueller Batterien eine Reichweite im Bereich von Verbrennern zu ermöglichen. Daneben ermöglichen die Eigenschaften der Feststoffzelle eine bessere Schnellladefähigkeit und erhöhen die Sicherheit.

Der Einsatz von Batterien mit einer Spannungsebene von 800 V (nominell) ist absehbar. Hier sei als Beispiel auf Mission E (Taycan) von Porsche verwiesen. Durch die höhere Spannung kann bei gleicher Leistung mit geringeren Strömen gearbeitet werden. Dies ermöglicht Gewichtseinsparungen durch geringere Leitungsquerschnitte. Die Hürde liegt dabei aktuell in der Verfügbarkeit von Komponenten, die die notwendige Spannungsfestigkeit besitzen.

Der maximale Strom, der pro Zelle beim Laden und Entladen fließen darf, wird von den Herstellern als C-Rate bezeichnet. Dabei handelt es sich um die Angabe des maximalen Stroms in Bezug auf die Nennkapazität der Zelle. Beispiel: Die Angabe „Entladen 10C“ einer 44 Ah Zelle entspricht einem Entladestrom von 440 A. Dabei gilt, dass ein Betrieb der Zelle mit höheren bzw. maximalen C-Raten aufgrund des Innenwiderstands zu einer höheren Hitzeentwicklung, einer Verringerung der Zyklenanzahl und damit zu einer kürzeren Lebensdauer führt.

Neben der konstruktiven Anordnung der Zellen, Verschaltung und Crashanforderungen ist die thermische Konditionierung der Zellen von elementarer Bedeutung. Je nach Zelltyp ergeben sich unterschiedliche Möglichkeiten für den Aufbau eines Thermomanagementsystems. Der Aufbau eines solchen Systems hat großen Einfluss auf den Bauraum, die Komplexität und damit auch auf den Preis einer Fahrzeugbatterie. Hierbei unterscheidet man in erster Linie zwischen passiv und aktiv temperierten Systemen. Bei einer aktiven Kühlung z.B. können auch unterschiedliche Kühlmedien zum Einsatz kommen, wie z.B. Luft, Wasser oder Kältemittel.

Auslegung der Batterie

In der Abteilung Energiesysteme und Elektrifizierung werden derartige Batterien aufgrund von Kundenanfragen konzipiert, entwickelt und Prototypen aufgebaut. Je nach Detailgrad und Verfügbarkeit von Anforderungen kann ein erstes Konzept bereits sehr konkret angefertigt werden. Zu den wichtigsten elektrischen Anforderungen gehören hierbei die Spannungslage und die Lade- und Entladeleistung der Batterie.

Da Leistungsfähigkeit und Alterung der Lithium-Ionen Zellen stark von der Temperatur abhängig sind, ist es notwendig, bereits in der Konzeptphase das Thermomanagement der Batterie mit zu betrachten, um die Umsetzbarkeit zu gewährleisten. Nur bei einer korrekt dimensionierten Temperaturregelung kann die spezifizierte Leistung aus der Batterie auch über die Lebensdauer abgerufen werden. Der optimale Temperaturbereich für Lithium-Ionen-Batterien liegt ungefähr zwischen 15 °C und 45 °C (abhängig von Zellchemie und Hersteller). Unterhalb dieses Bereichs steigt der Zellinnenwiderstand stark an, was zu Leistungseinbußen führt. Außerdem führt das Aufladen bei niedrigen Temperaturen zu einer starken Zellalterung, weshalb beispielsweise zum Schutz der Zellen die Rekuperation bei kalter Batterie sehr eingeschränkt oder überhaupt nicht verfügbar ist. Bei Temperaturen oberhalb des optimalen Bereichs beschleunigt sich ebenfalls die Alterung. Zellbestandteile wie z.B. der Elektrolyt beginnen sich zu zersetzen, bzw. die Materialeigenschaften verändern sich. Zellhersteller geben oft als Obergrenze 60 °C an, steigt die Temperatur weiter an, kann dies zum „thermal runaway“ führen, was zu einem Brand und im „Worst Case“ zur kompletten Zerstörung des Fahrzeugs führen kann.
Elektrofahrzeuge, welche nur über ein passives Thermomanagement verfügen (z.B. VW e-Golf, Nissan Leaf) haben oft das Problem, dass die Reichweite im Winter stark abfällt und die Batterie bei hohen Umgebungstemperaturen schneller altert als bei Fahrzeugen mit aktivem Thermomanagement. Hinzu kommt, dass das Aufladen solcher Fahrzeuge mehr Zeit in Anspruch nehmen kann, da die Batterie nicht aktiv in einem für den Ladevorgang optimalen Temperaturbereich gebracht und gehalten werden kann.

