Das Battery-in-Motion-Konzept basiert auf einem flexiblen Akkustecksystem. Der Fahrer muss nur so viele Akku-Module mitnehmen, wie er für die geplante Strecke benötigt.
CTE
Battery in Motion nennt sich das Batteriekonzept, an dem das Unternehmen CTE derzeit arbeitet. Das Konzept basiert auf einem flexiblen Akkustecksystem: und das bedeutet, dass der Fahrer entscheidet, wie viel Speicherkapazität er braucht. Je nach gewünschter Reichweite lässt sich der Akku entsprechend vergrößern oder verkleinern. Darüber hinaus eignet sich dieses System in der Zweitverwendung hervorragend als dezentraler Energiespeicher, beispielsweise für die private Photovoltaikanlage.
Die bekannten herkömmlichen E-Mobilitätssysteme basieren auf einer großen zu erzielenden Reichweite, zur Zeit circa 130 bis 200 km, mit einer im Fahrzeug fest integrierten entsprechend großen Batterie. Diverse Studien zeigen jedoch, dass über 85 Prozent der täglichen Fahrten zwischen 25 und 60 km betragen. Bei diesen Fahrten werden also 2/3 der mitgeführten Energie nicht genutzt, gibt das Unternehmen CTE zu bedenken. Es gebe zudem zur Zeit keine Zweitverwendung für die verbrauchten Batterien. Und hier setzt das neue Konzept von CTE an.
Lithium-Ionen-Zellen in Coffee-bag-Bauweise
Das Battery-in-Motion-Batteriemodul enthält Lithium-Ionen-Zellen in sogenannter Coffee-bag-Bauweise mit einer Leistung von 0,6 kWh. Die Modulgröße beträgt 30 mal 16 mal 12 cm, bei einem Gewicht von 6,5 kg. "Die Lithium-Zellen sind in Reihe zu 50 V Ausgangsspannung verschaltet", erläutert CTE-Entwicklungsingenieur Sebastian Pricker. "In einer ersten Ausbaustufe sind 0,6 kWh geplant", berichtet Pricker. Für eine Reichweite von 10 km werde eine Energie von 1,5 kWh benötigt. Durch Zusammenarbeit mit einem Zellhersteller soll die Leistung und Energiedichte gesteigert werden, um diese Reichweite mit einem Akkumodul zu ermöglichen.
Das Gehäuse und der innere Aufbau der Module bestehen aus Kunststoff und Aluminium. Vorteilhaft daran sei einerseits die leichtgewichtige Konstruktion sowie andererseits die optimale Wärmeabfuhr durch ein integratives Gehäusekonzept in dem das Gehäuse als Kühlkörper dient. Dadurch entfällt ein separater Flüssig-Kühlkreislauf.
Das geplante Fahrzeugkonzept ist bei CTE mit einer Dockingstation ausgestattet, an die die handlichen Akkumodule sukzessiv angeschlossen werden können. Die Akkumodule werden platzsparend unterhalb des Kofferraums oder im vorderen Teil des Fahrzeugs platziert und können leicht getauscht werden. Die Akkumodule können, wie erwähnt, je nach gewünschter Reichweite eingesetzt oder entnommen werden. Das reduziert, wie die Entwickler weiter verraten, die Kosten für das Elektroauto erheblich. Schließlich müsse kein überdimensionierter Akku mitgeführt werden. Hier werde das Konzept für die Nutzer interessant, die ausschließlich kurze Strecken oder zumindest ein überschaubares Streckenprofil fahren möchten.
Dockingstation: mechatronische Schnittstelle
Mithilfe eines Stecksystems werden die Akkumodule mechanisch und elektronisch mit der Dockingstation verbunden. Die mechatronische Schnittstelle erlaubt eine einfache und sichere Montage an eine große Anzahl von Verbraucher, wie E-Fahrzeuge, Pedelecs, E-Roller oder dezentrale Stromspeicher mit entsprechender Aufnahme. Die Akkumodule werden je nach Einsatzzweck in verschiedenen Leistungsklassen und Größen angeboten.
