Kraftwerk Batterie – Lösungen für Automobil und Energieversorgung: Unter diesem Thema stand die vom Haus der Technik Essen ausgerichtete Advanced Battery Power Konferenz. Die wissenschaftliche Leitung der Veranstaltung hatte das Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) der RWTH Aachen sowie das MEET Batterieforschungszentrum der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster. Beleuchtet wurden unter anderem die Themen Automotive, mobile Anwendungen, Chemie von Lithium-Ionen-Zellen, Sicherheit, Recycling und Diagnostik. Der folgende Beitrag gibt einen Einblick in die Top-Themen der Veranstaltung.

Batterie aufladen – aber schnell!

Advanced Battery Power, Algorithmen für schnelles Aufladen von Batterien sind aktuell ein gefragtes Thema. Boost-Laden, bei dem abhängig vom SOC der Zelle der Ladestrom verringert wird, verhindert das vorzeitige Altern des Speichers.

Bild 1: Algorithmen für schnelles Aufladen von Batterien waren gefragtes Thema auf der Advanced Battery Power Konferenz. Boost-Laden, bei dem abhängig vom SOC der Zelle der Ladestrom verringert wird, verhindert das vorzeitige Altern des Speichers. Hochschule München

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Über 500 Forscher, Entwickler und Firmenvertreter nahmen an der neunten Advanced Battery Power Konferenz 2017 in Aachen teil. Die Konferenz beleuchtete branchenübergreifende Themenstellungen der Batterietechnik wie Automotive-Anwendungen, Batteriemanagement, Sicherheit, Recycling und Elektrodenchemie. Zu den Top-Themen in 2017 zählten Algorithmen zum Schnellladen von Batterien, Entwicklungstrends bei Batteriemanagementsystemen, Super-Kondensatoren und das Recycling von Lithium-Ionen-Zellen.

Das Thema schnelles Laden von Batterien war eines der heißen Themen der Konferenz, vor allem im Bereich der Batterietechnik für Elektroautomobile. Der von BMW unterstützte Beitrag der Hochschule für Angewandte Wissenschaften München definierte schnelles Laden beispielweise als das Aufladen einer Batterie von 10 % auf 80 % ihrer Kapazität innerhalb von 15 Minuten. Das Problem beim schnellen Laden besteht darin, dass durch starkes Aufheizen der Zelle und durch Lithium-Plating die Batterie eine beschleunigte Alterung zeigt. Lösungsansätze dafür sind im Batterie-Layout, der Batterie-Chemie sowie in angepassten Ladealgorithmen zu finden. Algorithmen für schnelles Aufladen beinhalten beispielsweise das Laden mit konstantem Strom und konstanter Spannung, gepulstes Laden und sogenanntes Boost-Charging. Letzteres stellte sich als besonders vorteilhaft für die Lebensdauer der Batterie heraus.

Die Idee hinter dem Ladealgorithmus ist ein zweistufiger Ladezyklus, bei dem innerhalb einer konstanten Ladedauer der zweite Ladeschritt abhängig vom aktuell erreichten SOC (State of Charge) der Zelle berechnet wird. Zu Beginn des Aufladens bei niedrigem SOC ist ein hoher Ladestrom unschädlich für die Zelle, solange er einen definierten Maximalwert nicht übersteigt. Ist ein hoher SOC erreicht, wird der Ladestrom kontinuierlich reduziert. Der Algorithmus berechnet dabei den idealen Zeitpunkt für die Reduzierung des Ladestroms und findet so die optimalen Ladebedingungen, bei denen die Batteriezelle die geringsten Alterungserscheinungen zeigt (Bild 1).

Vom Ampera zum Ampera-e

Advanced Battery Power, Die Batterie des Opel Ampera ist in einem Tunnel in Längsrichtung sowie unter den Rücksitzen untergebracht. Mit einer spezifischen Energie von 84 Wh/kg bringt es der Ampera auf eine Reichweite von 83 km (NEDC).

Bild 2: Die Batterie des Opel Ampera ist in einem Tunnel in Längsrichtung sowie unter den Rücksitzen untergebracht. Mit einer spezifischen Energie von 84 Wh/kg bringt es der Ampera auf eine Reichweite von 83 km (NEDC). Opel

Advanced Battery Power, Beim Opel Amerpa-e nimmt die Batterie den gesamten Unterboden ein. Durch einen Wechsel in der Elektrodenchemie stieg dei spezifische Energie des Speichers auf 140 Wh/kg.

Bild 3: Beim Opel Amerpa-e nimmt die Batterie den gesamten Unterboden ein. Durch einen Wechsel in der Elektrodenchemie stieg dei spezifische Energie des Speichers auf 140 Wh/kg. Opel

Im Bereich Automotive präsentierte Opel die aktuellen Fortschritte der Entwicklung des EREV (Extended Range Electric Vehicle) Ampera-e, der im Frühjahr 2017 auf den Markt kommt. Der Vorgänger Ampera wurde in Europa Ende 2011 vorgestellt. Die Batterie des Ampera ist in einem Tunnel in Längsrichtung des Fahrzeugs sowie unter den Rücksitzen untergebracht (Bild 2). Beim Ampera-e nimmt die Batterie den gesamten Unterboden des Fahrzeugs ein und wiegt insgesamt 430 kg (Bild 3). Der Energiegehalt der Batterie hat sich beim Ampera-e von 16,5 kWh auf 60 kWh erhöht, die spezifische Energie des Batterie-Packs stieg von 84 Wh/kg auf 140 Wh/kg.

Erreicht wurde die erhöhte spezifische Energie der Batterie unter anderem durch einen Wechsel der Elektrodenchemie von Mangan-basierte auf Nickel-reiche Elektroden. Die Reichweite (NEDC) des Fahrzeugs stieg dadurch von 83 km auf 520 km. Der Ampera-e verfügt über drei Ladeoptionen: Mode 2 mit maximal 2,3 kW (AC), Mode 3 mit maximal 7,4 kW (AC) und eine Schnellladeoption mit maximal 53 kW (DC), die dem Fahrer eine Reichweite von 150 km innerhalb von 30 Minuten Ladezeit zur Verfügung stellt. Einen erfolgreichen Testlauf unternahm der Ampera-e 2016 von London zur Pariser Motor Show und hatte nach den absolvierten 417 km noch genügend Kapazität für 80 km Reichweite übrig.

 

Wie die Trends für Batteriemanagementsysteme von Bosch aussehen, zeigen wir auf Seite 2.

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