 

Im Folgenden sind die wichtigsten Schritte bei der Konzeptionierung der Batterie in groben Zügen aufgeführt:

  1. Anforderungen prüfen

Die wohl wichtigste Anforderung ist die Spannungslage der Batterie. Sie bestimmt die Anzahl der in Reihe zu schaltenden Zellen und damit auch die Art der Batterie (Niedervolt/Hochvolt). Daneben kann abhängig vom Fokus des Prototyps der Energieinhalt und damit die Reichweite oder aber die Lade- und Entladeleistung im Vordergrund stehen, was das System auf die Anzahl der parallel zu schaltenden Zellen und die Zellchemie festlegt.

  1. C-Rate bestimmen

Bestimmen der notwendigen C-Rate zum Erreichen der geforderten kontinuierlichen und gepulsten Lade- und Entladeleistung in Abhängigkeit von der Zellverschaltung. Die Zellverschaltung ist dabei maßgeblich vom Zelltyp und –chemie abhängig. So unterscheidet sich bei den Zellchemien auch die nominale Spannung, wodurch die Anzahl der in Reihe verschalteten Zellen variiert.

  1. Realistische C-Rate wählen

Vergleich der C-Rate mit den Angaben des Zellherstellers. Anschließend ist eine C-Rate, zu wählen, die eine realistische Belastung für die Zellen darstellt. Dabei ist anzumerken, dass die maximale angegebene Belastung im Datenblatt meist keine praxistaugliche Lösung darstellt. Die zu schnell fortschreitende Alterung und die notwendige Kühlleistung stehen einer derartigen Belastung entgegen.

  1. Mögliche Leistung mit Anforderungen vergleichen

Anhand der gewählten Verschaltung und C-Rate ist die Leistung mit den Anforderungen zu vergleichen. Hierbei gilt es zwei Dinge zu beachten. Zum einen werden die Zellen in der Praxis nur in einem Nutzungsfenster, im englischen Depth of Discharge (DoD), betrieben. Dies schont die Zelle und ermöglicht so eine längere Lebensdauer. Zum anderen soll die Leistung auch bei einem geringen Ladeszustand, im englischen State of Charge (SoC), der Zelle abgerufen werden können. Die Spannung der Zelle hängt dabei vom Ladezustand ab und sinkt mit diesem. Daher ist es zielführend, die maximale Leistung anhand des minimalen Ladezustands und damit der minimalen Zellspannung des definierten Nutzungsfensters zu berechnen.

  1. Betrachtung des Energiegehalts

Für die Reichweite des Fahrzeugs sind die tatsächlich nutzbare Energie und der Verbrauch des Fahrzeugs relevant. Der angegebene Verbrauch ist dabei als grobe Orientierung zu sehen, da er abhängig vom Fahrverhalten des Nutzers, der genutzten Funktionen wie z.B. Klimaanlage und der vorhandenen Verlustleistung im Antriebsstrang ist. Dies ist auch der Grund, warum die angegebenen Reichweiten der Hersteller nicht alltagstauglich sind und mit einer geringeren Reichweite gerechnet werden muss. Im Gegensatz zu Reichweitenangaben nach den standardisierten Fahrzyklen NEFZ und WLTP sind Angaben nach einer Art Kunden-Verbrauchszyklus (KUV) realistischer. Für eine professionelle Betrachtung des Energiegehalts, muss die nutzbare Energie im Nutzungsfenster und am Ende des Lebenszyklus, im englischen End of Life (EoL), der Zellen betrachtet werden. Bei Elektroautos wird die Batterie bereits bei einer abgesunkenen Kapazität auf 80 % vom ursprünglichen Wert Second Life Anwendungen, wie etwa die Verwendung als stationärer Speicher, zugeführt.

