EV-Batteriepack-Designs: Ein Überblick

Ein gut konzipiertes Batteriepaket muss mit Benzinmotoren konkurrieren, um Kunden anzusprechen. Das ist eine echte Herausforderung, denn Elektrobatterien müssen komplexe Probleme lösen, die Verbrennungsmotoren (ICE) nicht haben. 

Hier sind einige häufige Probleme, die die Leistung eines Batteriepacks beeinträchtigen können:

• Batterien erbringen bei kalter Witterung und niedrigen Temperaturen nicht ihre volle Leistung. Batterien funktionieren am besten innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs, der zwischen 20 °C und 25 °C (68 °F und 77 °F) liegt. Die Aufrechterhaltung der richtigen Betriebstemperatur ist unerlässlich.
• Batterien verlieren im Laufe der Zeit durch natürlichen Verschleiß einen Teil ihrer verfügbaren Leistung. Die Hersteller von Elektrofahrzeugen müssen sicherstellen, dass dieser Leistungsverlust nicht das Fahrerlebnis beeinträchtigt.
• Um eine optimale Leistung zu erzielen, müssen die Batteriezellen ausgeglichen sein, d. h., sie müssen alle die gleiche Spannung haben. Die Batteriezellen werden während des Ladevorgangs wieder ins Gleichgewicht gebracht, verlieren aber mit zunehmendem Alter ihre Fähigkeit, dieses Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus stellen die immer beliebter werdenden Schnellladungen eine Herausforderung für die Ausgleichsleistung dar.

Um die Komplexität der Batterietechnologie besser zu verstehen, sollten wir uns mit den folgenden Themen befassen:

• Was ist ein Batteriepack?
• Die Bestandteile eines Batteriepacks
• Die 4 hauptsächlichen Ausführungen von Batteriepacks

Was ist ein Batteriepack?

Eine Batterie ist ein Gerät, das elektrische Energie speichert, um ein elektrisches System mit Strom zu versorgen, z. B. ein Elektrofahrzeug (EV) oder ein Energiespeichersystem (ESS). Die Energie wird in Zellen gespeichert, die alle im Batteriepack miteinander verbunden sind.

Um eine ausreichende Leistung zu erbringen, benötigen Batteriepacks eine Mindestspannung, die eine einzelne Zelle nicht erreichen kann. Daher werden mehrere Zellen in Reihe geschaltet, um die Spannung zu erhöhen. Einige Ausführungen verwenden Zellen mit geringer Kapazität. Um die gewünschte Batterieenergie zu erreichen, werden die Zellen parallel geschaltet, um die Kapazität zu erhöhen. Parallel geschaltete Zellen liefern Strom, als wären sie eine einzige, größere Zelle.

Batteriepacks bestehen aus mehreren kleineren Teilen, die als Batteriemodule (oder Subpacks) bezeichnet werden. Diese Module bestehen aus einer kleineren Anzahl von Zellen, die in Reihe und parallel geschaltet sind. Sie stehen in der Regel unter einer niedrigeren Spannung, die sich sicher handhaben lässt. Module erleichtern die Wartung, wenn nur einige wenige Zellen defekt sind und diese ausgetauscht werden können, ohne dass die gesamte Batterie ersetzt werden muss. EV-Batterien bestehen in der Regel aus 4 bis 40 Modulen, die in Reihe miteinander verbunden sind.

Die Bestandteile eines Batteriepacks

Die Batterie ist das teuerste Bauteil in einem Elektrofahrzeug. Es handelt sich um ein komplexes System, das aus einer Vielzahl von Komponenten besteht. Hier sind einige der wichtigsten Komponenten.

