Batteriepack eines E-Autos

Ist das E-Auto und vor allem die Hochvolt-Batterie sicher und wie lassen sich Batteriebrände von vornherein verhindern? Hier finden Sie die technologischen Hintergründe zu Batterie-Technologien, Safety-Konzepten zum Schutz der Batterie und zu den Systemen, die die Batterie überwachen und bei Gefahr rechtzeitig eingreifen. (Bild: Adobe Stock – Sergii)

Die Batterie, heute meist in Lithium-Ionen-Technologie, ist die zentrale und auch teuerste Komponenten im E-Auto. Die Batterien in E-Autos sollen eine hohe Energie- und Leistungsdichte aufweisen und dabei langlebig und vor allem sicher sein. Die am häufigsten vorkommenden Zellformate bei Lithium-Ionen-Batterien sind Rundzellen, prismatische Zellen und Pouch-Zellen.

Für Diejenigen, die sich nur über einen bestimmten Aspekt der Batterien in E-Autos informieren möchten, haben wir hier ein Inhaltsverzeichnis, welches Sie zum entsprechenden Textabschnitt bringt.

Warum können Lithium-Ionen-Batterien in E-Autos brennen?

Während in Hybrid-Fahrzeugen eher kleinere Batteriemodule verbaut sind, können die Batterien in rein elektrischen Fahrzeugen durchaus ein Gewicht von 800 kg erreichen. Bei einem Batteriebrand wird also schnell das ganze Fahrzeug zerstört. Die Batterien in Lithium-Ionen-Technologie enthalten einen flüssigen Elektrolyten, der bei Überhitzung die Zellen zum Bersten bringen kann und sich entzündet. Bei Überhitzung können sich die Zellen gegenseitig anstecken und das ganze Batteriepack kann Feuer fangen. Dieses Phänomen nennt sich thermisches Durchgehen oder Thermal Runaway.

Prinzipielle Aufbau einer E-Auto-Batterie
Prinzipielle Aufbau einer E-Auto-Batterie (Bild: Merkle & Partner)

Was ist ein Thermal Runaway in einem Batteriepack?

Ein Thermal Runaway in einem Batteriepack kann mehrere Ursachen haben. Bei mechanischen Einwirkungen von außen, wenn beispielsweise Material in das Batteriepack eindringt, kann ein interner Kurzschluss entstehen. Verformt sich gar die ganze Batterie durch einen Aufprall, kann ein äußerer Kurzschluss entstehen, der zum Thermal Runaway führt. Aber auch bei einem Überladen des Akkus über die vom Hersteller geforderte angegebene Maximalspannung hinaus, wie auch bei zu hohen Strömen beim Laden oder Entladen bzw. beim Überentladen, wird dem Thermal Runaway eine Grundlage geboten. Die mechanische, wie thermische Stabilität des Akkus ist von herausragender Bedeutung, um die Batterien sicher und stabil zu machen.

Wärmebildaufnahme eines Thermal Runaways einer Li-Ion-Batterie

Wie läuft ein Thermal Runaway einer Lithium-Ionen-Batterie ab?

Die Abfolge eines Batteriebrandes geschieht in folgenden Schritten: Bei 70 °C kommt es zur Selbsterhitzung der Graphit-Anode und des Elektrolyten. Tiefsiedende Bestandteile im Elektrolyten beginnen ab 80 °C zu verdampfen und führen zum Druckaufbau, der die Zelle bersten lassen kann. Ab 130 °C schmilzt der Separator aus PE, PP oder PE/PP (Verschluss der Poren) und es kommt aufgrund des Kurzschlusses zu einer zusätzlichen Erwärmung. Bei 250 °C reagiert das Kathodenmaterial exotherm mit dem Elektrolyten (Zersetzung). In der Zelle steigt der Druck durch die Verdampfung und Zersetzungsgase. Das Zellgehäuse bläht sich auf, bei Öffnung des Gehäuses treten zündfähige Zersetzungsgase aus. Ab 600 °C zersetzen sich die Kathodenmaterialien (bei einigen Materialien kann dies auch schon bei 200 °C geschehen) und ändern ihre Kristallstruktur. Dabei wird Sauerstoff freigesetzt und es kommt innerhalb kürzester Zeit zum Zellbrand und zum thermischen Durchgehen. Bei 660 °C schmilzt der Aluminium-Stromableiter. Es kann zur Freisetzung von Graphit und damit zu einer Staubexplosion kommen. Die Temperatur steigt weiter an und die Aluminiumfolie der positiven Elektrode beginnt zu brennen (Metallbrand).

