Michael Weber, Leiter Bordnetze und EMV bei Daimler: „Die Wünsche der Kunden sind mit dem 12-Volt-Netz nicht umsetzbar.“

(Bild: Matthias Baumgartner)

| von Redaktion

Über die Zukunft der Elektromobilität und insbesondere der Autobatterien referierte Dr. Hanho Lee, Vice President Automotive Battery Marketing bei . Nachdem die Hürden für den Kauf eines Elektrofahrzeuges anfänglich noch hoch waren, nimmt das Thema Elektromobilität langsam aber stetig Fahrt auf. Lee verwies auf einen steigenden Ölpreis sowie staatliche Anreize, die den Kauf eines Elektrofahrzeuges begünstigen.

Dr. Hanho Lee von Samsung SDI weist in seinem Vortrag auf die Hürden bei Elektromobilität hin, die es noch abzubauen gilt.

Dr. Hanho Lee von Samsung SDI weist in seinem Vortrag auf die Hürden bei Elektromobilität hin, die es noch abzubauen gilt. Matthias Baumgartner

Bei potentiellen Käufern ziehen in Deutschland rund 44 Prozent ein Elektroauto in Betracht, in den USA liegt diese Zahl bei 29 Prozent. Zu den größten Bedenken gehören immer noch die Ladeinfrastruktur, Reichweite sowie der höhere Preis gegenüber einem Verbrenner.

Höhere Energiedichte

Samsung will diesen Bedenken mit stärkeren Batterien entgegentreten, um so Reichweitenängsten zuvorzukommen. Eine gesteigerte Energiedichte soll die Reichweite von Elektrofahrzeugen auf die eines Verbrenners erhöhen. Die aktuelle Batteriegeneration von Samsung kommt auf eine Energiedichte von 500 Wh/l. Die nächste Generation (Generation 4) soll die Energiedichte auf 600 Wh/l erhöhen, Generation 5 auf 700. Ab Generation 6 sollen dann Lithium-Zellen die Lithium-Ionen-Zellen bei Samsung ablösen und 800 Wh/l bieten. Dabei soll dann metallisches Lithium zum Einsatz kommen. Bis das jedoch der Fall ist, setzt das Unternehmen auf Lithium-Ionen-Materialien.

Der Trend in der Batterieentwicklung geht dahin, die Kapazität mittels neuer Materialien zu erhöhen. Als Kathodenmaterial eignet sich Mangan, Kobalt oder Nickel. Aktuell gelten Kathoden auf Nickel-Basis am vielversprechendsten, um die Energiedichte zu erhöhen.

Entwicklung mit Kompromissen

Dr. Hanho Lee, Vice President Automotive Battery Marketing bei Samsung SDI: „Wir müssen eine Reichweite von 500 km erreichen. Erst dann akzeptieren Kunden Batterien emotional."

Dr. Hanho Lee, Vice President Automotive Battery Marketing bei Samsung SDI: „Wir müssen eine Reichweite von 500 km erreichen. Erst dann akzeptieren Kunden Batterien emotional." Matthias Baumgartner

Lee wies darauf hin, dass die Entwicklung einer Batterie und die Verbesserung der Energieeffizienz nur möglich sind, wenn man dabei eine Vielzahl an Faktoren abwägt. Zu diesen Faktoren zählen beispielsweise die Gasentwicklung, Strukturverfall, Hitzeentwicklung der Elektroden, Kapazitätsverlust oder Temperaturbeständigkeit. Um dem entgegenzuwirken setzt Samsung darauf, die innere Struktur der Materialien zu verändern. Dazu stabilisieren die Forscher die Struktur der Materialien, indem sie die Materialien dotieren. Zusätzlich verringern sie die Grenzflächenreaktionen mittels Oberflächenbeschichtung. Diese verleiht den Strukturen auch zusätzliche Stabilität. Die Verbesserung der Oberfläche erfolgt durch eine spezielle Behandlung, um Lithiumrückstände zu beseitigen.

Anoden mit Silizium

Bei der Anode setzt das koreanische Unternehmen auf eine Silizium-basierte Lösung. Graphit-Anoden mit Silizium ermöglichen eine höhere Batteriekapazität, jedoch bläht sich dabei das Silizium auf, wenn es mit Lithium-Ionen in Kontakt kommt und beschädigt so die Anode. Deshalb muss die Kristallstruktur und die Partikelgröße der Anode ständig überwacht werden.

Neben den Materialien kann auch das Design der Zellen und Module die Kapazität erhöhen. Samsung rechnet damit mit einem neuen Design der Zellen rund 15 Prozent mehr Energiekapazität zu erzielen. Durch ein neues mechanisches Design der Module sollen diese rund sieben Prozent effizienter sein.

