Cell-to-Layer-Batterien für Nutzfahrzeuganwendungen

Eine typische Batterie nach dem aktuellen Stand der Technik ist in Bild 1 dargestellt. Sie besteht aus einem verteilten Batteriesystem mit mehreren Teilbatterien, die am Leiterrahmen befestigt sind. Die Teilbatterien sind aus Schichten (Layern) aufgebaut, die übereinandergestapelt sind. Dadurch wird ein Gleichteileansatz verfolgt, sodass durch den mehrfachen Einbau Skaleneffekte erzielt werden können. Die Gehäuseteile sind typischerweise aus Aluminiumguss hergestellt, da hiermit aufgrund der hohen Stückzahl im Vergleich zu anderen Herstellverfahren Kostenvorteile erzielt werden [1].

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Neben der Gehäusestruktur enthält jeder Layer zusätzlich die Zellmodule, die Kühlung, Stromschienen und den Modulcontroller. Die Zellmodule sind in der Regel austauschbare Subsysteme und folgen damit dem Ansatz einer modularen Bauweise. Sie sind mit ihrer Zellanzahl und Dimensionen an die Gehäusestruktur angepasst. Dadurch wird versucht, eine gute Bauraumausnutzung und damit einen hohen Energieinhalt zu erreichen. Allerdings lassen sich mit dem neuartigen, sogenannten Cell-to-Layer-Ansatz noch höhere Energiedichten erzielen, da auf strukturelle Modulteile weitgehend verzichtet wird - das Batteriegehäuse übernimmt diese Funktion. Die Erhöhung der Packungsdichte kann zur Steigerung der Fahrzeugreichweite genutzt werden oder den Einsatz kostengünstiger Zellchemien begünstigen, da deren geringere Energiedichte durch den Cell-to-Layer-Ansatz zumindest teilweise kompensiert wird. Die Nutzung einer kostengünstigeren, energieärmeren Zellchemie hat in einigen Domänen mitunter Vorteile. So sind zum Beispiel Lithium- Eisenphosphat(LFP)-Zellen leichter vor der thermischen Propagation zu schützen; zudem haben sie eine geringe alterungs- und ladeabhängige Dickenänderung als eine Zellchemie mit höherer Energiedichte. Diese Eigenschaften erleichtern die Integration der Zellen.

Darüber hinaus bieten Cell-to-Layer-Ansätze die Möglichkeit, vermehrt Zellformate einzusetzen, die sich aktuell noch nicht in Nfz-Anwendungen durchgesetzt haben. So werden aktuell vorwiegend prismatische Zellen verwendet, während sogenannte Pouch- oder Rundzellen kaum zum Einsatz kommen. Dennoch gibt es Teilbereiche, in denen diese Zellformate gegenüber prismatischen Zellen durchaus Vorteile zeigen.

Der Trend hin zu günstigeren Batterien mit höherer Reichweite war der Ausgangspunkt für AVL, Konzepte mit unterschiedlichen Zellformaten auszuarbeiten und zu vergleichen. Dadurch werden neuartige Lösungen dargestellt und Potenziale für zukünftige Nfz-Batterien aufgezeigt, wobei die äußeren Schnittstellen wie Kühlmittelanschlüsse, HV-Verbinder oder Verschraubungen bei allen Ansätzen gleich belassen wurden. Die Layer sind vertikal stapelbar und können dadurch in der Höhe flexibel auf die Bauraumgegebenheiten im Fahrzeug angepasst werden.

Als Randbedingung wurde für alle Konzepte eine gleiche Spannungslage von 350 V (nominal) für den Layer festgelegt, sodass sich für die verwendeten Pouch- und prismatischen Zellen eine Verschaltung von 96s1p (96 Zellen in Reihe, eine Zellreihengruppe parallel) und für die Rundzellen eine Verschaltung von 96s4p ergibt. Mit dieser Spannung lässt sich durch eine 2s2p-Schaltung von Layern eine Systemspannung von 700 V erzielen. Dadurch können gebräuchliche Elektronikkomponenten für übliche 800-V-Architekturen verwendet werden.

