Elektromobilität Die Traktionsbatterie als strategisches Produkt der Automobilentwicklung

Autor / Redakteur: Ulrich Huber / Reinhard Kluger

Die Vorzeige-Anwendung im eRuf-Porsche vermittelt die Faszination, künftig soll sie aber auch Traktoren und Krane mit Energie versorgen: eine Traktionsbatterie, die ein Batterie-Management auf gleichmäßige Wohlfühltemperatur hält. Dank dieser thermischen Konditionierung lebt die Batterie länger.

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Bella Figura: Elektromotor und ausgeklügeltes Batterie-Managent-system treiben Porsche 911 von Ruf an. <em id="ForP_B83995FB-AA25-80ED-AA02284A567D240B">Bild: STW</em>
Bella Figura: Elektromotor und ausgeklügeltes Batterie-Managent-system treiben Porsche 911 von Ruf an. <em id="ForP_B83995FB-AA25-80ED-AA02284A567D240B">Bild: STW</em>
( Archiv: Vogel Business Media )

Die Energiewende hin zu regenerativen Energien, sie geht Hand in Hand mit neuen Mobilitätskonzepten. Das Elektroauto steht dank der Verfügbarkeit neuartiger Batterietechnik erneut in den Startlöchern — bereit, die Erwartungen an individuelle Mobilität zu erfüllen. Der eRUF, ein Technologieträger auf Basis des Porsche 911, beschreitet neue Wege auf dem Gebiet der Antriebe, der Ladetechnik, der Fahrdynamik und besonders auf dem Gebiet der Batterietechnik und des Thermomanagements. Er ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit mehrerer Unternehmen, u.a. mit Siemens und der Sensor-Technik Wiedemann GmbH (STW) aus Kaufbeuren. Der Sensorikspezialsist hat neue Komponenten entwickelt und diese in das Projekt mit RUF eingebracht.

Quasi als Kleinserie

Für STW, schon lange Zulieferer für Batterie-Management Systeme und auch Hersteller des mobilen elektrischen Antriebssystems powerMELA, ist das Projekt ein weiterer Schritt zur Abrundung seines Kompetenzspektrums. Entstand doch erstmals nicht nur die Elektronik, sondern das ganze Batteriesystem in Kaufbeuren. Um sieben eRUF-Sportwagen auszustatten, hatte STW ein modulares System konzipiert und im Rahmen des Projekts über hundert flüssig gekühlte Batteriemodule mit Lithium-Ionen- Zellen quasi in Kleinserie produziert — ein Konzept, das die zugrundeliegende Strategie bereits erahnen lässt.

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Optimales Design im Fokus der Entwicklung

Bei der Ausstattung des eRUF stand nicht die maßgeschneiderte Lösung im Vordergrund, sondern ein baukastenartiges Standardsystem, das so flexibel ist, dass es selbst in den Gegebenheiten eines 911er-Chassis eine gute Figur macht. Genauso gut könnte es aber in einem Traktor, einem Kran oder einem Müllfahrzeug eingebaut sein. Das optimale Design der Baukastenelemente war also der Mittelpunkt der Entwicklung, wobei die Forderungen, nach hoher Leistungsfähigkeit, optimale thermischer Konditionierbarkeit und die werkstattfreundliche Handhabung ganz oben standen. Dass das bestehende, STW eigene Batterie-Management System mBMS zum Einsatz kommen würde, war von vornherein klar.

Thermomanagement als Optimierungsziel

Das Batteriemodul von STW ist so gestaltet, dass alle stromführenden Teile und gerade die Kontaktierung der Batteriezellen besonders niederohmig ausgeführt sind. Zusätzliche Wärmequellen wie Sicherungen, Schütze und die elektronischen Komponenten wurden von den Batteriezellen thermisch entkoppelt angeordnet, sodass sie keinen Wärmeeintrag leisten können. Als Wärmequellen verbleiben somit die Batteriezellen selbst, und die aktive Kühlung konzentriert sich ganz auf diese. Unter Kenntnis der thermischen Eigenschaften einer aktiven Batteriezelle ist es möglich, eine möglichst direkte Kühlung herzustellen und unter Verwendung eines speziellen umweltfreundlichen Kühlmediums alle Optimierungsziele zu erreichen.

Heizen spielt auch eine Rolle

Neben der Kühlung spielt dabei auch die Heizung eine Rolle, denn ähnlich wie die Insassen des Fahrzeugs, sind auch Batteriezellen durch eine Art Wohlfühltemperatur charakterisiert. Es ist also nicht nur sinnvoll, die Zellen kühlen zu können, sondern sie auch bei Bedarf zu heizen, denn erst ab einer Mindesttemperatur sind sie auch in der Lage, die erwartete Leistung abzugeben. Daher weist der eRUF ein Heizelement auf, mit dem das Kühlmedium der Batterie temperiert werden kann. Der eRUF hat eine interne Spannungslage von bis zu 800 VDC und nutzt damit den Arbeitsbereich der Antriebskomponenten und des BMS vollständig aus. Das Batteriesystem könnte durch eine geänderte Verschaltung ebenso bei geringerer Spannung betrieben werden. Eine Skalierung der Ladeschlussspannung in Schritten von 50 V wäre problemlos möglich.

Montage und Service — Arbeiten unter Spannung?

Hohe Spannungen erlauben es, mit geringeren Strömen auszukommen, allerdings bergen sie auch Gefahren – nicht nur im Berieb, sondern besonders im Wartungsfall. Es liegt nun mal in der Natur einer Batterie, dass selbst eine vollständig entladene Lithium-Ionen Zelle immer noch eine Leerlaufspannung von etwa drei Volt aufweist. Was beim Umgang mit einzelnen Zellen noch einfach beherrschbar ist, wird bei Reihenschaltung vieler Zellen ein Problem: selbst die vollständig entladene Fahrbatterie des eRUF hat noch eine Leerlaufspannung von fast 600 V. Dabei sind schon weit geringere Gleichspannungen lebensgefährlich. Nur eine spezielle Ausbildung und die Anwendung besonderer Vorsichtsmaßnahmen erlauben es, solche Systeme in herkömmlicher Weise zu bauen und zu warten. Die Arbeit ist aber in jedem Fall langwierig und umständlich. Einen wesentlichen Fortschritt stellt dabei das STW System dar, denn jedes Batteriemodul ist grundsätzlich spannungsfrei. Erst beim Einschalten des Gesamtsystems werden die Module aktiviert. Somit erfolgen der Einbau ins Fahrzeug, sowie Wartung und Demontage niemals unter Spannung – eine deutliche Erleichterung.

Die im Rahmen des eRUF Projekts um STW kooperierenden mittelständischen Unternehmen haben bereits aufgezeigt, wie ein hochwertiges neuartiges Serienprodukt aussehen kann, das einen erheblichen Teil dieser Wertschöpfungskette abdeckt.

Ulrich Huber, Projektmanager, Sensor-Technik Wiedemann, Kaufbeuren

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