Dr. Hanho Lee, Vice President Automotive Battery Marketing bei Samsung SDI: „In ungefähr 4 Jahren erreichen wir 80 $/kWh und dann springt die Elektromobilität an. Nur so können wir Emissionsziele erreichen“

Dr. Hanho Lee, Vice President Automotive Battery Marketing bei Samsung SDI: „In ungefähr 4 Jahren erreichen wir 80 $/kWh und dann springt die Elektromobilität an. Nur so können wir Emissionsziele erreichen“ Matthias Baumgartner

Sind die Reichweitenängste beseitigt, bleibt für viele potentielle Käufer noch die Verfügbarkeit von Ladestationen sowie die Ladezeit. In Deutschland liegt die durchschnittliche Entfernung zur nächsten Ladestation bei 9,6 km, im Vergleich dazu sind es nur 2,8 km bis zur nächsten Tankstelle. Damit die Fahrer von Elektrofahrzeugen nicht Stunden an der Ladestation verbringen zu müssen, will Samsung auch die Ladezeit verringern und setzt dabei auf neue Materialien, die den Widerstand der Zelle verringern. Samsung zieht dabei prismatische Zellen Pouch-Zellen vor. Prismatische Zellen weisen einen niedrigeren elektrischen als auch Wärmewiderstand auf als Pouch-Zellen. Zudem ist die Wärmeentwicklung bei steigender Laderate niedriger, da die Wärme besser abgeleitet wird und sich die Batterie wegen des größeren Kontakts zur Kühlplatte langsamer erwärmt. Zudem fällt die Leistung prismatischer Batterien bei steigender Lebensdauer nicht so stark ab wie bei anderen Batterieformen.

Zweites Leben für Batterien

In seinem Vortrag in Ludwigsburg machte Lee auch darauf aufmerksam, dass Autobatterien sich für einen sekundären Einsatz eignen, sobald sie den End-of-Life-Punkt im Fahrzeug erreicht haben. Ausschlaggebend dafür sind der Zustand der Batterie und die damit zusammenhängende Menge des Energiedurchsatzes. Batterien, die sich für ein „2nd Life“ eignen, können beispielsweise als Ersatzteil, als Zusatzmodule oder als Energiespeichersysteme zum Einsatz kommen.

Den Kundenansprüchen gerecht werden

„Wir müssen eine Reichweite von 500 km erreichen. Erst dann akzeptieren Kunden Batterien emotional“, erklärt Dr. Hanho Lee, Vice President Battery Marketing bei Samsung SDI. Das koreanische Unternehmen geht davon aus, dass Kostengleichheit mit einem Verbrenner bei einem Preis von 80 $/kWh (USA) oder 116 $/kWh (Deutschland) für das Batteriepacket erreicht wird. Für Samsung kommt die Elektromobilität dann erst richtig in Fahrt. „In ungefähr 4 Jahren erreichen wir 80 $/kWh und dann springt die Elektromobilität an. Nur so können wir Emissionsziele erreichen“, meint Lee in seinem Vortrag in Ludwigsburg.

Daimler setzt auf 48 Volt

Michael Weber, Leiter Bordnetze und EBV, erläutert das 48-Volt-Netz von Daimler.

Michael Weber, Leiter Bordnetze und EBV, erläutert das 48-Volt-Netz von Daimler. Matthias Baumgartner

Um ein gänzlich anderes Thema drehte sich der Vortrag von Michael Weber, Leiter Bordnetze und bei Daimler. Im Mittelpunkt stand das 48-Volt-Bordnetz, das bei Daimler erstmalig in der neuen S-Klasse zum Einsatz kommt. Bisher versorgte ein 12-Volt-Bordnetz aus Batterie, Generator und Ritzelstarter die traditionellen Verbraucher, aber mit der steigenden Anzahl an elektronischen Anwendungen stößt es an seine Grenzen. „Die Wünsche der Kunden sind mit dem 12-Volt-Netz nicht umsetzbar“, erklärt Weber in seinem Vortrag. Um den gestiegenen Ansprüchen an das Bordnetz nachzukommen, setzt Daimler auf ein zusätzliches 48-Volt-System, das neben der Versorgung der Verbraucher auch noch Redundanz und damit Ausfallsicherheit bietet.

Das 48-Volt-Bordnetz soll zudem den Start des Fahrzeugs verbessern. Der Integrierte Starter Generator () und der elektrische Zusatzverdichter (eZV) werden über das 48-Volt-System versorgt und sorgen für einen verkürzten und komfortableren Startvorgang. Michael Weber erklärte in seinem Vortrag, dass das 48-Volt-System auch bei abgestelltem die elektrischen Verbraucher versorgt, wie beispielsweise Klimatisierung, Connectivity-Anwendungen oder Over-the-Air-Updates.

48 Volt beim Fahren

Beim Fahrvorgang versorgen sowohl das 12-Volt- als auch das 48-Volt-Netz unterschiedliche Komponenten. Beim Motorstart erfolgt der Energiefluss über das 48-Volt-System zum ISG, dabei ist das 12-V-Netz entkoppelt. Beim Fahren und Coasting sind beide Systeme aktiv. Die Lösung von Daimler besitzt auch die Möglichkeit beim Bremsen die Batterien mittels Rekuperation wieder zu laden. Zudem kann Energie von einem System in das andere transferiert werden.

Versorgt wird das System über ein „Power Pack“, wie Daimler es nennt. Dieses besteht aus Batterie, Wandler und Wasserkühler. Bei der Batterie handelt es sich um eine 48-VBatterie aus Nickel-Mangan-Kobalt-Zellen mit einer Ladungsmenge von 20 Ah. Der DC/DC-Wandler dient als Schnittstelle zum 12-V-Bordnetz.

Mit seiner „EQ“-Strategie setzt Daimler auch in Zukunft auf drei Spannungsstufen: 12 Volt für Sicherheitsanwendungen, 48 Volt für Anwendungen mit hohem Energieverbrauch und Hochvolt für Fahrsysteme.

(prm/tm)

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