Technologie

Die klassische Starterbatterie ist ein essentieller Bestandteil in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor und wird auch in Hybrid und Elektrischen Antriebskonzepten nach wie vor benötigt.
Etabliert sind Batterien auf Blei-Basis, die jedoch mit hohem Gewichts- und Bauraumbedarf einhergehen und mehrfach während der Fahrzeuglebensdauer ausgetauscht werden. Deren Leistung wurde in den vergangenen 100 Jahren Technologie-bedingt nur marginal optimiert, sodass ein Leistungssprung nur durch einen Technologiewechsel möglich scheint. Ein Ansatz auf Lithium-Basis bietet hierfür eine wirtschaftliche Leichtbau-Alternative, die auch den Ansprüchen an Sicherheit und Zuverlässigkeit genügt:

Stand der Technik
Die Anforderungen an Leistung und Energie im Bordnetz nehmen weiter zu.
Herzstück des Bordnetz ist die Batterie, die mit 350 Mio. produzierten Starterbatterien bereits 2004 einer der wichtigsten Zweige der Batterieindustrie war. Neben der volumetrischen und gravimetrischen Energie- und der Leistungsdichte ist der (Ent-) Ladewirkungsgrad, die Anzahl an ertragbaren Entladezyklen, die Sicherheit und Temperaturbeständigkeit neben den Kosten relevant. Da die Batterien nach dem Einsatz entsorgt werden, ist auch deren Umweltfreundlichkeit entscheidend.
Beim Verbrennungsmotor wird insbesondere der Energiebedarf zum Starten des Motors gedeckt, jedoch sind auch Verbraucher bei längerem Fahrzeugstillstand zu versorgen, sodass teilweise auch zwei Batterien eingesetzt werden. Auch rein elektrische Fahrzeuge, wie der Tesla Model X, nutzen zur Versorgung der Sicherheitssysteme, des Touchscreens und der Hochvoltschütze eine Blei-Batterie.
Mit Ausnahme von Oldtimern haben handelsübliche Kraftfahrzeuge eine Bordnetzspannung von 12 V (im Nutzfahrzeug-Bereich, teils auch 24V). Jede Batterie wird so montiert, dass Eigenbewegungen (mittels Spannrahmens oder Bügels oder auch über eine Bodenbefestigung) ausgeschlossen werden. Meist ist die Batterie im Motorraum, sofern Bauraum und Umgebungstemperatur es ermöglichen, oder im Kofferraum bzw. der Fahrgastzelle eingebaut.
Unter normalen Bedingungen beträgt der Ruhestrom um die 50 mA bis zu 70 A Ladestrom über die Lichtmaschine während der Fahrt und kurzfristige Leistungsspitzen von ca. 300 A für 3 s zur Überwindung des Losbrechmoments beim Start eines Verbrennungs-Motors.
Insbesondere letzteres dimensioniert die Batterie, wobei kürze Leitungen zum Verbraucher den Spannungsabfall reduzieren und so Batteriekapazitäten reduziert werden können.
In der Vergangenheit ist die Blei-Starterbatterie soweit optimiert worden, dass nur noch begrenzte technische Verbesserungen zu erwarten sind, wobei jedoch ein Kostenvorteil etabliert wurde.
Durch gesteigerte Anforderungen aufgrund komplexer Energie-Management-Systeme in modernen Fahrzeugen ist die klassiche KFZ-Starterbatterie auf Blei-Säure Basis (Nass, Gel, EFB, AGM) einem erhöhten Verschleiß ausgesetzt, wobei Lebensdauern von drei bis fünf Jahren erzielt werden.

Technologie-Vergleich
In der Abbildung ist die typische gravimetrische Energie bzw. Leistung von Blei-Batterien mit gebundener Säure den Lithium-Batterien gegenübergestellt. Ersichtlich ist, dass die insbesondere für die Leistungskennwerte die Lithium-Anwendung Vorteile bietet. So könnte das Volumen und die Masse bezogen auf die Leistung geviertelt und die zur Verfügung stehende Energie erhöht werden. Denn Lithium ist das leichteste Feststoffelement und weist das niedrigste Standardpotential in der elektrochemischen Spannungsreihe auf:

