Neue Batterie-Technologie

Erst ein Durchbruch in der Batterie-Technologie führte dazu, dass Lithium-Ionen-Akkus den spezifischen Anforderungen des Ampera in Sachen Energie, Leistungsfähigkeit, Masse und Dauerhaltbarkeit genügen.

Die Tests der Stromspeicher durch Opel-Ingenieure in Mainz-Kastel schreiten voran, sowohl im Labor als auch auf der Straße. Auf dem Weg zur Serienreife gibt es keine größeren Hürden mehr.

Durch intensive Beschäftigung mit unterschiedlichen Typen von Lithium-Ionen-Batterien besitzen die Entwickler nicht nur umfassende theoretische Kenntnisse über Speicherzellen und Steuerung, sondern sie haben auch das nötige Know-how zu Integration und Serienfertigung.

Die Lithium-Ionen-Batterie ist ideal

Während die Mehrheit der aktuellen Hybrid-Fahrzeuge (genauer: hybrid-elektrische Fahrzeuge, HEV) Nickel-Metall-Hydrid-Batterien (NiMH) nutzt, bezieht der Opel Ampera seine Leistung aus einem 16 Kilowattstunden (kWh) fassenden Lithium-Ionen-Batteriepaket, das aus über 200 einzelnen Lithium-Ionen-Zellen besteht.

Eine Lithium-Ionen-Batterie speichert rund zwei- bis dreimal soviel Energie wie ein NiMH-Akku und beansprucht dabei weniger Platz.

Anders als gemeinhin angenommen, haben Lithium-Ionen-Batterien unterschiedliche chemische Zusammensetzungen – je nach Anwendungszweck und geforderter Leistungscharakteristik. Akkus für den Einsatz im Auto unterscheiden sich grundlegend von solchen für Unterhaltungselektronik oder Laptops.

Die Lithium-Ionen-Technologie macht derzeit die meisten Fortschritte und ist aus verschiedenen Gründen die vielversprechendste. Zu ihren Qualitäten gehören:

   • Überlegener spezifischer Energiegehalt und Leistung
   • Langlebigkeit und Dauerhaltbarkeit
   • Hohe Effizienz
   • Geringere Materialkosten und weniger Austausch
   • Hohe Zellspannung – das heisst weniger Zellen für gewünschte
     Batteriepack-Spannung notwendig
   • Gutes Energie-Gewicht-Verhältnis – besonders wichtig im Auto, wo
     mehr Masse weniger Effizienz bedeutet
   • Konfigurierbar in unterschiedlichen Formen und Größen – ermöglicht
     optimale Raumausnutzung
   • Kein beziehungsweise geringer „Memory-Effekt“ – kann bei anderen
     Batterietypen auftreten, wenn diese nach nur teilweiser Entladung wieder
     aufgeladen werden
   • Geringe Selbstentladung – das heisst wenig Verlust gespeicherter Energie
     bei Nichtnutzung

   • Die Batterietechnologien wurden mit der Zeit immer weiter verbessert
   • Bei Nickel-Metallhydrid-Batterien liegt der Fokus auf „Leistung“ für  
     Hybridautos, nicht auf „Energie“, die für Plug-in- oder rein 
     Batterie-elektrische Fahrzeuge gefragt ist
   • Lithium-Ionen-Technologie stellt Leistung und Energie bereit
   • Aufgabe: Entwicklung großer Lithium-Batteriepacks
   • Einzelzellen, die die Anforderungen erfüllen, existieren mittlerweile

Die Batteriezelle

Die Batteriezelle liefert elektrischen Strom als Ergebnis einer elektrochemischen Reaktion. Der Strom wird von Lithium-Ionen übertragen, die zwischen den Elektroden wandern: Während des Ladens von der positiven (Kathode) zur negativen Elektrode (Anode), während des Entladens von der Anode zur Kathode. Die Ionen sind sehr klein und sitzen in der Kristallstruktur des Elektrodenmaterials.

Verschiedenes Elektrodenmaterial verfügt über unterschiedliche Stromübertragungs-Kapazitäten, was die Speicherkapazität der Zellen beeinflusst. Jede der über 200 Zellen, die im Ampera zum Einsatz kommen, ist ein Baustein des Batteriemoduls und des Batteriepacks. Eine einzelne Zelle hat ungefähr die Größe eines 13x18-Zentimeter-Fotos, ist weniger als einen Zentimeter dick und wiegt weniger als ein halbes Kilogramm.

Jede Batteriezelle besteht aus einer Kohlenstoff-Anode, einer Kathode auf Mangan-Basis und einem Separator, der zur Sicherheit verstärkt wurde und der das Medium enthält, durch das sich die elektrischen Ladungsträger zwischen den Elektroden der Zelle bewegen.

Die Zelle ist von einer schützenden Polymer-beschichteten Aluminiumhülle umgeben, die Gasaustritt verhindert und die Kühlung verbessert. Mithilfe von Zungen am oberen Rand der Zellen werden diese innerhalb eines Moduls untereinander verbunden.

