Mit den Worten „die Frage der Kostendegression wird bei Batterien in der gesamten Wertschöpfungskette entschieden“ begann  Dr. Wolfgang Bernhart, Partner bei Roland Berger Strategy Consultants GmbH, seinen Vortrag „Die Wertschöpfungskette der Lithium-Ionen-Batterie – Status quo, Trends und Konsequenzen“. Derzeit sei der Lithium-Ionen-Markt etwa 10 Milliarden Dollar groß und eindeutig von den asiatischen Herstellern dominiert. Für Fahrzeuge mit (Teil-)Elektroantrieb sieht er im Jahr 2020 einen globalen Marktanteil von 8 bis 10%, einen Batteriepreis, der „deutlich unter 300 €/kWh im Pack liegt und einen relativ hohen Preis des Übels, der bei 180 $/Barrel liegt“. Daher könne der Gesamtwert für Batteriepacks im Jahr 2020 „in einer Größenordnung von etwa 40 Milliarden Euro liegen“.

Dr. Wolfgang Bernhart (Roland Berger): „Die Wertschöpfungskette bei Lithium-Ionen-Batterien wird sich innerhalb dieser Dekade dramatisch verändern.“

Dr. Wolfgang Bernhart (Roland Berger): „Die Wertschöpfungskette bei Lithium-Ionen-Batterien wird sich innerhalb dieser Dekade dramatisch verändern.“Sabine Hofmann

Er geht davon aus, dass „etwa 2014/2015 bei einer Ausbeute von 98% Best-Costs von knapp 500 $/kWh“ erreicht werden. Etwa 40% der Zellkosten seien dabei reine Materialkosten – und das sei ein echter Hebel zur Kostensenkung. Lithium, Mangan, Nickel und Cobalt verursachten heute in Summe 75 % der Materialkosten bei den Zellen und damit etwa 30 % der Zell-Gesamtkosten.

Dr. Bernhart sieht unter bis 2020 eine „massive Konsolidierung“ bei den Batterieherstellern, wobei die Zellenhersteller als Tier-1s auftreten: „Die Wertschöpfungskette bei Lithium-Ionen-Batterien wird sich innerhalb dieser Dekade dramatisch verändern“, so dass nur noch sechs bis acht meist asiatische Hersteller die OEMs als Tier-1s beliefern werden. Wichtig sei es auch, die Technologie-Dynamik richtig einzuschätzen: „Insbesondere der Prozess der Integration von neuen Zell-Typen muss deutlich schneller passieren; von der Verfügbarkeit einer Zelle bis SOP sollten dann weniger als zwei Jahre vergehen.“

Audis E/E-Leiter Ricky Hudi ergänzte zum Thema Upgrade von Batterien, dass die fünf deutschen OEMs über den VDA sowohl die Zellform und die Zell-Geometrie als auch den Zelltyp – prismatisch mit 5 Ah für die Leistungszelle und 24 Ah bei den Leistungszellen –  standardisiert haben: „wenn ein Hersteller im Laufe des Lebenszyklus’ mehr Energie Inhalt in einer solchen Zelle unterbringt, müssen wir nicht das komplette Batteriesystem umkonstruieren, weil wir das bereits in der Architektur mitberücksichtigt haben.“

Li-Ionen im Q5H

Die „Entwicklung von Lithium-Ionen-Batteriesystemen am Beispiel Q5H“ erläuterte Heinz-Willi Vassen, Leiter Energie-/Speichersysteme bei der Audi AG. Der Q5H verfügt über ein luftgekühltes, 35 kg schweres Batteriesystem, das bei einer Nennspannung von 266 V eine Leistung von 40 kW liefert und einen Energiegehalt von 1,3 kWh aufweist. Die Batterie besteht aus 72 prismatischen 5-Ah-Li-Ionen-Zellen nach VDA-Standard.

Heinz-Willi Vassen: Audi nutzt beim Q5H den SOC-Bereich von 20 bis 80%, wobei unterhalb von 30% sowie oberhalb von 70 % die Leistung beschränkt wird.

