Während der letzten zwanzig Jahre hat sich die Technologie der Lithium-Ionen-Batterie den Weg an die Spitze des Automobilmarkts gebahnt. Dank dieser Batterien sind Automobilhersteller in der Lage, den Transport von Gütern und Personen neu zu gestalten, indem der Bedarf an fossilen Brennstoffen im Verbrennungsmotor reduziert oder sogar vollkommen eliminiert wird. Die Batterietechnologie von Elektrofahrzeugen (Electric Vehicles, EV) treibt die Fähigkeiten der Lithium-Ionen-Batterie jedoch stetig an ihre Grenzen, um für noch mehr Leistung, Langlebigkeit und Sicherheit zu sorgen.
In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die aktuelle, derzeit auf dem Markt verfügbare EV-Batterietechnologie. Zudem werde ich die jeweiligen Batteriezellengrößen für verschiedene EV-Systeme analysieren.
Arten von Elektrofahrzeugen
Erfolgreiche EV-Hersteller, wie Tesla, Honda, BMW, Ford und Porsche, konzipieren verschiedenartige und innovative Elektrofahrzeuge, die sich auf Lithium-Ionen-Batterietechnologie stützen. Sie produzieren komplett batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (Battery-powered Electric Vehicles, BEV), die ausschließlich mit elektrischer Energie fahren, oder hybride Plug-in-Elektrofahrzeuge (Plug-in Hybrid Electric Vehicles, PHEV) bzw. komplett elektrische Hybridfahrzeuge (Full Hybrid Electric Vehicles, FHEV), die zusammen mit Verbrennungsmotoren die erforderliche Leistung generieren und zur Verfügung stellen. Für diese Fahrzeuge sind Batterien mit unterschiedlichen Komplexitätsgraden und Größen erforderlich.
1. – Komplett batteriebetriebenes Elektrofahrzeug (Battery-powered Electric Vehicles, BEV)
Die Fahrzeuge von Tesla, dem derzeit weltweit größten Hersteller von Elektrofahrzeugen, verfügen über Batteriesysteme mit bis zu 110 kWh. Diese Autos können ausreichend Energie speichern, um eine 60-W-Standardglühbirne 76 Jahre lang zu erleuchten – oder das Tesla-Modell S knapp 645 km lang anzutreiben. Der neueste Batteriepack wird vermutlich mehrere Tausend der von Tesla selbst entwickelten Lithium-Ionen-Zellen 2170 enthalten.
Die Lithium-Ionen-Zellen 2170 von Tesla sind 10–15 % energiesparender als die 18650-Zellen von Panasonic, die für ältere Modelle genutzt wurden. Die 100 kWh liefernde Batterielösung von Tesla wird um die 18650-Zelle herum gebaut und besteht aus 8.256 Zellen (12 Ah pro Zelle), die gleichmäßig auf 16 Batteriemodule verteilt sind. Mit dieser Zelle kann das Modell S über 480 km lang betrieben werden.
Der neue Porsche Taycan wurde als Antwort auf das hochleistungsfähige Elektrofahrzeug von Tesla, das Modell S Performance, entwickelt und mit einer 93,4-kWh-Batterie ausgestattet, die 800 V produziert, anstatt der für andere Elektrofahrzeuge üblichen 400 V. Die Batterie des Taycan besteht aus 33 Batteriemodulen mit je 12 Zellen, also insgesamt 396 Lithium-Ionen-Zellen, die insgesamt beeindruckende 235,8 Wh pro Zelle speichern können. Da die Ladezeit von Batterien durch die Stromstärke eingeschränkt wird, bedeutet die von diesen Zellen produzierte höhere Spannung nicht nur, dass das Batteriesystem weniger wiegt, sondern auch, dass die Ladezeit geringer ist. Ein derart leistungsstarkes Batteriesystem stellt jedoch einzigartige Herausforderungen bei der Gestaltung dar und erfordert außerdem fortschrittliche Energieumwandlung und erstklassigen Stromschutz beim Betrieb sämtlicher Teilsysteme des Fahrzeugs.
2. Plug-In-Hybridfahrzeuge und komplett hybride Elektrofahrzeuge
Das beliebteste PHEV von Toyota, der Prius Prime, ist mit einem 8,8-kWh-Batteriepack ausgestattet, dank dem sich das Fahrzeug durch einen Treibstoffverbrauch von ca. 5,1 Liter pro 100 km im Stadtverkehr auszeichnet. Der Fahrer kann die 8,8-kWh-Batterie zuhause oder unterwegs aufladen, wobei beim Tanken Geld gespart wird, da der Prius Prime mehr elektrische Energie als Benzin verbraucht. Der Prius Prime wird von fünf Batteriepacks angetrieben, von denen jeder 19 Lithium-Ionen-Zellen (insgesamt 95 Zellen) enthält, was eine Gesamtkapazität von 8,8 kWh bedeutet. Im Vergleich dazu nutzt der standardmäßige Prius (das weltweit beliebteste FHEV) eine sehr viel kleinere Batterie mit nur 2 Packs zu je 28 Zellen (insgesamt 56 Zellen), wodurch eine endgültige Kapazität von 0,745 kWh erreicht wird. Übrigens beträgt die Energiedichte des PHEV 92,6 Wh pro Zelle, während das FHEV eine Energiedichte von 13,3 Wh pro Zelle aufweist. Die größere Batterie mit höherer Energiedichte eignet sich hervorragend für den Antrieb bei höheren Arbeitslasten im gesamten Fahrzeug und hat zur Folge, dass der Prius Prime mehr auf elektrische Energie angewiesen ist als der standardmäßige Prius. Zahlreiche weitere Automobilhersteller bieten verschiedene Modelle mit unterschiedlicher Batteriekapazität und -nutzung an.
Systeme für Batteriemanagement in EV: Geschwindigkeit, Sicherheit und mehr
Unterschiedliche Elektrofahrzeuge erfordern unterschiedliche Batteriekapazitäten. Die Batterien in Elektrofahrzeugen unterscheiden sich jedoch nicht nur hinsichtlich der Kapazität. Bei der Gestaltung eines Batteriesystems für Elektrofahrzeuge müssen Ingenieure die Ladezeit, die Möglichkeit von Ladezyklen, die Abnutzung, die Chemie und natürlich die Sicherheit berücksichtigen. Die Grenzwerte der Energie- und Leistungsdichte wurden in den meisten EV-Anwendungen erreicht, aber Hersteller versuchen dennoch, die Modul- und Zellengröße zu optimieren, um für noch mehr Leistung zu sorgen.
Ungeachtet der Größe von Lithium-Ionen-Batteriezellen und -modulen erfordern die für den Antrieb von Elektrofahrzeugen genutzten Hochspannungsbatteriesysteme ausgetüftelte Batteriemanagementsysteme (BMS), um für maximale Leistung und Sicherheit zu sorgen. Die Hersteller von BMS-Technologie und wesentlichen BMS-Bestandteilen, wie Silicon Labs und Pulse Electronics, tragen wesentlich zur Weiterentwicklung der Batterietechnologien für Elektrofahrzeuge und der Produktion von Lithium-Ionen-Zellen und -Modulen für die gesamte Elektrofahrzeugindustrie bei.