In Bild 2 ist das Layerkonzept mit Pouchzellen dargestellt. Als Grundeinheit werden zwei Pouchzellen mit einer umschließenden thermischen Barriere zusammengefasst, die an der Unterseite eine Sollbruchstelle für eine definierte Entgasungsöffnung aufweist. Die Zellpaare werden mit Zellzwischenmaterial zu einem Stapel aufgereiht, in einer Vorrichtung verspannt und an den Zellpolen verschweißt. Danach wird am Zellstapel eine flexible Leiterplatte (Flexible Printed Circuit, FPC) mit Spannungsabgriffen und Temperatursensoren montiert; seitlich am Zellstapel werden Kunststoffendplatten angeordnet. Dieser vormontierte und verspannte Stapel wird von oben in das Druckgussgehäuse eingeführt und an der Unterseite mit einer Klebeverbindung an einer Bodenplatte aus Stahl befestigt. Die Zellkühlung erfolgt mit einer Kühlplatte, die an der Oberseite des Zellstapels angebracht wird.

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Das Cell-to-Layer-Konzept mit prismatischen Zellen ist in Bild 3 (links) dargestellt. Für dieses Konzept wurden prismatische Zellen ausgewählt, die ihre Pole an der Zelloberseite und eine Entgasungsöffnung an der Unterseite haben. Die Zellen werden mit Zellzwischenmaterial und Kunststoffendplatten zu einem Stapel verpresst. An der Oberseite sind Zellverbinder, Spannungsabgriffe und Temperatursensoren angeordnet. Die Zellstapel werden im verspannten Zustand in das Gehäuse eingeführt und mit der Bodenplatte verklebt. Die Kühlplatte reguliert die Zelltemperatur direkt über die Stromschienen und seitlich höhenversetzt über das Zellgehäuse. Dazu muss die Kühlplatte elektrisch isolierend beschichtet sein und die fertigungsbedingten Höhentoleranzen müssen mittels eines Wärmeleitpads überbrückt werden.

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Das Konzept mit Rundzellen ist in Bild 3 (rechts) dargestellt. Die Zellen werden in einem Kunststoffträger vormoniert und wiederum mit der Bodenplatte verklebt. Allerdings ist bei diesem Konzept kein Verspannen der Zellen notwendig. Die elektrische Zellverbindung erfolgt auf der Oberseite des Layers; hier ist auch der FPC mit den Messsensoren angeordnet. Die Kühlung erfolgt auf der Oberseite des Zellstacks mit einer guten thermischen Anbindung zu den Zellverbindern.

Ein wichtiger Aspekt für alle untersuchten Konzepte ist die kontrollierte Gasführung im Falle der thermischen Propagation der Batteriezelle. Basis ist die umfangreiche Erfahrung von AVL sowohl in der simulativen Abbildung als auch in der Erprobung unterschiedlicher Batterieausführungen. Dabei wird bei allen drei gezeigten Konzepten das Gas über definierte Öffnungen in eine Bodenplatte geführt, Bild 4. Die Bodenplatte besteht aus zwei miteinander verschweißten Stahlblechen, die zum einen die tragende Struktur für die Zellen darstellen und zum anderen das Gas gezielt von HV- und Niedervolt(Low Voltage, LV)- Komponenten trennt. Diese Trennung minimiert das Risiko eines thermischen Durchgehens aufgrund einer Lichtbogenbildung, die durch leitfähige Partikel im Gas begünstigt wird [2]. Die Bodenplatte besteht aus einem Kammersystem, in dem sich der Gasdruck nach Austritt aus der Zelle entspannt und dann über eine labyrinthartige Wegführung in Richtung der Entgasungsventile geleitet wird. Partikelgrößen und Strömungsgeschwindigkeiten werden bei der Definition der Entgasungskanäle ebenso berücksichtigt wie die auftretenden Temperaturprofile. Von der Stahlplatte wird das bereits vorabgekühlte Gas in den mitgegossenen Kanal des Seitenrahmens geführt, mit dem dann das Entgasungsventil verbunden ist.

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Ein wichtiger Vergleichswert für die Bewertung der Cell-to-Layer-Ansätze ist die volumetrische Energiedichte. Hier kann eine Verbesserung zum aktuellen Stand der Technik von circa 8 bis 9 % bei den ausgearbeiteten Konzepten mit prismatischen und Pouchzellen erzielt werden. Beim Cell-to-Layer-Konzept mit Rundzellen ist die Verbesserung mit 7 % geringfügig kleiner. Für den Vergleich wurden Energiedichten auf Zellebene von 680 Wh/l bei prismatischen, 750 Wh/l bei zylindrischen und 730 Wh/l bei Pouchzellen zugrunde gelegt. Auch wenn das Konzept mit Rundzellen eine etwas geringere Energiedichte aufweist, hat dieses Zellformat dennoch einige Vorteile. So benötigt das struktursteife Gehäuse der zylindrischen Zelle keine Vorspannung, was gerade beim Cell-to-Layer-Ansatz die Montage deutlich vereinfacht. Außerdem wird bei der kleineren Zelle im Fall eines thermischen Durchgehens weniger Energie frei; sie lässt sich dadurch leichter kontrollieren. Mit kleinen Zellen sind in Serienschaltung höhere Systemspannungen von deutlich über 800 V leicht umsetzbar, während großformatige prismatische Zellen diese Flexibilität nicht bieten.