E-Mobility: Laden

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(Bild: AdobeStock_39293318)

Wo und wie lässt sich ein E-Auto aufladen? Welche Leistungselektronik steck in einer Ladesäule? Wie wird die Ladesäule intelligent? Halbleiter, Hochvolt-Komponenten, Stecker, Kabel, Wallboxen, Kommunikation, Infrastruktur, Standards, Services und mehr. Die Technologien dahinter finden Sie hier.

Wie lässt sich ein Thermal Runaway vorhersagen oder simulieren?

Durch die vielen Einflussfaktoren, die Unbeherrschbarkeit der Kettenreaktion und die Geschwindigkeit der Reaktion sind normale Versuchsaufbauten kaum dazu geeignet, erkenntnisreiche Informationen über den Thermal Runaway zu liefern. Daher ist der Einsatz ingenieurswissenschaftlicher Simulationstechnologien in diesem Bereich eine wertvolle und vor allem detailreiche Hilfestellung. Mit einem geeigneten Simulationswerkzeug lässt sich das Verhalten solcher Batteriepacks bei Defekten – etwa durch interne Kurzschlüsse, elektrische Überlastung oder mechanische Beschädigungen – ermitteln und zur schnelleren Entwicklung sicherer Batteriesysteme nutzen.

Simulation zur Temperaturverteilung in einer gekühlten Batterie
Simulation zur Temperaturverteilung in einer gekühlten Batterie (Bild: Merkle & Partner)

Wie lassen sich Batterien in E-Autos überwachen?

Ein Batteriemanagement-System (BMS) überwacht und koordiniert den Ladezustand (State-of-Charge, SOC) einer Anordnung aus mehreren Batteriezellen. Wenn es sich um große Batteriesätze mit hoher Spannung handelt, ist ein präzises Überwachen der Parameter sowohl der einzelnen Zellen als auch des gesamten Batteriesatzes entscheidend, um einerseits eine maximale Batteriekapazität zu erzielen und andererseits für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb zu sorgen. Je exakter das BMS arbeitet, umso mehr Energie kann aus der Batterie entnommen werden, was wiederum die Reichweite des Fahrzeugs erhöht. Zusätzlich wird die Gesamtlebensdauer der Batterie maximiert, und die Gesamtkosten verringern sich. Das BMS ist also essenziell wichtig für die Sicherheit der Batterie und damit auch für die Insassen. Daher muss es auch selbst vor Überspannungen oder anderen Fehlerzuständen geschützt werden.

E-Mobility: Reichweite

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(Bild: Adobe Stock 204728350, Hüthig)

Wie lässt sich die Reichweite eines E-Autos erhöhen? Höherer Wirkungsgrad durch die richtigen Halbleiter, geringeres Gewicht durch Leichtbau und intelligente Fahrweise sorgen für mehr Reichweite. Welche Technologien dahinter stecken, erfahren Sie hier.

Gibt es drahtlose Batteriemanagement-Systeme für Elektrofahrzeuge?

Angesichts der starken Nachfrage nach E-Autos suchen Hersteller nach Möglichkeiten, um deren Leistungsfähigkeit zu verbessern. Ein besonderes Interesse gilt dabei dem Batteriemanagement-System, das leitungsgebunden oder wireless umsetzbar ist.

In einer leitungsgebundenen BMS-Lösung ist es durch Daisy-Chaining der einzelnen Batteriemonitore mithilfe eines Twisted-Pair-Kabels möglich, die aus jedem einzelnen Batteriezellen-Modul gesammelten Daten weiterzuleiten. Im Gegensatz zu einem leitungsgebundenen BMS wird bei einer kabellosen Lösung eine drahtlose Kommunikations-Schnittstelle verwendet.

Kabellose BMS-Lösungen verringern nicht nur die Abmessungen, das Gewicht und die Materialkosten von Elektrofahrzeugen, sondern lassen auch ein Montieren oder Demontieren von Akkusätzen durch Roboter zu, was mehr Sicherheit bietet und besser skalierbar ist. Gerade wenn eine E-Auto-Batterie ins Recycling oder in eine Second-Life-Anwendung überführt wird, ist der Aufwand bei der Demontage der Batterie mit drahtlosen Lösungen deutlich geringer.

Demo eines drahtlosen Batteriemanagement-Systems von Texas Instruments

Wie lässt sich die Lebensdauer der Batterie in Elektrofahrzeugen erhöhen?

