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29.09.2022 | Batterie | Gastbeitrag | Online-Artikel

Elektromobilität neu gedacht

verfasst von: Dr. Dominik Lembke

4 Min. Lesedauer
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Die zentrale Komponente eines jeden E-Autos ist die Batterie. Wird sie als durchgängiges Gesamtsystem konzipiert, lassen sich Energiedichte, Performance und Lebensdauer optimieren.

Die Experten sind sich einig: An der batteriebetriebenen Elektromobilität führt kein Weg mehr vorbei. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Leistungsfähigkeit des Batteriesystems als wichtige Stellschraube für die Alltagstauglichkeit von E-Autos. Dabei sind hinsichtlich der Weiterentwicklung elektromobiler Konzepte einige kritische Herausforderungen zu meistern. Im Fokus stehen hier im Wesentlichen vier Aspekte: die Kosten der Batterie, ihr Energieinhalt und somit die Reichweite, schnelle und effiziente Ladeprozesse sowie die Lebensdauer der Batterie. Alle diese Anforderungen lassen sich am besten mit einem intelligenten und durchgängigen Gesamtkonzept adressieren, das sämtliche wichtigen Komponenten des Batteriesystems perfekt aufeinander abstimmt und optimiert. Dazu zählen Zellchemie, Batteriezelldesign, Packsystem und Software. Nur durch eine ganzheitliche Betrachtung dieser Faktoren lässt sich die Elektromobilität für Autofahrer noch sicherer, wirtschaftlicher und nachhaltiger realisieren.

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Lithium-Ionen-Batterien

LIB zählen zu den elektrochemischen Energiespeichern. Sie werden bereits seit einigen Jahrzehnten in der Verbraucher-Elektronik eingesetzt und stellen auch seit mehreren Jahren den Stand der Technik zur Speicherung der Traktionsenergie in Elektrofahrzeugen (englisch: electric vehicle, EV) dar.

Die Automotive OEMs sind nun in Zusammenarbeit mit den Batterie-Zulieferern gefordert, diese Anforderungen technisch optimal umzusetzen. Die Lieferpartner sollten auf die oben genannten Kernaspekte die passenden Antworten haben. Svolt arbeitet hierfür mit einem systemischen Entwicklungsansatz. So lassen sich maßgeschneiderte und aufeinander abgestimmte Lösungen auf der Ebene der Batteriezelle, des Moduls und des Packsystems designen. Als international agierender Automobilzulieferer und ehemalige Business Unit des chinesischen Automobilkonzerns Great Wall Motors kann Svolt dabei auf eine langjährige, fundierte Erfahrung hinsichtlich Fahrzeugintegration, Batterieentwicklung und Software zurückgreifen.

Kosten sparen durch flexibles Zelldesign

Blickt man zunächst auf die Kostenoptimierung, sind verschiedene Faktoren zu berücksichtigen: Zum einen kommt es auf eine möglichst hohe Flexibilität im Zelldesign an, sodass die Batterie mit vielen verschiedenen Fahrzeugplattformen kompatibel ist. Auf der anderen Seite lassen sich durch die Standardisierung der Zell-Geometrien beträchtliche Einsparpotenziale bei der Investition in Fertigungsanlagen realisieren. Der ausgewogene Mix aus beiden Aspekten ebnet dann den Weg zu wettbewerbsfähigen Kostenstrukturen.

Eine der größten Hemmschwellen bei der Entwicklung der Elektromobilität ist die Angst der Autofahrer vor zu geringer Reichweite. Hier macht es Sinn, die Herausforderung mit einem holistischen Ansatz anzugehen. Dazu gehören Maßnahmen zur Steigerung der Energiedichte auf Ebene der Zellchemie, des Zelldesigns und der Packintegration sowie die Steigerung der Energieeffizienz auf Gesamtfahrzeugebene um jeweils 10 bis 20 %. Durch die intelligente Kombination dieser Verbesserungen wird die Reichweite des Gesamtfahrzeugs von heute 500 bis 600 km schrittweise auf mehr als 1.000 km erhöht. Damit steigt auch die Wettbewerbsfähigkeit der E-Autos gegenüber den Verbrennern.

Ziel: Ladezeiten auf zwölf Minuten begrenzen

Was die Effizienz der Ladeprozesse betrifft, lassen sich durch Optimierungen auf Materialebene bedeutende Fortschritte erreichen. Dabei ist es ein realistisches Ziel, die Zeit für eine vollständige Ladung auf zwölf bis zehn Minuten zu begrenzen. Erforderlich ist hier beispielsweise ein flexibles Portfolio ganzheitlicher Lösungen wie etwa Systeme mit 400V- oder 800V-Spannungsniveau. Wichtig ist auch die Wahl der optimalen Zellchemie, die Verbesserung des Designs auf Zell- und Pack-Ebene sowie die Erhöhung der Modulgröße. Verbaut man lange prismatische Zellen im Svolt L600 Format, lässt sich die Wärmeabfuhr im Vergleich zu kleineren prismatischen Zellformaten (z.B. VDA oder MEB Format) um ca. 20% verbessern, mit entsprechendem positiven Einfluss auf Schnelladen und andere Performance-Werte. Wird komplett auf Module verzichtet, lässt sich im "Long-to-pack"-Konzept im Vergleich zum konventionellen, auf Modulen basierenden Batteriepack eine um ca. 8% erhöhte gravimetrische Energiedichte und 20% erhöhte volumetrische Energiedichte erreichen. Gleichzeit entfallen die entsprechenden "Verpackungsmaterialien" des Moduls, was die Anzahl der Komponenten um bis zu 25% und die Kosten des Packs um ca. 10% reduziert. Darüber hinaus sind Prozessoptimierungen in der Fertigungstechnologie die größten Hebel, um die Kosten pro kWh in den kommenden Jahren nachhaltig zu senken und die Prozesse zu verkürzen. Svolt geht zudem den Weg, in NMX-Zellen (Nickel-Mangan-Zellchemie) vollständig auf das umstrittene und knappe Kobalt zu verzichten. Das ist nachhaltig und reduziert Kosten.

Sicherheit durch Tests gewährleisten

Wichtig ist zudem ein hohes Maß an Crash-Festigkeit, um ein Maximum an Fahrzeugsicherheit zu gewährleisten und das Risiko eines möglichen Batteriebrands zu reduzieren. Die Crash-Festigkeit wird intensiv in digitalen Simulationen sowie mit echten Versuchsträgern im Experiment abgesichert. Die definierten Crash-Lastfälle werden in der Entwicklungsphase auf allen Ebenen, das heißt Zelle, Batteriesystem und Gesamtfahrzeug, durchgeführt, um die Fahrzeugsicherheit des Endprodukts zu gewährleisten. Das optimale Zusammenspiel der mechanischen Komponenten erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen Batteriehersteller und OEM.

Fazit

Eines ist sicher: Der Trend hin zur Elektromobilität ist nicht mehr aufzuhalten. Durch eine optimale Abstimmung zwischen OEMs und Zulieferern ergibt sich ein stimmiges und durchdachtes Batteriegesamtsystem. Alle Ebenen wie Batteriezelle, Modul und Packsystem sollten perfekt aufeinander abgestimmt und nahtlos in die jeweilige Fahrzeugarchitektur eingebettet werden.

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