Heinz-Willi Vassen: Audi nutzt beim Q5H den SOC-Bereich von 20 bis 80%, wobei unterhalb von 30% sowie oberhalb von 70 % die Leistung beschränkt wird.Sabine Hofmann

Ein fünfstufiges Sicherheitssystem sorgt im Q5H dafür, dass nichts passiert: von der Zelle über den mechanischen Systemaufbau bis zur Systemebene mit Überwachungsfunktionen sowie weiter auf der Systemebene mit präventiver Leistungsreduktion bis zur Fahrzeugebene, wo es um einen sicheren Verbauort geht. So kommt im Q5H eine Lithiumzelle zum Einsatz, die in allen Sicherheitstests „mindestens einen Hazard-Level von 4 garantiert“, so dass die Zelle in keinem Fall brenne oder gar explodiere. „Der mechanische Systemaufbau ist so ausgelegt, dass wir Kettenreaktionen im System unterbinden können“, führt Willi Vassen aus. Auf der Systemebene gebe es mehrere Überwachungsfunktionen basierend auf Strom-, Spannungs- und Temperaturmessungen sowie ein Abschalten bei einem Crash. „Darüber hinaus wird der Zustand der Batteriezelle ständig berechnet und daraus abgeleitet, wie viel Leistung der Batterie noch entnommen werden kann beziehungsweise wie viel Energie noch in die Batterie hinein geladen werden kann, so dass es auch hier nicht zu einer potentiell kritischen Situation kommen kann. Zu guter letzt ist die Batterie über der Hinterachse außerhalb des Crashbereichs verbaut.“ Mit verschärften Tests zusätzlich zu dem Standardtests hat Audi auch weitere potentiell kritische Situationen untersucht.

Audi nutzt hierbei den SOC-Bereich von 20 bis 80%, wobei unterhalb von 30% sowie oberhalb von 70 % die Leistung beschränkt wird. „Das System ist so ausgelegt, dass der Q5H bei -30 °C bei einer Batterie, die einen Ladezustand von 30 % hat, gestartet werden kann.“

Motor und Leistungselektronik

„Elektroantrieb im Automobil: Evolution oder Systemwechsel – Fahrspaß ohne Reue“ betitelte Arno Mathoy, CTO und Leiter Business Development bei der Brusa Elektronik AG seinen Vortrag, der mit seiner profunden Detailfülle sicherlich jedes Techniker-Herz höherschlagen ließ. Gleich zu Beginn konstatierte er: „Ich glaube, der Pfad, den wir heute gesehen haben, endet beim Hybrid; Elektrofahrzeuge mit und ohne Range-Extender erfordern einen Systemwechsel.“

Arno Mathoy (Brusa): „Der Pfad, den wir heute gesehen haben, endet beim Hybrid; Elektrofahrzeuge mit und ohne Range-Extender erfordern einen Systemwechsel.“

Arno Mathoy (Brusa): „Der Pfad, den wir heute gesehen haben, endet beim Hybrid; Elektrofahrzeuge mit und ohne Range-Extender erfordern einen Systemwechsel.“ Sabine Hofmann

Fahrten über längere Distanzen sollten bei entsprechenden Fahrzeugen von Anfang an mit eingeschaltetem Range-Extender erfolgen: „Mit dem Einschalten des Range-Extenders nicht erst warten, bis die Batterie leer ist! Diese Technologie ist zukunftskompatibel, denn man kann auch eine Brennstoffzelle als Range-Extender nutzen. Ich bin davon überzeugt, dass langfristig die induktive Übertragung auf der Straße kommen wird – und das ist ja auch eine Form des Range-Extenders.“

„Während Hybridisierungen den verbrennungsmotorichen Triebstrang weitgehend unangetastet lassen, reduzieren rein elektrische Antriebe die Funktion des Verbrennungsmotors auf eine kontinuierliche Nachschubfunktion elektrischer Energie an die Batterie ohne jegliche Dynamikanforderung“, führt Arno Mathoy weiter aus.

Die Anforderungen an den elektrischen Antrieb ein Elektrofahrzeug mit und ohne Range-Extender unterscheiden sich seiner Meinung nach grundlegend von denen eines Hybridfahrzeugs, „weil bei ununterbrochenem Kraftschluss mit der Antriebsachse die Sicherheit im Fehlerfall zum bestimmenden Auswahlkriterium für die Art der Antriebsmaschine wird“. Vollkommen anders gelagert seien die Prioritäten bei Hybriden, bei denen vor allem der knappe Bauraum zu Typen mit sehr hohen spezifischen Leistungsdaten zwinge.