Auch bei einer Gesamtbetrachtung der Vor- und Nachteile der Konzepte zeigt sich kein eindeutiger Favorit, Bild 5. Der Cell-to-Layer-Ansatz, wie er durch AVL umgesetzt wird, bringt jedoch für alle Zelltypen Vorteile. Die Gewichtung der Kriterien sind für die jeweilige Fahrzeugvariante und den Fahrzeugeinsatz zu bewerten und entsprechend zu priorisieren. Produktkosten und Fahrzeugeigenschaften wie Gewicht, Zuladung und Reichweite müssen hierbei auf Gesamtfahrzeugebene betrachtet werden. Nicht zuletzt spielen die angesprochenen Sicherheitskonzepte (AVL arbeitet hier an sogenannten No-Gas-Out- und No-Flame-Out-Techniken) eine wichtige Rolle, insbesondere im Nutzfahrzeugbereich mit seiner hohen installierten Batteriekapazität. Das Cell- to-Layer-Konzept ist damit der nächste technische Schritt der Nfz-Batterieentwicklung, auch unabhängig vom Zelltyp.

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Für den Servicefall lassen sich die elektronischen Komponenten und das Batteriemanagementsystem (BMS) direkt über den Servicedeckel des Gehäuses der Batterietrenneinheit (Battery Disconnect Unit, BDU) tauschen. Auch die Zerlegung bis auf Layerebene erfolgt verhältnismäßig einfach durch Lösen der Schraubverbindungen von Ober- und Unterdeckel, BDU-Gehäuse und der Layer selbst. Die Kühlmittelanschlüsse und Entgasungsventile sind per Steck- oder Drehverbindung demontierbar. Auch die Zugänglichkeit der Zellkontrolleinheit auf Layerebene ist gewährleistet, da ein entsprechender Ausschnitt in der Kühlplatte vorgesehen ist. Mit diesem Ansatz lassen sich im Servicefall einzelne Layer bei reduzierter Standzeit tauschen. Auch ist deren weiterer Einsatz für beispielsweise stationäre Anwendungen denkbar.

Für das Recyceln am Lebensende der Batterie ist angedacht, dass sich nach Entladung der Zellen die Bodenplatte mit den aufgeklebten Zellen als eine Einheit vom Rahmen mittels einer Demontagevorrichtung entfernen lässt, Bild 6. Der Aluminiumrahmen wird bis auf seinen ursprünglichen Gusszustand zerlegt (frei von störenden Stahlanbauteilen), wobei in der konstruktiven Auslegung darauf zu achten ist, dass Klebe- und Dichtungsreste auf dem Bauteil möglichst vermieden werden.

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Cell-to-Layer-Ansätze haben im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik einige Vorteile. Durch geschickte Integration der Zellen in das Batteriegehäuse lässt sich die volumetrische Energiedichte und damit die Fahrzeugreichweite steigern. Außerdem werden mit dem Wegfall von strukturellen Modulbauteilen weniger Bauteile benötigt, wodurch ein Kostenvorteil zu erwarten ist. AVL zeigt in den dargestellten Konzepten, dass sich neben den bisher vorherrschenden prismatischen Zellen ebenfalls Rund- und Pouchzellen für Cell-to-Layer-Konzepte eignen und auch Maßnahmen in Bezug auf das thermische Durchgehen für die Einhaltung zukünftiger Sicherheitsstandards umgesetzt werden können. Der Ansatz zeigt somit den nächsten technischen Entwicklungsschritt, um die Wirtschaftlichkeit batterieelektrischer Nfz weiter zu steigern. Attraktive Kosten über die Lebenszeit (Total Cost of Ownership, TCO) sind im Nutzfahrzeugbereich entscheidend für den Markterfolg. Der vorgestellte Cell-to-Layer-Ansatz kann maßgeblich dazu beitragen.