• ​DieZellen sind die wichtigsten Bestandteile eines Batteriepacks. Das Stoffgemisch, aus dem die Zelle besteht, wird als ihr Chemismus bezeichnet. Verschiedene chemische Zusammensetzungen in der Batterie können unterschiedliche Leistungen und Spezifikationen erzielen. Es gibt zwei gängige Arten von Zellen: Energiezellen und Leistungszellen. Außerdem gibt es zahlreiche Varianten, um je nach Anwendung einen perfekten Kompromiss zu finden. In der EV-Industrie ist die Lithium-Ionen-Zelle (Li-Ion Cell) der am häufigsten verwendete Chemismus. Gelegentlich werden auch alternative chemische Zusammensetzungen verwendet, z. B. Nickel-Metallhydrid (NiMH), das eine etwas längere Lebensdauer hat.
• Elektrische Verbindungen wie Busbars, Drähte oder andere Verteilungsleiter werden verwendet, um Reihen- oder Parallelverbindungen zwischen Zellen und Zellengruppen herzustellen. Diese Verbindungen werden in der Regel durch Ultraschallschweißen oder Laserschweißen hergestellt. Busbar-Verbindungen zwischen Modulen können auch mechanisch mit Hilfe von Befestigungselementen hergestellt werden.
• Wärmeleitmedien (TIM) wie Pasten, Klebstoffe und Lückenfüller werden zwischen Batteriekomponenten eingesetzt, um sie mechanisch zu verbinden und gleichzeitig die thermischen Eigenschaften zwischen den Oberflächen zu verbessern. Mit dem Aufkommen der strukturellen Batteriepacks werden TIMs zu wesentlichen Komponenten.
• Das Battery Management System (BMS) schützt die Zellen durch die Überwachung wichtiger Parameter wie Spannungen, Ströme und Temperaturen. Es ist für den Zellenausgleich verantwortlich (um die optimale Leistung der Zellen bei der richtigen Spannung zu erhalten) und kommuniziert mit verschiedenen Systemen wie dem Motormanagement und der Temperaturkontrolle. Es umfasst auch Schutzvorrichtungen, die die Batterie bei Bedarf abschalten können. 
• Das Battery Thermal Management System (BTMS) steuert die thermische Energie im Antriebsstrang und im Innenraum des Elektrofahrzeugs, und sorgt je nach Bedarf für Kühlung oder Heizung, um den Wärmebedarf der Batterie zu decken und die Zellen zu schützen. Das BTMS umfasst mehrere Komponenten wie einen Wärmetauscher, Rohre, Schläuche, Kühlplatten, Pumpen, Ventile und Temperatursensoren.
• Das Schützsystem ist ein Schalter, der durch das Batteriemanagementsystem gesteuert wird. Es kann die elektrische Verbindung zwischen der Hauptbatterie und der Hochspannungssammelschiene unterbrechen, die den Fahrmotor und andere Hochspannungskomponenten mit Strom versorgt.
• Das Gehäuse ist eine starre Umhüllung, die die Batterie vor Umwelteinflüssen wie Wasser, Staub und Salz schützt. Es trägt zur Aufrechterhaltung einer präzisen Temperatur und elektrischen Isolierung in der Batterie bei und verhindert Schäden wie Rost und langsame Kurzschlüsse.
• Das Kommunikationssystem stellt die Kommunikation mit anderen Komponenten des Elektrofahrzeugs sicher. Das am häufigsten verwendete Protokoll ist der CAN-Bus.

Die 4 hauptsächlichen Ausführungen von Batteriepacks

12V-Batteriepacks für Zubehör

Aufgrund ihrer niedrigen Spannung werden 12V-Batterien für Anwendungen mit geringem Energieverbrauch wie Scheinwerfer, Funksysteme und anderes Zubehör verwendet. In Hybrid- und Benzinfahrzeugen werden sie zum Anlassen des Motors verwendet. In Elektrofahrzeugen werden sie als Energiequelle genutzt, die ohne die elektrische Hauptbatterie (Traktionsbatterie) funktionieren kann. Sie dient beispielsweise dazu, die Antriebsbatterie zu aktivieren und einige wichtige Komponenten mit Strom zu versorgen, wenn der Strom aus Sicherheitsgründen abgeschaltet wurde.

Traditionell wurden die bekanntesten 12V-Batterien auf der Grundlage des Blei-Säure-Chemismus hergestellt und daher als Blei-Säure-Batterien bezeichnet. Die Anzahl der Zellen in diesen Paketen war auf 6 begrenzt. Die neuesten 12V-Batterien sind Lithium-Ionen-Batterien, deren Lithiumzellen eine bessere Leistung und ein geringeres Gewicht bieten.

