Batterieentwicklung Traktionsbatterien für den Serieneinsatz

Elektromobilität ist ein Schlagwort, das zurzeit in aller Munde ist. Die Elektrifizierung der Antriebe von Fahrzeugen stellt für die Automobil-Branche eine große Herausforderung dar, deren Bewältigung erst mit Hilfe leistungsfähiger Energiespeicher möglich wurde. Während für batterieelektrische Fahrzeuge Batteriesysteme mit hohen Energiedichten benötigt werden, kommen bei Hybridelektrofahrzeugen aufgrund der dynamischen Umschaltung zwischen den beiden Antriebsformen überwiegend Energiespeicher mit hohen Leistungsdichten zum Einsatz.

Doch bei der Auswahl des passenden Energiespeichers für die Anwendung im Automo-tive-Bereich spielen nicht nur Anforderungseigenschaften wie Leistungs- oder Energiedichte eine wichtige Rolle. Auch Kriterien wie Kaltstartverhalten, Zyklenfestigkeit, Crash-Sicherheit und Überladefestigkeit sind entscheidend für den Einsatz in Serie.

Im Rahmen der Entwicklung des ersten Lithium-Ionen-Batteriesystems bei Audi, das aktuell in den Hybridderivaten der Fahrzeuge Q5, A6 und A8 zum Einsatz kommt, mussten deshalb zunächst umfangreiche Tests zur Qualifizierung und Absicherung der neuartigen Lithium-Ionen-Batterietechnologie durchgeführt werden. Dabei konnte Audi bei der Wahl der Batteriezellen auf die Forschungsergebnisse der Konzernmutter VW zurückgreifen. Diese befasst sich ausgiebig mit der Erforschung von Energiespeichern für alternative Antriebssysteme.

Die Ergebnisse und Erfahrungen aus umfangreichen Analysen auf Zellebene, Systemebene und schließlich auch im Fahrzeug haben Audi in der Entscheidung bekräftigt, auf die Lithium-Ionen-Batterietechnologie zu setzen. Lithium-Ionen-Zellen besitzen im Vergleich zu anderen Speichertechnologien nicht nur eine relativ hohe Energiedichte (ca. 95 bis 190 Wh/kg) und eine hohe Zykluslebensdauer, sondern haben mittlerweile auch bezüglich Überladefestigkeit und thermischer Stabilität einen Entwicklungsstand erreicht, der eine sichere Verwendung im Fahrzeug ermöglicht. Hinzu kommt eine geringe Selbstentladung im Bereich von wenigen Prozent der Gesamtladung der Zelle. So verliert eine Zelle auch bei längeren Ruhephasen ohne Ladestrom nur einen geringen Teil ihrer gespeicherten Ladung. Dadurch besitzen Lithium-Ionen-Zellen einen Coulomb-Wirkungsgrad von 100 Prozent. Das bedeutet, dass nach Laden und anschließendem Entladen einer Zelle dieselbe Menge an elektrischer Ladung entnommen werden kann, die ursprünglich in die Zelle geladen wurde.

Li-Ion-Zellen benötigen Temperaturüberwachung

Natürlich bieten Lithium-Ionen Zellen nicht nur Vorteile:

  • Bedingt durch die Zunahme des Innenwiderstands mit sinkender Temperatur sind Lithium-Ionen-Zellen bei kalten Umgebungstemperaturen (-30 bis 0 °C) in ihrer Leistungsfähigkeit eingeschränkt.
  • Auch im oberen Temperaturbereich (>60 °C) sind der Lithium-Ionen-Technologie Grenzen gesetzt. Aufgrund der hohen Energiedichte kann ein Überhitzen der Batteriezelle im Extremfall zum thermischen Durchgehen führen. Dabei erzeugen lokale Überhitzungen einen internen Kurzschluss zwischen den Elektroden der Zelle, was dann zur schlagartigen Freisetzung der gespeicherten Energie in Form einer Kettenreaktion führt.

Aus dem Consumer-Bereich sind beispielsweise Fälle bekannt, bei denen Lithium-Ionen-Akkumulatoren von Laptops oder Mobiltelefonen zu brennen begannen. Der Brand wurde hier meist durch Fremdkörper in den Zellen verursacht, welche durch Verunreinigungen in der Produktion in die Zelle gelangten. Fremdkörper in der Zelle können durch Material- dehnung/-schrumpfung beim Laden beziehungsweise Entladen die Isolationsschicht (Separator) zwischen den Elektroden der Zelle verletzen und so zu internen Kurzschlüssen mit entsprechender Hitzeentwicklung führen.

