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Eine Batterie für 1 Million Kilometer? – das Geheimnis liegt vor allem im Thermomanagement

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Abbildung 1 Temperaturverteilung während der Fahrt
Abbildung 1 Temperaturverteilung während der Fahrt

Toyota garantiert für seinen Lexus UX300e und seinen Elektrotransporter Proace eine Garantie auf die Batterie von 1 Million Kilometer bei einer Laufzeit von 15 Jahren.
Damit haben die Japaner einen cleveren Schachzug gelandet, denn bisher liegt das Risiko bei Elektrofahrzeugen eher bei den Käufern.

Volkswagen verhält sich da etwas vorsichtiger: Bei acht Jahren oder 160.000 Kilometer garantiert VW ein Prozent. Das erinnert mich in gewisser Weise an den Duracell Hasen …

Ob die Toyota-Laufleistung von 1 Mio. Kilometer tatsächlich ausgenutzt wird bzw. ob man die Fahrzeuge 15 Jahre betreibt, ist dabei gar nicht so wichtig. Es ist die Botschaft, die zählt: Wir nehmen Ihnen das Risiko ab!

Bei einer angenommenen Reichweite des UX300e von 400 km bedeutet dies etwa 2.500 Ladezyklen. Bei hochwertigen Batteriezellen geht man heute von mehr als 2.000 Zyklen aus, so dass die 2.500 Zyklen im Bereich des Machbaren liegen.
Das Risiko für Toyota ist also überschaubar, der Werbeeffekt umso größer. Mal ganz abgesehen davon, wer fährt denn mit einem E-Fahrzeug solche Strecken? Schließlich ist da noch die Angst, dass man irgendwo mangels Zeit und Infrastruktur irgendwo in der Landschaft stehen bleibt.

Sowohl beim Beladen der Batterie am DC Schnelllader mit bis zu 100 kW Ladeleistung als auch beim Entladen während der Fahrt sollte ein 75-kWh-Akku innerhalb von 45 Minuten auf 80% seiner Kapazität geladen sein. Es verbleibt also Zeit zum Fahren.

Aber zurück zum Thema …

Wie schafft man konstruktiv eine solch hohe Anzahl an Ladezyklen?

Das Geheimnis liegt im Thermomanagement der Batterie!

Ein auf die Anforderungen zugeschnittenes Kühlkonzept ist die Voraussetzung einer möglichst langen Lebensdauer. Dadurch kann eine gleichmäße Temperaturverteilung gewährleistet und lokale Überhitzungen vermieden werden.
Hierbei sind Simulationen mit FEM und CFD unverzichtbare Instrumente, die während der Entwicklung effizient eingesetzt werden können.
Wassergekühlte Systeme haben sich gegenüber der Luftkühlung weitgehend durchgesetzt. Die höhere Wärmestromdichte des Wassers erlaubt eine effizientere und genauere Temperierung als bei Luft.
Strom und Wasser beißen sich allerdings, so dass bei einer Wasserkühlung der Dichtigkeit erhöhte Aufmerksamkeit gegeben werden muss. Über einen so langen Zeitraum altern Dichtungen und die ursprüngliche Dichtkraft geht auf einen Bruchteil des ursprünglichen Wertes zurück.

Dies sind spannende Themen, da die Erfahrungswerte z.B. von Platinen, Kunststoffteilen und Dichtungen beim Verbrenner mit seinen 8.500 h Betriebszeit nichts mehr wert sind. Schließlich ist das E-Fahrzeug permanent im Standby, wird gefahren oder geladen. Da kommen in 15 Jahren schnell über 100.000 h zusammen.

Unser Know-how

Merkle & Partner ist mit den damit verbundenen Simulationsthemen schon weit über ein Jahrzehnt zugange.

Abbildung 2 Wärmeentstehung durch Stromfluss in einer Zelle

Themen sind hier:

  • Temperaturentwicklung der Batterie beim Laden
  • Temperaturentwicklung der Batterie bei verschiedenen Fahrzyklen und Umgebungsbedingungen
  • Wärmeentstehung durch den Stromfluss
  • Elektrochemie in den Zellen
  • Kühlung der Zellen
  • Dichtigkeit der Gehäuse
  • Drücktests
  • Verhalten beim Crash
  • Thermomechanisches Verhalten
  • Thermoschock
  • Kurzzeit- und Langzeitverhalten der mechatronischen Komponenten
  • Betreuung notwendige Versuche zur Werkstoffcharakterisierung

Wir setzen hier sowohl FEM als auch CFD-Tools ein, je nachdem, welche Fragestellung der Simulation zugrunde liegt.

Sie sind in der Entwicklung neuer Elektrofahrzeuge bzw. Elektromotoren, Brennstoffzellen, Batteriegehäuse, Batteriezellen, Steuerung, bzw. anderen Komponenten tätig und müssen gewährleisten, dass die Anforderungen eingehalten werden? Profitieren Sie hier von unserem langjährigen und einzigartigen Know-how.

Vereinbaren Sie einen unverbindlichen Termin, gerne auch via Video. Wir informieren Sie gerne, wie auch Sie mit uns als Simulationspartner mit den disruptiven Veränderungen im Automobilbau Schritt halten können.

Ihr Stefan Merkle

PS: Verpassen Sie nicht meinen Blog zur aktuellen Einschätzung der Situation in der Automobilindustrie nächste Woche.

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