Die neue Dimension der Elektromobilität
Ein Batterie-Gesamtsystem für E-Autos
Ohne verlässliche und leistungsfähige Batterietechnologien ist eine zukunftsfähige Elektromobilität nicht denkbar. Gefragt ist ein stimmiges und durchgängiges Batterie-Gesamtsystem, das alle Ebenen wie Batteriezelle, Modul und Packsystem optimal aufeinander abstimmt.
Die Batterie ist eine der wichtigsten Komponenten eines E-Autos. Daher ist es von zentraler Bedeutung, die Technologien kontinuierlich weiterzuentwickeln und entsprechende Ressourcen in die Forschung und Entwicklung zu investieren. Nur so lassen sich praktikable, leistungsfähige und nachhaltige Batteriesysteme bereitstellen, die die Zukunftsfähigkeit der auf Batterien basierenden Mobilität weiter verbessern. Wichtig ist dabei, dass OEMs und Batteriezulieferer an einem Strang ziehen und eng zusammenarbeiten. Nur so lässt sich der höchste Nutzen für die Verbraucher realisieren.
Bei der Entwicklung entsprechender Lösungen sind einige kritische Faktoren zu berücksichtigen: Dazu zählen der Energieinhalt und somit die Reichweite der Batterie, deren Lebensdauer sowie schnelle und effiziente Ladeprozesse. Und nicht zuletzt müssen auch die Kosten der Batterie stets im Blick behalten werden. Optimal meistern lassen sich diese Anforderungen mit einem intelligenten und stimmigen Batterie-Gesamtsystem. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass alle zentralen Komponenten wie Zellchemie, Batteriezelldesign, Packaging und Software perfekt aufeinander abstimmt sind. Erreicht wird dies durch einen systemischen Entwicklungsansatz, der passgenau auf die jeweilige Fahrzeugarchitektur zugeschnitten ist. Dies ebnet auch in Zukunft den Weg für eine sichere, nachhaltige und wirtschaftliche Elektromobilität.
Systemischer Entwicklungsansatz bezieht verschiedene Ebenen ein
Wie kann ein entsprechender Ansatz, der alle wesentlichen Komponenten einbezieht, konkret aussehen? SVolt bietet Lösungen, die verschiedene Ebenen wie Batteriezelle, Modul und Packaging in ein stimmiges Gesamtkonzept einbetten. Dadurch werden die Energiedichte, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Batteriesystems optimiert, um dem Autofahrer ein Maximum an Fahrkomfort, Reichweite und Sicherheit zu ermöglichen. SVolt profitiert dabei von seiner langjährigen Erfahrung als weltweit tätiger Batteriesystem-Hersteller. Ursprünglich als Business Unit des chinesischen Automobilkonzerns Great Wall Motors gegründet, verfügt das Unternehmen über eine tiefgreifende Expertise hinsichtlich Fahrzeug- und Systemintegration.
Wie wird dieses Know-how nun konkret eingesetzt, um die kritischen Faktoren Reichweite, Ladezeit, Lebensdauer und Kosten unter einen Hut zu bringen? Gerade die Reichweite ist nach wie vor ein heikles und sensibles Thema. Viele Konsumenten scheuen immer noch den Kauf eines E-Autos, da sie dieses nicht für langstreckentauglich halten. Diese Bedenken müssen die OEMs in enger Zusammenarbeit mit den Batterielieferanten zerstreuen. Erreichen lässt sich das am besten mit einem holistischen Ansatz, der durchdachte Lösungen auf der Ebene der Zellchemie, des Zelldesigns und des Packagings vereint.
So lässt sich die Energiedichte sukzessive erhöhen und deutlich mehr Reichweite realisieren. Ziel ist es, durch die intelligente Bündelung der verschiedenen Maßnahmen die Reichweite schrittweise auf über 1.000 Kilometer auszudehnen. Dazu investiert SVolt auch in die Entwicklung von Festkörperbatterien, die als nächste Generation der Batterietechnologie angesehen werden.
Wenn es um die Geschwindigkeit der Ladeprozesse geht, sind Optimierungen auf Materialebene das Mittel der Wahl. So ist es erklärtes Ziel, die Zeit für ein vollständigea Laden auf zwölf bis zehn Minuten zu reduzieren. Von hoher Bedeutung sind hierfür beispielsweise die optimale Zellchemie, die Verbesserung des Designs auf Zell- und Packaging-Ebene sowie die Erhöhung der Modulgröße. Durch den vollständigen Verzicht auf Module lassen sich etwa die mit den Modulen verbundenen Verpackungsmaterialien auf ein Minimum reduzieren, was die thermische Anbindung der Zellen an die Kühlplatte verbessert.
Notwendig sind zudem ganzheitliche Lösungen mit 400-V- und 800-V-Spannungsniveau. Darüber hinaus geht SVolt bei der Materialauswahl einen besonderen Weg: So wird in NMX-Zellen (Nickel-Mangan-Zellchemie) komplett auf das umstrittene und knappe Kobalt verzichtet. Das macht die Batterieproduktion nachhaltiger und reduziert die Kosten.