Li-Ionen-Akkus unterliegen wie andere Akkutypen auch beim Laden und Entladen einem Abnutzungsprozess, der auf chemische Veränderungen zurückzuführen ist. Beim Li-Ionen-Akku besteht die Anode aus einer Kupferfolie, die mit Kohle oder einer Graphitverbindung beschichtet ist. Die Kathode besteht aus einer Lithiumverbindung. Der zwischen den Elektroden liegende Elektrolyt ist ein gelöstes Lithiumsalz. Je nachdem ob der Elektrolyt flüssig oder fest ist, ist von Li-Ionen- oder Li-Polymer-Akkus die Rede.

Das IU-Ladeverfahren, das bei solchen Zellen zum Einsatz kommt, arbeitet mit Konstantstrom (Constant Current, CC) und Konstantspannung (Constant Voltage, CV). Wie die Lebensdauer hängt auch die Ladezeit von diversen Faktoren ab, bei höheren Ladeleistungen vor allem von der Temperatur. Kurze Ladezeiten respektive hohe Ladeströme wirken sich belastend auf das Elektrodenmaterial aus, sodass Lebensdauer und Zyklenzahl sinken. Schonendes Laden/Entladen verlängert die Lebensdauer massiv. Ein ausgewogenes Laden der Zellen nennt sich auch Battery Balancing und lässt sich passiv oder aktiv durchführen. Aktive Balancer sind viel komplexer als passive Balancer, aber sie sind effizienter. Sie realisieren einen Ladungstransfer von Zellen untereinander: Dabei übertragen sie Energie von Zellen mit höherer Ladung auf solche mit niedrigerer Ladung.

Battery Impact Test

Wie lassen sich Fehler im Batteriesystem eines Elektrofahrzeugs frühzeitig finden?

Die Fähigkeit des Batterie-Systems, das Fahrzeug effizient und sicher zu laden und anzutreiben, ist für die Funktionalität des EV von entscheidender Bedeutung. Daher ist es wichtig, dass die Batterie rigorosen Tests unterzogen wird, um ihre Funktionstüchtigkeit und Leistungsabgabe zu überprüfen. Die Entwickler setzen zunehmend auf die Batterieemulation, um eine Leistungsvalidierung und die Erkennung von Frühausfällen zu ermöglichen.

Da ein EV extremen Temperaturschwankungen, Vibrationen und Feuchtigkeit ausgesetzt ist, müssen diese Onboard-Energie-Subsysteme in der Lage sein, solchen Umweltbedingungen standzuhalten. Die Ingenieure verwenden die Emulation zur Imitation von Hochleistungsbatterien und zur Untersuchung der Auswirkungen der Batterieleistung auf verschiedene Prüflinge (DUTs) unter verschiedenen Bedingungen.

Um den Kapazitäts- und Innenwiderstandsverlauf der E-Auto-Batterie bis zum End of Life (EOL) abzubilden, ist eine Testdauer von mehreren Monaten oder sogar Jahren erforderlich. Eine Modellierung jeglicher Betriebsbereiche ist daher nur bedingt möglich. Eine mögliche Lösung für diesen Zielkonflikt ist ein digitaler Zwilling der Batterie, der sich mit speziellen Softwares erstellen lässt. Dieser stellt im Wesentlichen ein modellbasierendes Abbild der realen Fahrzeugbatterie in der Cloud dar, das kontinuierlich Daten aus der Anwendung zugeführt bekommt.

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Transparentes E-Auto mit Blick auf die Batterie über dem Logo der Fachzeitschrift E-Mobility-tec
(Bild: Hüthig)

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Brennt ein E-Auto schneller als ein Verbrenner?

Die Brandlast eines Lithium-Ionen-Akkus lässt sich anhand der Gewichtsanteile der einzelnen in der Batterie verbauten Bestandteile bestimmen. Beim Tesla Model S wiegt das 100-kWh-Akku-Pack 750 kg. 100 kWh entspricht 360 MJ. Die gewichtsspezifische elektrische Energiedichte liegt somit bei 360 MJ/750 kg = 0,48 MJ/kg. Die Brandlast der Batterie liegt bei etwa 3600 MJ und ist um etwa das zehnfache größer als die elektrochemische Energie. Vergleich: In einer Tankfüllung mit 60 l Diesel stecken etwa 2400 MJ. Die Brandlast eines E-Fahrzeugs ist daher bezogen auf den Energiespeicher (Tank, Batterie) etwa um 50 Prozent höher.

Schwerpunktthema: E-Mobility

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(Bild: Adobe Stock, Hüthig)

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Wie lässt sich die Batterie eines E-Autos vor Feuer und Umwelteinflüssen schützen?