Ladesysteme für EVs

Gemeinsam informierten ein OEM und ein Tier-1 über „Ladesysteme für Elektrofahrzeuge: Anforderungen und Lösungsansätze“, wobei Axel Willikens, Leiter Vorentwicklung Hardware Leistungselektronik bei der Daimler AG über die Anforderungen berichtete, während Jörg Schwerak, Geschäftsleiter Entwicklung & Engeineering bei der Leopold Kostal GmbH & Co. KG , zeigte, was davon umsetzbar ist.

Axel Willikens (Daimler, rechts) und Jörg Schwerak (Kostal, mitte) mit Dr. Willibert Schleuter: Das induktive Laden ist die Creme de la Creme der Ladesysteme.

Axel Willikens (Daimler, rechts) und Jörg Schwerak (Kostal, mitte) mit Dr. Willibert Schleuter: Das induktive Laden ist die Creme de la Creme der Ladesysteme.Sabine Hofmann

„Wir haben sehr schnell erkannt, dass das Thema kurze Ladezeiten/hohe Ladeleistungen ein wichtiges Kundenfeature ist“, erläuterte Axel Willikens. „Deswegen haben wir uns im Club der deutschen OEMs – Audi, VW, BMW, Porsche und Daimler – schnell zusammengefunden, um eine neue Generation für die Ladeschnittstelle zu vereinbaren.“ Details zu dem neuen Combo-Konzept finden Sie in einem separaten Beitrag auf Seite xxxxx. Diese OEMs haben sich beispielsweise auf einen galvanisch getrennten 3,3-kW-Lader geeinigt, dessen Kosten durch Stückzahleffekte und Design-Anpassungen über die nächsten drei Generationen hinweg um etwa 70 % sinken sollen. Wichtig sei dabei stets ein hoher Lade-Wirkungsgrad von über 90 %.

„DC-Laden wird sich nur mit hoher Nutzungsfrequenz und/oder hohen Zuschlägen auf den Strompreis rechnen“, ist Willikens sich sicher, um dann auf das induktive Laden einzugehen, das die „Creme de la Creme der Ladesysteme“ darstelle sowie „eine angenehme Integration in das Haus des Kunden und in öffentliche Ladestationen bei einfacher Bedienung“ mit einem hohen Wirkungsgrad und geringem Mehrgewicht des Fahrzeugs biete.

Jörg Schwerak zeigte die Details eines induktiven Ladesystems, das über das Nummernschild arbeitet und auf der Fahrzeugseite lediglich Bauteile mit einer Masse von etwa 3 kg benötigt. Der Wirkungsgrad soll bei 3,3 kW als Ziel mehr als 95% betragen und der Datenaustausch zwischen Fahrzeug und Ladevorrichtung auf induktivem Weg möglich sein.

IGBT-Module

Zum Abschluss des Thementages „Elektromobilität“ referierte Dr. Tatsuhiko Fujihihira, Chief Technology Officer Electronic Devices und General Manager Electronic Device Laboratory bei Fuji Electric Co., Ltd. über “Technische Trends und Auswirkungen von IGBT-Modulen auf die Leistungselektronik im Bereich der Elektromobilität”.

Dr. Tatsuhiko Fujihihira (Fuji): In 1 oder 2 Jahren werden wir einen Siliziumkarbid-MOSFET-Chip haben.“

Dr. Tatsuhiko Fujihihira (Fuji): In 1 oder 2 Jahren werden wir einen Siliziumkarbid-MOSFET-Chip haben.“Sabine Hofmann

Dr. Fujihura zufolge ist es möglich, mit mehreren Maßnahmen die Zuverlässigkeit von IGBT-Modulen weiter zu verbessern: „Mit entsprechender Prozesssteuerung und Überwachung können wir die Anzahl der Frühausfälle verringern.“ Durch eine Verbesserung der Modul-Lebensdauer ließen sich die Wear-Out-Failures (nach längerer Betriebszeit) reduzieren und durch Schutzmaßnahmen die zufällig auftretenden Fehler weiter in Grenzen halten.

„In 1 oder 2 Jahren werden wir einen Siliziumkarbid-MOSFET-Chip haben“, führt Dr. Fujihura weiter aus. „Sowohl SiC als auch GaN scheinen einige Innovationen im Bereich Leistungselektronik zu benötigen, um die Kosten dieser Leistungshalbleiter zu kompensieren.“ Außerdem sei eine Kooperation zwischen Leistungselektronik und Leistungsbauteil sehr wichtig, um mehr Innovationen zu realisieren.