Software sorgt für Performance-Monitoring
Wie bereits erwähnt, erlangen auch die richtigen Software-Features für ein durchgängiges Batterie-Gesamtsystem eine zentrale Bedeutung. Wichtig in diesem Zusammenhang sind durchdachte Algorithmen, mit denen sich der aktuelle Ladezustand (State-of-Charge / SOC) und der Alterungszustand (State-of-Health / SOH) präzise messen und ermitteln lässt. So sollte die Software nicht nur ein kontinuierliches Feedback zur Batterie-Performance über die gesamte Lebensdauer liefern.
Darüber hinaus müssen während der kompletten Betriebsdauer der Batterie mögliche Sicherheitsprobleme zuverlässig und frühzeitig identifiziert werden. Nur so lassen sich rechtzeitig effektive Gegenmaßnahmen einleiten, bevor es zu Schäden kommen kann. SVolt bietet in seiner Monitoring-Software mehr als 20 Algorithmen, die bereits Monate im Voraus vor kritischen Batteriefehlern warnen.
Auch realistische Prognosen über den Restwert des Batteriesystems am Ende des Lebenszyklus sollten sich mittels der Software-Architektur treffen lassen. In diesem Zusammenhang werden während des gesamten Lebenszyklus – vom frühen Entwicklungsstadium bis zum After-Sales – große Datenmengen erfasst und gesammelt. Daraus speist sich eine umfassende Fehler-Datenbank, auf deren Grundlage sich die Leistungsfähigkeit und Sicherheit der unterschiedlichen Batteriekonzepte permanent überwachen lässt. Zudem sorgen Algorithmen auf Basis von künstlicher Intelligenz sowie Funktionen für maschinelles Lernen kontinuierlich für eine Verbesserung der Genauigkeit der Batterieanalysen und Prognosen.
Nicht zuletzt ist die Fahrzeugsicherheit ein wichtiges Thema in punkto Zukunftsfähigkeit der Elektromobilität. So muss ein hohes Maß an Crash-Festigkeit dafür sorgen, das Risiko eines möglichen Batteriebrands auf ein Minimum zu reduzieren.
Batterieproduzenten stellen die Crash-Festigkeit durch intensive digitale Simulationen sowie mit echten Versuchsträgern im Experiment sicher. Dabei werden die definierten Crash-Lastfälle in der Entwicklungsphase auf allen Ebenen – also Zelle, Batteriesystem und Gesamtfahrzeug – durchgeführt. Nur so lässt sich eine maximale Sicherheit der Fahrzeuge gewährleisten. Um das Zusammenspiel der mechanischen Komponenten zu optimieren, müssen Batteriehersteller und OEMs eng kooperieren.
Kosteneinsparungen durch Prozessoptimierungen
Die Kosten lassen sich durch ein Zelldesign optimieren, das sich einerseits geometrisch flexibel an unterschiedliche Fahrzeugplattformen anpassen lässt. Anderseits müssen die Sprungfixe in der Produktionsanlage berücksichtigt werden, das heißt die Grenzen dieser geometrischen Flexibilität in der Fertigung dürfen nicht überschritten werden. Wägt man diese beiden Faktoren intelligent ab, wird die Zelle mit zahlreichen Fahrzeugplattformen kompatibel, während das Anlagendesign nicht stets neu geplant bzw. umgebaut werden muss.
Zusätzliche Einsparungen ergeben sich durch Prozessoptimierungen in der Fertigungstechnologie. Dadurch lassen sich die Kosten pro Kilowattstunde in den kommenden Jahren nachhaltig senken und die Abläufe effizienter gestalten. Eine weitere Möglichkeit, die Gesamtkosten für Verbraucher im Griff zu behalten, ist eine hohe Lebensdauer der Batterie. Um diese zu steigern, sollte sich die Batterie permanent sowohl thermisch als auch elektrisch in einem »Wohlfühlzustand« befinden. Effektiv steuern lässt sich dies durch eine leistungsfähige Software, die die Batterie bei jedem Lastpunkt in ihrem optimalen Betriebsfenster hinsichtlich Spannung und Temperatur hält.
Der Autor
Dr. Dominik Lembke
ist Director Product Development Europe von SVolt Energy Technology Europe. Bevor er im August 2021 zu SVolt Europe kam, war er Leiter des Sachgebietes BEV-Batteriesysteme sowie technischer Projektleiter HV-Batterie BEV bei Porsche in Weissach. Dort war er unter anderem für die Systemintegration der Batteriekomponenten als HV-Batteriesystem ins Gesamtfahrzeug verantwortlich. Dominik Lembke promovierte an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne. Er hält außerdem Abschlüsse als Diplom-Physiker von der Ludwig-Maximilians-Universität München und einen MBA des Collège des Ingénieurs in Paris, München & Turin.
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