Während bei Blei-Batterien im Rahmen der Konversion ungeordnete chemische Reaktionen die Elektrode auf- bzw. abbauen, bleibt die Gitterstruktur während der Interkalation bei Lithium-Batterie bestehen und nur die Lithium-Ionen werden ein- bzw. ausgelagert, sodass höhere Lebensdauern erzielt werden.
Lithium-Batterie werden meist nach dem verwendeten Materials der positiven Elektrode benannt. Die 1996 patentierte Lithium-Eisenphosphat-Batterie ist thermisch stabil (bis 300° C zeigen sich keine thermischen Effekte), ungiftig und bietet Vorteile bei der Aufnahme bzw. Abgabe von Energie, wobei es Nachteile hinsichtlich der Zellspannung Energiedichte aufweist. Weiterhin bietet 𝐿𝑖𝐹𝑒𝑃𝑂4 einen plateauartigen Verlauf der Spannung über die Kapazität, sodass die verfügbare Batteriekapazität effektiver genutzt werden kann. Darüber hinaus brennen 𝐿𝑖𝐹𝑒𝑃𝑂4-Batterien nicht, setzen keinen Sauerstoff frei und und weisen gegenüber den anderen Zellchemien eine hohe Zyklenfestigkeit . Dies resultiert in Lebenserwartungen einer 𝐿𝑖𝐹𝑒𝑃𝑂4-Batterie von über 123.000 Zyklen gegenüber 72.000 bzw. 21.000 Zyklen für eine Blei-Batterie mit gebundener Säure. Auch die Kaltstartfähigkeit wird mit den aktuellen 𝐿𝑖𝐹𝑒𝑃𝑂4-Zellen erreicht.
Hinsichtlich der CO2-Emissionen bei der Produktion zeigt Abbildung unten eine Gegenüberstellung von 𝐿𝑖𝐹𝑒𝑃𝑂4 zu zwei Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxiden (NCA), Lithiumtitanspinell (LTO) und Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid. Erkenntlich ist, dass 𝐿𝑖𝐹𝑒𝑃𝑂4 die geringste (cradle-to-gate) Emissions-Mittelwert von 252 𝑘𝑔 𝐶𝑂2𝑘𝑊ℎ während der Produktion aufweist:

Die Kapazität einer Batterie hängt unter anderem von der Entladestromstarke, dem zeitlicher Verlauf der Entladung und dem Alter der Batterie ab. Als Vergleichswert um die Entladung zu quantifizieren, wird die C-Rate genutzt, welche angibt, wie lange die Batterie mit diesem Strom entladen werden kann:

Batteriemanagement-System (BMS)
Die wichtigste elektronische Komponente ist das Batteriemanagementsystem, welches neben der Steuerung und Überwachung des Ladezustands die Schnittstelle zur Fahrzeugkommunikation bildet.
Sämtliche Einheiten aus unserem Hause verfügen über ein eigens entwickeltes, technologieführendes Batterie-Management-System (BMS) mit optionaler Integration über das Fahrzeug Kommunikationssystem (CAN- / LIN-Bus).
In diesem Zusammenhang können die im Feld befindlichen Einheiten über eine integrierte Bluetooth-Schnittstelle mittels eigener Smartphone-App permanent überwacht und bei Bedarf proaktiv remote gewartet werden können (Industrie 4.0 Standard).
Sprich wir bieten neben den eigentlichen Produkten auch ein ganzheitliches Support-Fulfillment im Feld der “intelligenten“ Autobatterie:

Zelltechnologie

Der LiFePO4 oder LFP Akkumulator ist eine Weiterentwicklung des Lithium-Ionen-Akkumulators, bei dem die herkömmliche Lithium-Cobaltoxid-Kathode durch eine Lithium-Eisenphosphat-Kathode ersetzt wurde.
Er zeichnet sich durch hohe Lade- und Entladeströme, sehr gute Temperaturstabilität und lange Lebensdauer aus.
Aus LiFePO4 Zellen kann nahezu die gesamte gespeicherten Energie entnommen werden, bei konventionellen Starterbatterien auf Blei-Basis je nach Qualität 30-35%.
Aufgrund der degressiven Spannungskennlinie bei Entladung steht dort bereits sehr früh nicht mehr ausreichend Energie zum Starten des Fahrzeugs zur Verfügung. Die Spannungskennline der LiFePO4 Zellen bleibt hingegen über den gesamten Entladevorgang auf Basis der Abbildung oben nahezu konstant, was eine reproduzierbare Leistungsentnahme ermöglicht.
Hinsichtlich der Bauform der Zellen ist die zylindrische Zelle die verbreitetste Ausführung von Batteriezellen und bietet auch den Vorteil, dass diese sich bei Erwärmung nicht nach außen ausdehnt (im Gegensatz zu Pouch bzw. prismatische Zellen, die sich bei hohem Ladezustand ausdehnen).
Für unsere Entwicklungsprojekte nutzen wir gemeinhin vor-sortierte premium 𝐿𝑖𝐹𝑒𝑃𝑂4-Rundzellen Typ ANR26650M1B des Herstellers LithiumWerks, welche mittels Kupferbändern Laser-verschweißt werden:

Text & Inhalt auf Basis einer Fallstudie in Kooperation mit unserem Partner TGM Lightweight Solutions
und dem National Manufacturing Institute Scotland (NMIS).