Für die Sicherheit der Batterie in E-Autos wurden in den letzten Jahren viele Safety-Konzepte erarbeitet. Ein primärer Schutz gegen die Außenwelt, also gegen Spritzwasser oder Steinschlag, ist der Batteriedeckel. Der Deckel schützt jedoch auch die Insassen des E-Autos im Falle eines Zellbrandes, indem er für eine gewisse Zeit durchbrandsicher ist. Mit ausgeklügelten Tests lässt sich diese Durchbrandsicherheit nachweisen, auch wenn der Deckel aus Leichtbau-Materialien besteht.

Auch Batteriekästen, also die Gehäuse, in denen die Batteriezellen und die zugehörige Elektronik untergebracht sind, tragen zur Sicherheit der Batterie bei. Dabei sind vor allem die Fügeprozesse bei der Montage der Gehäuse sehr sorgfältig zu gestalten, sodass das Batteriegehäuse auch im Crash-Fall nicht zerstört wird. Auch bei der Zellkontaktierung ist äußerste Sorgfalt gefragt. Hier sind High-Tech-Spezialklebstoffe verfügbar, die für eine sichere Kontaktierung sorgen.

Wichtig ist auch die Abdichtung des Batteriegehäuses, sodass weder Schmutz noch Wasser in die Batterie gelangen. Hier stellt der Übergang zum Skateboard-Design der Batterien eine Herausforderung dar, vor allem auch was die dynamischen Belastungen angeht. Hierfür gibt es großformatige Dichtungen, die sowohl statische als auch dynamische Belastungen abfangen können.

Test zur Feuerfestigkeit einer Li-Ion-Batterie für eine E-Auto
So sieht es aus, wenn eine E-Auto-Batterie auf ihre Feuerfestigkeit in einem Kraftstoffbad getestet wird. Der Test gehört zum Prozedere, das für die Typenzulassung bei einem technischen Dienst durchgeführt wird. (Bild: Phoenix Testlab)

Wie werden E-Auto-Batterien getestet?

Die Prüfung von Lithium-Ionen-Batterien ist auf Zellen-, Modul- und Akkupack-Ebene möglich, aber auch komplette Antriebseinheiten und Batteriemanagement-Systeme (BMS) lassen sich analysieren. Dabei ist es wichtig, die enorme Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien und die damit verbundene Gefahr eines Thermal Runaway technisch in den Griff zu bekommen.

Die Prüfung von Batterien für Elektrofahrzeuge erfordert, dass sich der Prüfer mit allen relevanten Normen auskennt und weiß, wie diese sicher in Prüflösungen umzusetzen sind. Neben der übergeordneten Auotmotive-Norm LV124 spielen hier unter anderem die UN38.3 und OEM-spezifische Standards eine wichtige Rolle.

Die Prüfung von Batteriemodulen und -packs ist für die Beurteilung des Zustands und der Leistungsfähigkeit der Batterie von entscheidender Bedeutung. Dies umfasst Messungen des Ladezustands (SoC), der Entladungstiefe (DoD), des DCIR und des Gesundheitszustands (SoH). Es erfolgen auch Tests, um die Leistung der elektronischen Komponenten und Systeme, die an die Batterie angeschlossen sind, zu beurteilen.

Die Batterietests auf der Modul-Ebene umfassen gewöhnlich Lade- und Entladetests, um sicherzustellen, dass die Zellenanschlüsse ausreichend fest und dick sind, um die erwarteten Strombelastungen ohne Schwächung, Versagen oder Überhitzung zu bewältigen. Zusätzliche Tests können erfolgen, um sicherzustellen, dass der Ladezustand der einzelnen Zellen ausgeglichen ist, die Meldung der Spannungen korrekt geschieht und die Temperatursensoren wie erforderlich funktionieren.

Zur Prüfung der E-Auto-Batterie ist auch die Überprüfung der Dichtheit des Batteriepacks notwendig. Es gibt mehrere Prüfmethoden, mit denen sich Batterien für die E-Mobilität in einem End-of-Line-Test auf Dichtheit prüfen lassen. Gemäß der Norm 1779 wird die Dichtheit eines Objekts mittels Messung der Gasleckagerate bestimmt. Dabei wird die Dichtheit als Strömungsrate eines Fluids in ein Prüfobjekt oder aus einem Prüfobjekt heraus beschrieben. Alternativ erfolgt die Angabe der Dichtheit – bezogen auf ein Gas – als Änderung des Druckes mit der Zeit unter definierten Bedingungen. Aber auch für die Batteriezellen selbst gibt es Verfahren, sie auf Dichtheit zu prüfen. Dies geschieht, bevor sie zu Modulen und Packs montiert werden.

