Projekt Celeritas

Batteriemodule für E- und Hybridfahrzeuge superschnell aufladen

22. September 2022, 14:19 Uhr | Kathrin Veigel
Castrol Sprint Power Batteriemodule
Die Leistung des endgültigen Batteriemoduldesigns wurde in den Modellierungs-, Simulations- und Testeinrichtungen von Castrol getestet.
© Castrol

Castrol und Sprint Power arbeiten gemeinsam an der Entwicklung ultraschnell ladbarer Batteriezellen und Packs für batteriebetriebene Elektrofahrzeuge und Hybrid-Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellen. Die Batteriemodule sollen eine Aufladung zu 80 Prozent in nur zwölf Minuten erlauben.

Die Zusammenarbeit zwischen Castrol und Sprint Power ist Teil des Projekts Celeritas, das die Bedenken von Verbrauchern hinsichtlich der Ladegeschwindigkeit heutiger Elektrofahrzeuge ausräumen will. Dem Konsortium gehören neben Castrol und Sprint Power auch BMW, AMTE Power, Clas-SiC und Eltrium an.

Das in Großbritannien ansässige Unternehmen Sprint Power hat zwei Batteriesysteme entwickelt, eines für Anwendungen bei batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen (BEVs) und eines für Hybridfahrzeuge. Beide integrieren die gesamte Systemelektronik und enthalten mehrere Ladeprotokolle, um Platz und Gewicht einzusparen. Sie enthalten auch einen integrierten 800-VDC- auf 14-VDC-Wandler, ein 800-V-Batteriemanagementsystem (BMS) sowie die Fähigkeit zur Direktkühlung, bei der die Zellen in eine elektrisch nichtleitende Kühllösung eingetaucht sind.

Castrol stellt sein thermisches Fluid Castrol ON EV zur Verfügung, das für Anwendungen der Direktkühlung entwickelt wurde, damit die Batteriesysteme von Sprint Power schneller geladen werden können und eine höhere Leistung bei gesteigerter Langlebigkeit und erhöhter Sicherheit bieten. Castrol stellt außerdem seine Modellierungs- und Testeinrichtungen zur Verfügung, damit beide Batteriesysteme von Sprint Power ein optimiertes Design haben, das den größeren Belastungen beim ultraschnellen Laden standhält.

Modernste Batteriemodule

Die Batteriemodule von Sprint Power weisen ein modulares Zellblockdesign auf, das an eine Reihe verschiedener Anwendungen angepasst werden kann, von Sportwagen bis hin zu elektrischen Senkrechtstartern (eVTOL). Das Batteriemodul für Hybridanwendungen wurde so entworfen, dass es in eine potenzielle Anwendung für Brennstoffzellenfahrzeuge passt, mit einem optimierten Design, das ohne den DC/DC-Wandler auf ein Leistungs-/Gewichtsverhältnis von 3 kW/kg abzielt.

Das Modul kann 5 kWh an nutzbarer Energie speichern, mit einer Spitzenlade-/Entladeleistung von 230 kW (105 kW kontinuierlich). Bei einer Anpassung für eine mögliche Anwendung in Sportwagen erhöht sich die Kapazität auf 76 kWh an nutzbarer Energie bei einer Spitzenlade-/Entladerate von 800 kW (700 kW kontinuierlich). Ein integrierter unidirektionaler Wandler von 800 VDC auf 14 VDC sorgt für eine maximale Ausgangsleistung von 3,5 kW in einem kompakten Design mit einer Leistungsdichte von 0,8 kW/L. Wie jedes Element des Batteriemoduls von Sprint Power wurde auch der DC/DCWandler mit einem Wirkungsgrad von 97 Prozent in der Spitze auf hohe Effizienz ausgelegt.

In das Modul ist das Master-BMS von Sprint Power integriert, welches über einen Sicherheits-Mikrocontroller verfügt, der Cybersecurity Support, eine Fehlerdiagnosefunktion und die Ladestandards CHAdeMO oder CCS unterstützt. Das System kann eine Spannung von 8 bis 16 V liefern und wurde für den Betrieb in einem Temperaturbereich von -40 °C bis 85 °C getestet. Ein Slave-BMS erlaubt die konfigurierbare Unterstützung von Batteriemodulen verschiedener Größe mit 5 bis 12 Zellen.

Castrols Schmierstoff-Know-how

Die überwiegende Mehrheit der heutigen Batteriemodule für Elektrofahrzeuge wird thermisch reguliert, indem die Batteriezellen in Kontakt mit einem Wärmetauscher sind, der mit einem Kühlmittel auf Wasser-Glykol-Basis durchflossen ist. Im Vergleich dazu verwenden die im Rahmen des Projekts Celeritas entwickelten Batteriemodule das thermische Fluid ON EV von Castrol, eine dielektrische Flüssigkeit, die im Modul zirkuliert und mit den einzelnen Batteriezellen direkt in Berührung kommt. Dadurch wird die für die Wärmeabführung verfügbare Oberfläche deutlich vergrößert.

Das Ergebnis ist deutlich schnelleres Aufladen und eine deutliche Verbesserung der Wärmeabfuhr bei verschiedenen Betriebsbedingungen bei hohen und niedrigen Umgebungstemperaturen. Das verlängert die Lebensdauer der Batterie . Durch die Direktkühlung der einzelnen Batteriezellen trägt die dielektrische Flüssigkeit von Castrol auch dazu bei, das Risiko eines thermischen Durchbrennens zu vermeiden, bei dem hohe Temperaturen zu einem irreversiblen Versagen einzelner Batteriezellen infolge von Überladung oder eines Kurzschluss führen.

Thermisches Durchbrennen einzelner Batteriezellen kann sich aufgrund der hohen entstehenden Hitze auch auf benachbarte Batteriezellen ausbreiten, ein Prozess, der potenziell zu einem fatalen Ausfall der gesamten Batterie führen kann. Bei direkt gekühlten Systemen sind Temperaturspitzen in einzelnen Zellen aber weniger wahrscheinlich, und wenn sie auftreten, können sie im Gegensatz zu indirekt gekühlten Systemen einen möglichen Brand direkt an der Quelle löschen und stoppen.

Umfassende Simulationen und Tests

Mit der Kompetenz von Castrol bei der Modellierung und Simulation konnten die beiden Parteien besser nachvollziehen, wie die dielektrische Flüssigkeit von Castrol durch die Batteriemodule strömt. Damit konnte das Team bei Sprint Power die Konstruktion der Batteriemodule so optimieren, dass ein verbessertes thermisches Management möglich wurde. Anhand der Simulationstests kann das Team außerdem Tests auf thermisches Durchbrennen vornehmen.

Anhand optimierter flüssigkeitsdynamischer Tests kann Castrol dann mögliche Verbesserungen für zukünftige ON-Produkte identifizieren. In Castrols Testzentrum für Batteriezellen werden ab Anfang 2023 Prototypen hinsichtlich der Anforderungen an Leistung, Haltbarkeit und Sicherheit getestet. In dem Testzentrum können Batteriepakete bei Temperaturen von -40 °C bis 85 °C und bis zu einem Spitzenwert von 1.200 VDC und 600 kW getestet werden.


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