  1. Notwendiges Thermomanagement abschätzen

Für die Abschätzung der Verlustleistung werden der elektrische Widerstand der Batterie und der zu erwartende RMS-Strom (quadratischer Mittelwert) des Systems herangezogen. Anhand der Zellverschaltung und der Zellinnenwiderstände wird der elektrische Gesamtwiderstand der Batterie ermittelt. Hierbei ist erneut eine EoL Betrachtung sinnvoll, da der Innenwiderstand der Zellen mit der Alterung ansteigt. Abhängig von der abgeschätzten Verlustleistung kann ein passives Thermomanagementsystem bereits ausreichend sein. Für einen optimalen Betrieb von Batterien empfiehlt sich jedoch, aus technologischer Sicht in jedem Fall ein aktives System, um die Zellen möglichst zu jeder Zeit im idealen Arbeitspunkt zu halten. Die Herausforderung liegt dabei in der Batteriekühlung, da ein Betrieb der Batterie bei hohen Temperaturen einen stärker alterungs- und sicherheitskritischen Fall darstellt, als ein Betrieb bei niedrigen Temperaturen. Im Idealfall sind ausreichend Informationen vorhanden, um Simulationsmodelle zu erstellen und möglichst realitätsnah das Temperaturverhalten der Batterie oder einzelner Zellen zu bestimmen. Hierfür können im weiteren Entwicklungsverlauf 3D-Modelle  genutzt werden, um die räumliche Verteilung der Temperatur darzustellen. Hotspots und Temperaturgradienten können so visualisiert und bei der weiteren Entwicklung berücksichtigt werden. Zu große Temperaturgradienten (>5 K) innerhalb oder zwischen den Zellen sollten vermieden werden, um eine ungleichmäßige Alterung der Batterie zu vermeiden.

  1. Bauraum, Gewicht und Kosten abschätzen

Anhand bisheriger Erfahrungen können, neben dem Gewicht und dem Volumen der Zellen mechanische Komponenten und Gegebenheiten berücksichtigt werden und mit den Anforderungen verglichen werden. Zu den mechanischen Anforderungen an die Batterie zählen hierbei die Crashfestigkeit, Vibrationsstabilität und Lage im Fahrzeug. Ebenso die geplante Stückzahl ist relevant und hat Einfluss auf das Konzept. Bei der Konzeptionierung des Thermomanagementsystem ist es notwendig, einen Kompromiss zwischen vorhandenem Bauraum, Gewicht und Kosten gegenüber der optimalen Temperierungsvariante zu finden. Die Ausführung der thermischen Kontaktierung zwischen Batteriezellen und Kühlsystem ist ein ausschlaggebender Faktor für die Kühlleistung und wirkt sich unterschiedlich auf den Bauraum aus. In diesem Zusammenhang spielt die Bauform der Batteriezellen (zylindrisch, prismatisch, Pouch) eine wichtige Rolle.

 

Schlusswort

Für die Ausfertigung eines fundierten Batteriekonzepts müssen alle betroffenen Fachabteilungen eng zusammenarbeiten. Nur dann ist eine spätere Umsetzbarkeit des Konzepts sichergestellt.

Im Idealfall werden die einzelnen Schritte der Auslegung nur einmal durchlaufen und ergeben im Anschluss einen ersten Eindruck über die möglichen Spezifikationen der Batterie. In der Realität müssen jedoch mehrere Schleifen gedreht werden, da Zwischenschritte eine nicht umsetzbare Lösung ergeben können. So kann zum Beispiel die Abschätzung der Verlustleistung eine zu hohe Kühlleistung erfordern, wodurch das System wirtschaftlich unattraktiv wird oder technisch nicht umsetzbar ist. Ein weiteres Beispiel wäre eine notwendige Leistungsreduzierung der Batterie, da die notwendige Anzahl an parallel geschalteten Zellen nicht in den vorgesehenen Bauraum passt.

 

Autor: Daniel Wiedenhöft, Sebastian Dittmann (Energiesysteme & Elektrifizierung)

Kontakt: daniel.wiedenhoeft@bfft.de, sebastian.dittmann@bfft.de

 

Quellen

  1. https://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:MMCkzA6Hm2cJ:https://de.slideshare.net/StphaneBARBUSSE/nissan-presentation-bobyakushi-ev-hev-safety+&cd=6&hl=de&ct=clnk&gl=de
  2. https://www.mobilegeeks.de/artikel/opel-ampera-e/
  3. https://www.nissan-cdn.net/content/dam/Nissan/global/vehicles/leaf/ze0/1_carryover/performance_and_battery/15TDIuslhd_LEAFhelios096.jpg.ximg.l_full_m.smart.jpg
  4. R. Korthauer. Handbuch Lithium-Ionen-Batterien. 1. Aufl. Berlin: Springer-Verlag, 2013
  5. https://www.dke.de/resource/blob/933404/fa7a24099c84ef613d8e7afd2c860a39/kompendium-li-ionen-batterien-data.pdf
  6. https://ecomento.de/2018/06/21/volkswagen-100-millionen-us-dollar-festkoerperbatterie-startup-quantumscape/

 

 

 

 

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