Wie sind Batteriesysteme aufgebaut?

Jedes Kind kennt Batterien aus dem ferngesteuerten Auto, der Wanduhr oder der TV-Fernbedienung. Und trotzdem stiftet die Bezeichnung Batterie im Kontext der Elektromobilität oft Verwirrung. Wir klären auf.

Die üblichen Haushaltsbatterien sind Batteriezellen und diese gibt es in vielen verschiedenen Formen. Von der Knopfzelle, über die runde längliche bis zur grossen eckigen Batterieform. Zusätzlich unterscheiden wir zwischen Primärbatterien und Sekundärbatterien. Erstere werden nach Gebrauch und Entladung entsorgt und im besten Fall dem Batterierecycling zugeführt. Sekundärbatterien hingegen sind wiederaufladbar und eignen sich deshalb für den Verbau auch in elektrisch betriebenen Nutzfahrzeugen. Man nennt sie auch Akkumulatoren.

Bei den Sekundärbatterien gibt es verschiedene chemische Zusammensetzungen und Wirkungsweisen. In unseren Futuricum E-LKW verwenden wir Lithium-Ionen Batteriezellen des Typs NMC (Lithium Nickel, Mangan und Kobalt Oxide). Diese zeichnen sich durch ihre hohe Energiedichte, geringe Selbstentladung und im Vergleich zu anderen Zelltypen über eine gleichmässigere, hohe Leistungsabgabe aus.

Eine Welt für sich: Das Hochvolt-Batteriesystem
In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die verschiedenen Komponenten eines Hochvolt-Batteriesystems der Marke Batteriewerk, wie wir es bei unseren Futuricum E-LKW im täglichen Einsatz vorfinden.

Unser Batteriewerk-Batteriesystem besteht aus Batteriezellen eingepackt in Modulen, einem Batteriemanagement System (BMS), klimatisierenden Elementen, Sicherungssystemen wie Schützen, einem Manual Service Disconnect (MSD) und einer isolierenden Schutzschicht im Inneren des Batteriesystemgehäuses.

Batteriezellen – ohne sie geht gar nichts
Beginnen wir bei der kleinsten Einheit – den Batteriezellen. In den Batteriezellen wird elektrische Energie gespeichert und bei Bedarf abgerufen. Batteriezellen gibt es in verschiedenen Formaten. Zu den gängigsten Formen in der Elektromobilität zählen die prismatische, die zylindrische und die Pouch Zellen Form. Unterschiedliche Hersteller haben sich auf unterschiedliche Formen festgelegt: LG stellt hauptsächlich Pouch Zellen her, Samsung fertigt massgeblich prismatische Zellenformen und Panasonic produziert vornehmlich zylindrische Formen.

Bei der Auswahl der Zellenformen spielen unterschiedliche Aspekte eine Rolle. Zylindrischen Batteriezellen, wie sie unter anderem in PKW verwendet werden, wird nachgesagt, dass sie durch die grosse Oberfläche von Haus aus einen besseren Kühleffekt haben. Gleichzeitig brauchen sie mehr Platz und gelten als weniger sicher als die anderen Zellformate.

Grössere zylindrische und Pouch-Formate seien laut einer Studie der Frauenhofer Allianz Batterie in Bezug auf die Energiedichte auf Modulebene noch Vorreiter. Bei der Betrachtung des Gesamtsystems ziehen die prismatischen Formate an ihren Batteriekollegen vorbei. Sowohl in punkto Kühlung, Sicherheit und Lebensdauer übertreffen die Vorteile eines grossen Batteriesystems mit prismatischen Zellformen. Auch bei der Energiedichte und Reduktion von Kobalt und Lithium holt das prismatische Format auf.

Neben der Energiedichte, Wärmeentwicklung und Sicherheit stehen die geometrische Abmessung, die Integrationsmöglichkeit der Zellen in Module, die Kosten und Verfügbarkeit eine Rolle für die meisten OEMs. Derzeit setzen die grossen Player in der Automobilindustrie unterschiedliche Technologien ein, um sich weniger abhängig von einem Lieferanten zu machen. Der massive Anstieg des Bedarfs an Batteriezellen führt weltweit immer wieder zu Schwankungen in der Verfügbarkeit.

Bei Batteriewerk setzen wir auf eine optimale Kombination von Sicherheit, Energiedichte und Langlebigkeit mit dem Einsatz von prismatischen Zellformaten mit NMC Lithium-Ionen Batteriezellen.

Module – Energie verbunden
Einzelne Zellen wären in der Handhabung unpraktisch und so werden diese durch einen Zellverbund zu einem Modul zusammengebaut. Diese Module werden bei uns direkt auf klimatisierende Platten montiert und erreichen damit, fast unabhängig von den Aussentemperaturen, eine optimale Temperierung. Die Module können so bis auf 15 Grad heruntergekühlt oder auf 40 Grad aufgeheizt werden. Die optimale Betriebstemperatur liegt bei 25 Grad.
Bei Futuricum verbauen wir Module von BMW mit 5,2 kWh. Zusätzlich verbauen wir VDA355 Module, die aufgrund ihrer etwas kleineren Dimensionen und dadurch einem flexibleren Einsatz oft in Customized Lösungen verbaut werden. Diese Module warten mit einer Kapazität von 2,2 kWh auf.

Batteriesystem – Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Einzelteile
Nochmal von Anfang: Ohne die Energiespeicherung in den Batteriezellen passiert nichts. Diese bilden die kleinste Einheit. Daraus werden Batteriemodule, die bei der Organisation und Verwaltung der einzelnen Zellen in einem System helfen. Und schliesslich bilden die Zellen in den Modulen und viele Module mit weiteren Komponenten in einem Gehäuse unser Batteriesystem.

Unser Batteriesystem setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen:
Je nach Batteriekapazität werden zwischen 8 und 96 Modulen in einem robusten und wasserdichten Batteriegehäuse verbaut. Rund um die Module und deren Kühl- bzw. Heizplatten sorgen Isolationsplatten für einen thermischen und mechanischen Schutz gegen äussere Einflüsse wie Schläge und extreme Wetterbedingungen.

Als Kontrollelement überwacht das Batteriemanagement System (BMS) alle vitalen Funktionen. Temperatur, Spannung, Ladezustand und Spannungsbalance werden ständig überwacht und im Bedarfsfall reguliert und damit die Akkumulatoren geschützt. Spannungsdiagnose und Powerprediction sorgen für Überspannschutz, Tiefentladeschutz und den richtigen Ausgleich der Ladungszustände.

Schütze und ein Manual Service Disconnect trennen Plus- und Minus-Pole als Notaus und schützen gegen Überströme. Überhitzung des Batteriesystem – wie in den Anfangsjahren der Elektromobilität – gehört damit der Geschichte an.

Das Baukastenprinzip ermöglicht eine individuelle Anpassung an den Anwendungsbereich in Bezug auf die Raumdimensionen, Batterieleistung und -kapazität.

Mit den Hochvolt-Optionen von 400 Volt und 800 Volt lassen sich Ladezeiten und Verlustleistungen optimieren und sogar durch geringeren Materialaufwand Kosten sparen.

Und wie entscheidet man sich?
Zweck und Einsatzbereich sind massgebend bei allen Überlegungen zur Wahl des Batteriesystems. Das Ökosystem, in dem die Batterie ihre Leistung erbringen soll, ist entscheidend auf der Suche nach der richtigen mobilen Speicherlösung für Ihr Fahrzeug.
Kontaktieren Sie uns und wir beraten Sie kostenfrei, welche Lösung die Richtige für Sie ist.