Das Batteriemodul

Für den Zusammenbau von einzelnen Zellen zu einem Batteriepack für ein Elektro- oder Hybridauto sind unterschiedliche Konstruktionen denkbar. Meist wählt man ein modulares Design, bei dem eine Anzahl von Zellen zu einer Einheit zusammengefasst werden. Ein solches Modul verfügt über eigene Steuerelektronik, die Spannung und Stromstärke überwacht sowie die Ladung und Entladung steuert. Mehrere Module ergeben zusammen ein Batteriepaket, das dem jeweiligen Fahrzeugtyp entsprechend dimensioniert ist. Die gleichen Module könnten in verschiedenen Arten von Batteriepacks verbaut werden.

Das Batteriepaket

   • Ein Batteriepaket ist die Baugruppe eines Hybrid- oder Elektroautos,
     in der die elektrische Energie gespeichert wird. Das Voltec-Antriebssystem
     verfügt über einen Lithium-Ionen-Batteriepack mit 16 kWh Kapazität,
     der weniger als 200 Kilogramm wiegt.
   • Das Ampera-Batteriepaket besteht aus mehreren in Reihe geschalteten
     Modulen, die in einem Gehäuse in der Bodengruppe untergebracht sind.
     Zusammen enthalten die Module über 200 Batteriezellen.
   • Das Batteriepaket enthält Komponenten für die Steuerung sowie die
     Überwachung des Lade- und Entladevorgangs.
   • Die Module sind in einer Stahlwanne befestigt und untereinander mit
     flexible Leitungen verbunden.
   • Relais und Mechanik ermöglichen es, die Ausgangsspannung der
     Baugruppe automatisch oder manuell zu steuern.
   • Sensoren messen die Kühlmitteltemperatur auf der Ein- und Auslassseite.
   • Verteiler und Kühlmittelleitungen dienen dem Wärmetausch an den
     Zell-Oberflächen.
   • Die Strom-Abgabe/Aufnahme des Packs mit Betriebsspannung erfolgt über
     einen zentralen Anschluss.
   • Das Batteriegehäuse schützt und isoliert das Paket von der Umgebung.

Design & Integration

Das Batteriepaket …

    • … ist T-förmig, was den Designern größtmögliche Freiheit gibt.
    • … ist in einer Stahlwanne mit Kunststoff-Abdeckung untergebracht.
    • … ist Teil der Fahrzeugstruktur.
    • … ist in der Bodengruppe angeordnet.

Sicherheit

   • Die Batteriezelle von LG Chem nutzt eine Kathode auf Mangan-Basis
     mit Zusätzen, die die Lebensdauer bei hohen Temperaturen verbessern.
   • Zur Vermeidung von Sicherheitsrisiken – in Unterhaltungselektronik kam
     es bei Lithium-Ionen-Batterien zu Kurzschlüssen und Überhitzung –. wurden
     zahlreiche Maßnahmen ergriffen. Ein Beispiel ist der von LG Chem entwickelte
     „Safety Reinforced Separator“ (sicherheitsverstärkter Separator). Er besteht
     aus einer halbdurchlässigen Membran zur Trennung der Elektroden, deren
     mechanische und thermische Eigenschaften denen herkömmlicher
     Separatoren überlegen sind.
   • Kontrollelemente sowohl im primären als auch im Hilfs-Batteriepack
     überwachen und regeln Spannung, Ladezustand und Temperatur.
   • Umfangreiche Tests von Lithium-Ionen-Batteriepacks im Labor und in 
     Entwicklungsfahrzeugen auf der Straße haben keine Probleme in Sachen
     Sicherheit oder Leistungsfähigkeit gezeigt.

Haltbarkeit

   • Autobatterien sind unwirtlichen, lebensfeindlichen Umweltbedingungen
     ausgesetzt und sollen ein Autoleben lang halten. Opel testet derzeit
     Batteriepacks im Labor und auf der Straße. Diese Tests bringen Erkenntnisse
     darüber, wie sich diese Packs im Alltagseinsatz bewähren, auch in besonders
     heißem oder kaltem Klima.
   • Jede Batteriezelle des Opel Ampera ist von einer Polymer-beschichteten
     Aluminiumhülle umgeben, die besonders sicher ist und gleichzeitig für gute
     Wärmeabfuhr sorgt. Sie ist auf besondere Robustheit auch bei extremen
     Bedingungen ausgelegt und hilft, Kosten und Komplexität des
     Batterie-Kühlsystems zu reduzieren.

Blick nach vorn

Künftige Batteriegenerationen zeichnen sich aus durch:

   • Geringere Kosten durch mehr Gleichteileverwendung (weniger Teile)
   • Höhere Energiedichte durch noch effizientere Raumausnutzung
   • Bessere Leistung bei niedrigen Temperaturen
   • Effizientere Isolierung und noch weniger Selbstentladung
   • Geringeres Gewicht
   • Höhere Leistungsfähigkeit