Durch das Zusammenstecken von mehreren Modulen lässt sich die Kapazität des Energiespeichers steigern. Jedes Akkumodul speichert die Nutzungsdaten, wie zum Beispiel die abgegebene Leistung, die Anzahl und Art der Verwendungen, Zelltemperatur und ebenfalls die Zyklenzahl in einer persönlichen Nutzungshistorie, im internen Speicher des Batteriemanagementsystems (BMS). Mit einem solchen BMS ist jedes Modul ausgerüstet, erläutert Pricker. Nach jedem Wechsel oder Ändern der Modulkonfiguration wird, ähnlich eines Plug-und-Play-Systems, die neu entwickelte Software gewisse Routinen abarbeiten, welche Grundlage für die intelligente Steuerung bilden. Ziel sei, so Pricker, auf diese Weise den Alterungszustand des Akkus vorherzusagen und je nach Anwendung effizient zu nutzen.
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Wechsel an der Dockingstation
"Die Basis einer Wechsel-, Lade- oder Entladeeinheit ist das Dock", erläutert der CTE-Entwicklungsingenieur. Je nach Größe bestehe sie aus einem oder mehreren, zum Akkumodul kongruenten Stecksystem. Aufgrund der Bauweise des Stecksystem ist es möglich, weitere Akkumodule an bereits angeschlossene Module zu stecken.
Als Herzstück bezeichnet Pricker das Akkumodulmanagement, das die angeschlossenen Akkumodule automatisch erkennt. "Wird ein Akkumodul angeschlossen, werden über eine CAN-Bus Verbindung alle Informationen aus dem internen Speicher des Akkumoduls ausgelesen. Die Dockingstation weiß dann nicht nur über den Ladezustand (SOC) und Alterungszustand (SOH) bescheid, sondern auch ob das Akkumodul in der letzten Zeit stark beansprucht wurde." Dies spiele eine wichtige Rolle in der intelligenten Nutzung der Akkumodule: "Akkumodule die in der Vergangenheit stark beansprucht wurden, werden nun weniger stark belastet, während frische Akkumodule für größere Leistungen freigegeben werden können."
Akkumodule einzeln aktivieren oder deaktivieren
Befinden sich viele Akkumodule an der Dockingstation, können je nach Leistungsanforderungen einzelne Akkus aktiviert und deaktiviert werden. Dies passiere innerhalb von sekundenbruchteilen durch FET's im DC/DC-Wandler im Akkumodul.
Eine weitere Komponente in der Dockingstation ist die integrierte Leistungselektronik. Sie stellt den Strom für den angeschlossenen Verbraucher bereit. Je nach Einsatzort kann der Strom mittels DC/DC oder DC/AC transformiert werden.
Intelligente Nutzung der Zellressourcen
Den wesentlichen Vorteil des Konzeptes sehen Pricker und seine Kollegen in der intelligenten Nutzung der Zellressourcen innerhalb der Akkumodule. Denn die Zellen oder Module würden je nach Leistungsfähigkeit beansprucht, erklärt Pricker und fügt hinzu: "Durch diese schonende Nutzung der Module kann die Lebensdauer der Zellen deutlich erhöht werden". Ein weiterer Vorteil sei das Speichern und Abrufen der Zellenhistorie. Diese Technik soll eine weitgehend kostenneutrale Überführung der Zellen in eine Zweitnutzung ermöglichen.
Flächendeckende dezentrale Versorgung von Batteriemodulen
Weiterhin sieht das CTE-Konzept eine Infrastrukturlösung vor, bei der Akkuwechselstationen flächendeckend verfügbar sind. Das bedeutet, die verbrauchten Akkumodule können in kürzester Zeit an der Wechselstation aufgeladen, entnommen oder getauscht werden. Eine Heim-Wechselstation ermöglicht die Integration des Fahrzeugakkus als Stromspeicher in das Haus. Die Nutzung der Wechselstation ist aber nicht verpflichtend, so kann das Fahrzeug weiterhin an einer Stromtankstelle geladen werden.
Neue Geschäftsmodelle für Anbieter von Wechselstationen sind laut Angaben des Unternehmens derzeit in der Entwicklung. Unter anderem sei ein Mietsystem vorgesehen, damit der Kunde jederzeit flexibel seine benötigte Energie mieten kann und eine hohe Kapitalbindung entfällt.