12V-Batterien sind klein und befinden sich normalerweise unter der Motorhaube. In jüngster Zeit sind die Hersteller dazu übergegangen, sie im Kofferraum zu platzieren, um die Sicherheit zu erhöhen und die Gefahr von Kurzschlüssen bei Unfällen zu minimieren. Da mehr Zusammenstöße an der Vorderseite stattfinden, ist die Batterie besser vor Stößen geschützt, wenn sie an der Rückseite angebracht ist.

Hybrid-Batteriepacks

Hybridbatterien enthalten eine geringere Energiemenge als EV-Batterien und sind viel kleiner. Heutige Hybridbatterien haben jedoch in der Regel eine Reichweite von 50 bis 80 km. Sie können für die meisten Kurzstrecken genutzt werden, ohne auf den Verbrennungsmotor (ICE) zurückgreifen zu müssen. Das ist eine große Verbesserung im Vergleich zu den ersten Modellen, die nur eine Eigenständigkeit von 1 km boten.

Hybridbatterien sind so konstruiert, dass sie den Verbrennungsmotor ergänzen, wenn dieser am wenigsten effizient ist, z. B. beim Beschleunigen. Ziel ist es, den Benzinverbrauch so weit wie möglich zu senken. Die Batterie kann sich auch selbst wieder aufladen, indem sie beim Bremsen erzeugte Energie zurückgewinnt (Bremsenergierückgewinnung).

EV-Batteriepacks

Im Gegensatz zu anderen Batteriepacks sind EV-Batterien vollwertige Batterien, die für den gesamten Energiebedarf des Fahrzeugs, einschließlich Fahrmotor und Zubehör, ausgelegt sind. Aktuelle Batterien für Elektrofahrzeuge bieten zwischen 20 und 130 kWh Energie und können zwischen 90 und 95 % dieser Energie nutzen – ein viel höherer Prozentsatz als bei anderen Batterietypen. Der Mercedes EQS ist das Elektroauto mit der höchsten Reichweite: Er bietet eine Eigenständigkeit von 780 km. 

Die Batterien von Elektrofahrzeugen machen einen erheblichen Teil des Gewichts und des Volumens des Fahrzeugs aus. Sie können bis zu 450 kg wiegen, was einem Viertel des Gesamtgewichts des Fahrzeugs entspricht. Es gibt verschiedene Ausführungen mit einer Hochspannung von 400 V bis 900 V. Bei den neuesten Entwürfen werden sie als Teil der Fahrzeugstruktur integriert.

Leistungsstarke Batteriepacks

Hochleistungs-Batteriepacks sind Batterien, die für die Formel E entwickelt wurden. Sie werden in zwei Kategorien unterteilt: Hybrid- und reine Elektrofahrzeuge. Sie werden aus Verbundwerkstoffen hergestellt, um eine ultraleichte Struktur zu erhalten. Einige Hochleistungsbatterien sind austauschbar, so dass sie während des Rennens ausgetauscht werden können.

Obwohl sie klein sind, können diese Batterien eine extrem hohe Leistung liefern. Genauer gesagt können sie eine Leistung von mehreren hundert kW erbringen, was ausreicht, um ein ganzes Stadtviertel mit Strom zu versorgen. Ihr Kühlsystem ist aufgrund des hohen Energiebedarfs überdimensioniert. 

Hochleistungsbatterien sind energieeffizienter als andere Batterietypen. So können sie beispielsweise einen größeren Teil der beim Bremsen verlorenen Energie zurückgewinnen (Rekuperationsbremsen).

Die Entwicklung von Batteriepack-Designs

In den letzten zehn Jahren hat sich das Design von Batteriepacks stark weiterentwickelt, um die Nachfrage nach einer größeren Reichweite zu befriedigen. Das wachsende Interesse an Elektrofahrzeugen hat es auch ermöglicht, die Produktion durch fortschrittlichere Fertigungstechnologien wie Laser zu rationalisieren, um die Qualität weiter zu verbessern und die Kosten zu senken.

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