Doch auch ein Überhitzen durch Erwärmung im laufenden Betrieb birgt die Gefahr des thermischen Durchgehens. Denn zu große Hitze, verursacht durch Wirkverluste am Innenwiderstand der Zelle, führt zum Schmelzen des Separators und somit zum Kurzschluss in der Zelle. Deshalb müssen Lithium-Ionen-Batteriesysteme bei hohen Stromlasten auch im laufenden Betrieb gekühlt werden. Das setzt eine entsprechende Temperaturüberwachung und eine ausreichend dimensionierte Batteriekühlung voraus. So können die Zellen auch unter Last auf einem Temperatur-Niveau gehalten werden, das genügend Sicherheitsabstand zum kritischen Zustand bietet.

Neben der Überwachung durch Sensorik können auch konstruktive Maßnahmen in der Zelle für zusätzliche Sicherheit sorgen: Kurz vor dem Überhitzen kommt es zu einer Gasentwicklung in der Lithium-Ionen-Zelle. Der dabei entstehende Druck im Inneren des Zellgehäuses kann beispielsweise durch ein Cell Interruption Device (CID) gezielt genutzt werden, um die Zellkontaktierung definiert zu unterbrechen. Das CID besteht aus einer Druckkammer im Inneren der Zelle, welche bei Überdruck durch Deformation die interne Kontaktierung eines elektrischen Pols an einer Schwachstelle abreißt.

Dadurch wird der Stromfluss in der Zelle unterbrochen, welcher für den Wärmeeintrag in die Zelle sorgt. Infolge der Unterbrechung kann keine weitere Erhitzung mehr durch Stromfluss über den Innenwiderstand stattfinden. Die Zelle wird dabei zwar irreversibel zerstört, jedoch wird dadurch auch ein thermisches Durchgehen sicher verhindert. Somit ist sichergestellt, dass Batterieströme außerhalb des erlaubten Betriebsbereichs (beispielsweise durch externen Kurzschluss) zu keiner Überhitzung des Systems führen.

Die spezifischen Eigenschaften der Lithium-Ionen-Speichertechnologie zeigen, dass für den Betrieb im Fahrzeug ausreichende Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden müssen, um einen sicheren Betrieb zu gewähr- leisten. Doch unter Berücksichtigung der entsprechenden Anforderungen lassen sich mit dieser Technologie sehr leistungsstarke Energiespeichersysteme mit hohen Energiedichten und hoher Zyklenfestigkeit realisieren.

Die schematische Darstellung des Batteriesystems aus Bild 1 zeigt die technische Umsetzung eines solchen Lithium-Ionen-Energiespeichers. Es ist das erste von Audi entwickelte Lithium-Ionen-Energiespeichersystem, das eigens für den Serieneinsatz in Hybridfahrzeugen konzipiert wurde (Tabelle).

 Energieinhalt 1,3 kWh
  davon nutzbar
 0,8 kWh
max. Leistung (laden/entladen)39 kW /39 kW
Kapazität5,0 Ah
Nominalspannung266 V (188 - 302 V)
  pro Zelle3,69 V
max. Entladestrom180 A
max. Ladestrom180 A
Nutzbereich20 bis 80 Prozent SOC
Gewicht (inkl. Kühlung)ca. 38 kg
 Zellanordnung 72s1p
Übersicht über die technischen Daten der im MLB-HEV verbauten Traktionsbatterie.

Es besteht aus 72 in Reihe geschalteten Leistungszellen der Firma Panasonic mit einer nominalen Systemspannung von 266 V. Die Zellen in prismatischer Bauweise besitzen eine Kapazität von 5 Ah, was aufgrund der Reihenschaltung auch der Kapazität des Gesamtsystems entspricht.

Die Batteriezellen von Panasonic wurden nach den neuesten Sicherheitsstandards ausgelegt und sind mit CIDs ausgestattet. Zusätzlich besitzen die Zellgehäuse aus Aluminium Berstventile, die gewährleisten, dass eine Zelle bei übermäßiger Druckentwicklung durch Ausgasen definiert Druck abbauen kann, ohne unkontrolliert zu platzen. Die dabei freigesetzten Gase werden mittels einer druckdichten Schadgasabführung in der Batterie gesammelt und über ein Schlauchsystem aus dem Fahrzeug herausgeführt. Dadurch wird beim Öffnen von Berstventilen eine unkontrollierte Ausbreitung der mitunter toxischen und leicht entzündlichen Schadgase im Fahrzeuginnenraum vermieden.