Ein durchgängiges und durchdachtes Batterie-Gesamtsystem ist in der Lage, die Herausforderungen der E-Mobilität in Zukunft zu meistern. Dazu müssen Batteriehersteller und OEMs ihre Kompetenzen bündeln.

Ein durchgängiges und durchdachtes Batterie-Gesamtsystem ist in der Lage, die Herausforderungen der E-Mobilität in Zukunft zu meistern. Dazu müssen Batteriehersteller und OEMs ihre Kompetenzen bündeln. (Bild: AdobeStock_279149663_Gorodenkoff)

Ein leistungsfähiges und durchdachtes Batteriesystem ist elementar für die Zukunft einer sicheren, nachhaltigen und wirtschaftlichen Elektromobilität. Dabei sollten OEMs und Batteriezulieferer ihre jeweiligen Kompetenzen bündeln. Dies ebnet den Weg für die Weiterentwicklung praktikabler und performanter Batteriesysteme. Diese Systeme sind kritisch für die Alltagstauglichkeit von E-Autos und somit die Dekarbonisierung des Automobilsektors.

Um diese Anforderungen in die Praxis umzusetzen, müssen Entwickler bei der Konzeption entsprechender Batterielösungendiverse kritische Faktoren im Blick behalten. Im Wesentlichen sind dies vier Aspekte:

  • die Reichweite des E-Autos, die sich aus dem Energieinhalt der Batterie ergibt
  • die Lebensdauer der Batterie
  • schnelle und effiziente Ladeprozesse
  • die Gesamtkosten des Batteriesystems

Ein durchgängiges und durchdachtes Batterie-Gesamtsystem ist am besten geeignet, um diese Herausforderungen passgenau zu adressieren. In einer solchen Lösung sind sämtliche relevante Ebenen wie Zellchemie, Batteriezelldesign, Packsystem und Software optimal aufeinander abgestimmt. Konzeptionell getragen wird dies durch einen systemischen Entwicklungsansatz. Dieser sollte sich präzise an der jeweiligen Fahrzeugarchitektur orientieren.

In einem zukunftssicheren Batterie-Gesamtsystem sind alle relevanten Ebenen wie Zellchemie, Batteriezelldesign und Packsystem aufeinander abgestimmt.
In einem zukunftssicheren Batterie-Gesamtsystem sind alle relevanten Ebenen wie Zellchemie, Batteriezelldesign und Packsystem aufeinander abgestimmt. (Bild: SVOLT)

1000 km Reichweite als realistischer nächster Schritt

Als frühere Business Unit des chinesischen Automobilkonzerns Great Wall Motors greift SVOLT auf einen langjährigen Erfahrungsschatz hinsichtlich Fahrzeug- und Systemintegration zurück. Mit dieser Expertise adressiert der Batteriehersteller die genannten kritischen Faktoren Reichweite, Lebensdauer, Ladeeffizienz und Kosten in einem ausgefeilten Batterie-Gesamtsystem.

Ziel des Unternehmens ist es, in der nächsten Fahrzeuggeneration Energiespeicherfür Fahrzeuge mit über 1000 km Reichweite zu realisieren. Durch enge Kooperation zwischen OEMs und Batterielieferanten werden die passenden Lösungen bereitgestellt, die im Sinne eines holistischen Ansatzes alle Ebenen wie Zellchemie, Zelldesign und Packintegration passend auslegen. Das erhöht die Energiedichte kontinuierlich und maximiert die Reichweite. Der Weg hierzu kann auch über Festkörperbatterien führen, die die nächste Generation der Li-Ionen Batterietechnologie darstellen. Investitionen in diese Technologie tragen dazu bei, Reichweite und Sicherheit von E-Autos entscheidend zu steigern. Dies stärkt mittelfristig auch deren Wettbewerbsfähigkeit gegenüber Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor.

Investitionen in Technologien wie Festkörperbatterien tragen dazu bei, Reichweite und Sicherheit von E-Autos zu steigern.
Investitionen in Technologien wie Festkörperbatterien tragen dazu bei, Reichweite und Sicherheit von E-Autos zu steigern. (Bild: AdobeStock_471622168_Love Employee)

E-Autos so schnell betanken wie Verbrenner

Bei Betrachtung der Usability der Ladeprozesse gilt die Maxime: Je kürzer, desto besser. Daher haben sich die Hersteller zum Ziel gesetzt, die Zeit für eine komplette Ladung in der nächsten Batteriegeneration auf zwölf bis zehn Minuten zu verringern. So benötigen Autofahrer dafür nicht wesentlich länger als für das herkömmliche Betanken eines Verbrenners. Begünstigen lässt sich dieses Ziel etwa durch die geeignete Wahl der Materialien der Batterie. Wichtig sind dabei die richtige Zellchemie, ein optimiertes Design auf Zell- und Pack-Ebene sowie größere Module. Wird auf Module komplett verzichtet, werden die damit verbundenen „Verpackungsmaterialien“ des Moduls minimiert. Dadurch lässt sich die thermische Anbindung der Zellen an die Kühlplatte bzw. das Kühlsystem signifikant verbessern.

Bei der Materialauswahl setzt SVOLT zudem auf Nachhaltigkeit: So verzichtet der Hersteller in NMX-Zellen (Nickel-Mangan-Zellchemie) vollständig auf das umstrittene und vergleichsweise knappe Kobalt. Dies steigert nicht nur die Sicherheit, sondern senkt auch die Kosten der Batterie deutlich.