Braucht eine Elektroauto-Batterie eine Typenzulassung?

Irgendwann kommt jeder Hersteller an den Punkt, an dem Typgenehmigung ein Thema wird. Häufig stellt sich dann die Frage: Ist für das Produkt zur Inverkehrbringung innerhalb und/oder außerhalb der Europäischen Union eine Typgenehmigung notwendig? Wichtig ist dabei auch die Auswahl des richtigen Technischen Dienstes.

Die Typengenehmigung kann die Herstellung von Gesamtfahrzeugen, Systemen, Bauteilen oder selbständigen technischen Einheiten betreffen. Sofern der Hersteller bereits als Profi in diesem Metier unterwegs ist, kann er die Frage nach der Notwendigkeit der Typengenehmigung leicht beantworten: Mit ja, nein oder vielleicht.

Die Typgenehmigung (Homologation) findet in einem Dreiecksverhältnis zwischen Hersteller (Typgenehmigungsinhaber), einem benannten Technischen Dienst wie Phoenix Testlab und einer Genehmigungsbehörde, z.B. dem Kraftfahrt-Bundesamt/Flensburg, statt. Bevor ein Hersteller legitimiert ist von einer Genehmigungsbehörde eine Typgenehmigung zu erhalten, müssen bestimmte Voraussetzungen im Hinblick auf sein Qualitätsmanagement-System und der sogenannten genehmigungsrelevanten Anforderungen (GRA) erfüllt sein.

Wie wird eine E-Auto-Batterie recycelt?

Unterschreitet eine E-Auto-Batterie einen bestimmten State of Health (SOH), ist sie im Elektrofahrzeug nicht mehr als Energiespeicher geeignet. Sie kann danach zwei Wege gehen: ein zweites Leben (Second Life) in einem stationären Energiespeicher oder sie geht ins Recycling. Für das Second Life ist es wichtig, den SOH schnell zu erfassen, um die verbleibende Kapazität der Batterie zu bestimmen.

Das Recycling von E-Auto-Batterien ist ein stark wachsender Markt, da mittlerweile genügend Altbatterien zur Verfügung stehen. Aber noch immer sind die Recycling-Verfahren nicht ausreichend nachhaltig. Daran wird derzeit in Deutschland, europa- und weltweit massiv geforscht. Beim Recycling werden vor allem die Rohmetalle wie Kobalt, Nickel und Mangan zurückgewonnen. Besonders mit Blick auf Rohstoffknappheit bei Kobalt ist dies auch für die Recycling-Unternehmen lohnend.

Gibt es E-Auto-Batterien ohne Kobalt?

Batteriehersteller setzen für leistungsstarke Lithium-Ionen-Zellen in der Regel auf Kathoden aus einer Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Verbindung (NCM). Einerseits ermöglicht das Nickel eine hohe Energiedichte, andererseits macht es die chemische Struktur der Kathode instabil. Um den damit verbundenen nachteiligen Effekten für die Sicherheit der Batterie entgegenzuwirken, wird das Kathodenaktivmaterial neben Mangan auch mit Kobalt angereichert. Das Schwermetall Kobalt ist jedoch aus mehreren Gründen kritisch: es ist nicht nur ein toxisches, sondern auch ein seltenes und damit kostspieliges Material. Neben Nickel ist Kobalt die teuerste Komponente einer Batteriezelle. Weltweit betragen die bekannten Kobalt-Reserven nur rund 25 Millionen Tonnen, mit dem größten Vorkommen in der Demokratischen Republik Kongo (60 Prozent des Gesamtvorkommens) und in Sambia. Das macht das knappe Kobalt neben Nickel zum teuersten Teil einer Batteriezelle. Daher gibt es viele Bemühungen, kobaltfreie E-Auto-Batterien herzustellen und bereits erste Zellen auf dem Markt.

Die Autorin: Dr.-Ing. Nicole Ahner

Die Autorin: Dr. Nicole Ahner
(Bild: Hüthig)

Ihre Begeisterung für Hardcore-Physik und Materialentwicklung sorgte dafür, dass sie im Rahmen ihres Elektrotechnik-Studiums ihre wahre Berufung fand, die sie dann auch ins Zentrum ihres beruflichen Schaffens stellte: die Mikroelektronik und die Halbleiterfertigung. Nach Jahren in der Halbleiterforschung recherchiert und schreibt sie mittlerweile mit tiefem Fachwissen auch über elektronische Bauelemente. Ihr besonders Fables gelten Wide-Bandgap-Halbleitern, Batterien und Wasserstoff-Technologien und Materialentwicklung.

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