Software überwacht Performance und Sicherheit der Batterie

Neben der Hardware hat auch die Software eine hohe Bedeutung für die Leistungsfähigkeit eines Batterie-Gesamtsystems. So sollte sich mit den Software-Features sowohl der aktuelle Ladezustand (State-of-Charge / SOC) als auch die Batteriealterung (State-of-Health / SOH) exakt messen lassen. Ausgefeilte Algorithmen sollten stetig und präzise Auskunft über die Performance entlang des gesamten Lebenszyklus der Batterie geben. Zudem ist es wichtig, potenzielle Sicherheitsrisiken während der kompletten Betriebsdauer verlässlich und rechtzeitig zu identifizieren. Dadurch können frühzeitig wirksame Gegenmaßnahmen in Gang gesetzt und somit teure Schäden verhindert werden. Die Monitoring-Software von SVOLT etwa enthält mehr als 20 Algorithmen, die kritische Batteriedefekte bereits Monate im Voraus prognostizieren können.

Darüber hinaus sollte die Software auch in der Lage sein, realistische Vorhersagen über den Restwert des Batteriesystems am Ende der Lebensdauer im Fahrzeug zu treffen. Dabei erheben und aggregieren die Systeme von SVOLT während des gesamten Lebenszyklus – vom frühen Entwicklungsstadium bis zum After-Sales – große Datenmengen. Diese bilden die Grundlage für eine umfangreiche Fehler-Datenbank. Damit lassen sich die Performance und Sicherheit der unterschiedlichen Batteriekonzepte kontinuierlich überwachen und auch wertvolles Feedback aus dem Feld für Folgegenerationen erschließen. Weiter verbessert wird die Präzision der Batterieanalysen und Prognosen mittels durchdachter Algorithmen auf Basis von künstlicher Intelligenz und Funktionen für maschinelles Lernen.

Durch die LCTP-Integrationstechnologie mit langen prismatischen Batteriezellen lassen sich die volumetrische und die gravimetrische Energiedichte deutlich steigern.
Durch die LCTP-Integrationstechnologie mit langen prismatischen Batteriezellen lassen sich die volumetrische und die gravimetrische Energiedichte deutlich steigern. (Bild: SVOLT)

E-Mobility: Batterie und Sicherheit

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(Bild: AdobeStock_277540900)

Wie entstehen bessere E-Auto-Batterien und sind sie sicher? Bewährte und neue Batterietechnologien von Entwicklung bis Recycling, Brandschutz von Simulation über Materialien bis Batteriemanagement und Safety-Konzepten, sowie Testverfahren von EMV bis Sicherheit. Die Technologien dahinter finden Sie hier.  

Cell-to-Pack-Architektur steigert Performance

SVOLT kann dank seiner Erfahrung in puncto Fahrzeugintegration die Entwicklung elektromobiler Konzepte ganzheitlich unterstützen. OEMs profitieren dadurch von sehr guten Performance-Werten der Batteriesysteme und können obendrein Kosten einsparen. Beispielsweise lässt sich durch die LCTP-Integrationstechnologie, also Cell-to-Pack (CTP) mit langen prismatischen Batteriezellen (L-type) die gravimetrische Energiedichte um rund zehn Prozent und die volumetrische Energiedichte um bis zu 20 Prozent steigern. Gleichzeitig wird etwa ein Viertel weniger an Komponenten benötigt, was die Materialkosten um mehr als zehn Prozent senkt.

Darüber hinaus punktet die Cell-to-Pack-Architektur mit weiteren Vorteilen: Das LCTP-Design lässt sich relativ frei skalieren und exakt an unterschiedliche Radstände und Fahrzeugsegmente anpassen. Dadurch ist es auch möglich, den Energiegehalt der Batterie und das Gewicht des Fahrzeugs flexibel zu variieren. Verantwortliche in der Entwicklung profitieren damit von einer agilen Anpassungsfähigkeit an neue Zellchemien, einer hohen Kosteneffizienz, einem hohen Maß an Standardisierung sowie Skaleneffekten in der gesamten Plattform. So lässt sich eine maximale Performance des gesamten Hochvoltsystems hinsichtlich Ladung, Verbrauch und Leistung erzielen.

Um schließlich die Risiken der batteriebetriebenen Elektromobilität auf ein Minimum zu reduzieren, spielt auch die Sicherheit der E-Autos eine wichtige Rolle. Diese müssen ein Höchstmaß an Crash-Festigkeit gewährleisten, um einen möglichen Batteriebrand wirksam zu verhindern. Eine maximale Crash-Festigkeit lässt sich in erster Linie durch umfangreiche digitale Simulationen sowie mit echten Versuchsträgern im Experiment sicherstellen. Dabei führen die Batteriehersteller die definierten Crash-Lastfälle in der Entwicklungsphase auf allen Ebenen, also Zelle, Batteriesystem und Gesamtfahrzeug, aus.

Fazit

Die weitere Steigerung der Performance von Batteriesystemen in E-Fahrzeugen stellt die Entwickler von Batterietechnologienund E-Fahrzeugen vor gemeinsame Herausforderungen. Entscheidend ist ein durchdachtes und intelligentes Batterie-Gesamtsystem, das alle relevanten Ebenen wie Batteriezelle, Modul, Packsystem und Software perfekt ins Fahrzeug integriert. Ziehen OEMs und Batteriehersteller dabei an einem Strang, profitieren Verbraucher von noch leistungsfähigeren Lösungen hinsichtlich Sicherheit, Reichweite und optimierter Ladeprozesse. (na)

Dr. Dominik Lembke, SVOLT

Dr. Dominik Lembke

Director Product Development Europe bei SVOLT Energy Technology Europe

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