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1
Entwicklungen auf dem Batteriesektor aus Sicht eines
Automobilherstellers
Dr.-Ing. Arnold Lamm
Senior Manager Charakterisierung HV-Speichersysteme
24.05.2012
Lithium-Ionen-Batterien - Chancen und Risiken für die Region Stuttgart
2A. Lamm / Daimler AG / 11.05.2012
1. Einleitung
2. Systembeschreibung und Anforderungen
3. Modularkonzept, Design-to-Cost Aspekte
4. Stand Wertschöpfungskette Batterie in der NPE-AG2
5. Zusammenfassung und Ausblick
3A. Lamm / Daimler AG / 11.05.2012
Daimler Roadmap nachhaltige Mobilität erfordert die Entwicklung von 3
Batterieapplikationen: HEV, PHEV, EV
1 2 3 4 5 Einleitung
0%
Verbrennungsmotor
(Benzin/Diesel)
100%
Hybrid
Grad der Elektrifizierung
140VHybrid
280VHybrid Batterie
Plug-In Hybrid
(parallel)
Brennstoff-zelle
Start/Stopp(RSG)
Elektrischer Antrieb
„emissionsfrei“
0 CO2/km0 CO2/km74 CO2/km109 CO2/km186 CO2/km99 CO2/km
18 kWh1,5 kWh8 kWh1 kWh1 kWh
55 kW40 kW100 kW20 kW20 kWBatteriedaten
4A. Lamm / Daimler AG / 11.05.2012
1 2 3 4 5
2015 2020 2050
50
100
150
…
gCO2/
km
Time
130 g
CO2/ km
95 g
CO2/ km
95 % CO2 Reduktion in
„road transport“ 1
EU‘s Restriktionen bezüglich
Durchschnittsflottenverbräuche
EU- G8-Ziele bezüglich
Decarbonisierung Straßenverkehr
1 EU Roadmap Study: 95% CO2 reduction for Road Transport (compared to 1990)
EU-Roadmap für CO2-Ziele.
Striktere CO2 Regularien haben hohen Einfluß auf die Automobilhersteller.
Einleitung
5A. Lamm / Daimler AG / 11.05.2012
Systembeschreibung eines Hochvolt-Batteriesystems.
21 3 4 5 Systembeschreibung und Anforderungen
• Das HV-Batteriesystem besteht aus: den Zellmodulen (Zelle/Kühler/Mechanik), den Sensoren, dem BMS, den
elektrischen Komponenten (Stecker, Kabel, Sicherungen, Stromschienen) und dem Batteriegehäuse.
• Die Entwicklung von Hochvolt-Batteriesystemen und deren Integration ins Fahrzeug erfordert eine breite
Kompetenz auf folgenden Fachgebieten: Mechanik, Fahrzeugintegration, Elektrik, Elektronik, Elektro-
chemie, Thermalauslegung und Software.
• Das HV-Batteriesystem besteht aus: den Zellmodulen (Zelle/Kühler/Mechanik), den Sensoren, dem BMS, den
elektrischen Komponenten (Stecker, Kabel, Sicherungen, Stromschienen) und dem Batteriegehäuse.
• Die Entwicklung von Hochvolt-Batteriesystemen und deren Integration ins Fahrzeug erfordert eine breite
Kompetenz auf folgenden Fachgebieten: Mechanik, Fahrzeugintegration, Elektrik, Elektronik, Elektro-
chemie, Thermalauslegung und Software.
Batterie
Management
System (BMS)
Thermal
Management
System
Stecker, Kabel,
Sicherungen,
Stromschienen
Informationen
Kühlmittel
Leistung, Energie
Fahrzeugschnittstellen
Sensoren• Spannungen
• Strom
• Temperatur
Zell
Module
Hochvolt Batteriesystem
6A. Lamm / Daimler AG / 11.05.2012
Das thermische Design unterscheidet zwischen Sekundärkühlung, Direktkühlung mit Kältemittel und Luftkühlung.
21 3 4 5 Systembeschreibung und Anforderungen
S 400 HYBRID
7A. Lamm / Daimler AG / 11.05.2012
Key Performance Parameters eines Batteriesystems für mobile Anwendungen.
Kosten[EUR/kWh]
Peak-Leistung*[kW/ltr]
Volumetrische Energiedichte [Wh/ltr.]
Lebensdauer [Jahre]
Sicherheit[EUCAR Level]
Cold Crank Leistung** [W/kg]
Qualität[Fehler in % als Mittelwert pro Jahr über 10 Jahre]
2
4 3
8
10
6
250/ 70
170/47
90/24
250
750
0 0,5 1,0
150/50
GravimetrischeEnergiedichtey [Wh/kg]
100/30
50/20
200
1
5
100
Targets HEV
Targets EV
EV / HEV
EV/HEV
* @ BoL, 50% SoC, T = +25°C, 10s
** @ BoL, 50% SoC, T = -25°C
1
2
2
3
3
21 3 4 5 Systembeschreibung und Anforderungen
8A. Lamm / Daimler AG / 11.05.2012
Qualitative Einflüsse auf die Lebensdauer: Energiedurchsatz, Stromraten, Temperatur.
Energiedurchsätze
[MWh]
HEV Plug-in Range Extender EV
25
50
75
100
C-Raten
[A/Ah]
HEV Plug-in Range Extender EV
5
10
15
20
Temperatur
Einfluß
HEV Plug-in Range Extender EV
High
MediumLow
21 3 4 5 Systembeschreibung und Anforderungen
9A. Lamm / Daimler AG / 11.05.2012
Verifikationstests zur Absicherung von HV-Batteriesystemen.
21 3 4 5 Systembeschreibung und Anforderungen
Sicherheitstests
Mechanical Abuse Test•Controlled Crush (15%/50%)•Penetration•Drop Test• Tauchtest im Salzbad• Rollover Simulation• Mechanischer Schock
Thermische Tests• Thermischer Stabilitätstest• Simulierter “Fuel Fire” Test• Hochtemperaturspeichertests• Schnelle Ladung/Entladung• Thermische Schockzyklen
Elektrische Tests• Überladung/Überspannung • Kurzschluß (Batterie) • Überentladung/Spannung
(->0% SoC -> 0V)• Partieller Kurschlußtest (Modul)
Mechanische Tests• Kontrollierter Crush (15%/50%)• Penetration• Falltest
• Aktuelle Teststandards zu “kontrolliertem Crush,
Penetration und Droptests” nur für Einzelzellen
und Module definiert.
• Keine realistische Abbildung von Crashsituationen
im Fahrzeug (e.g. Penetrationstest, Deformations-
verhalten von 15/50%)
• Korrelation zwischen Crashlast auf die Batterie
und dem Eigengewicht der Batterie nicht
realistisch.
1. DRAFT für automative Batterien liegt vor:
SAE J2929, ECE R-100-2
Neue Richtlinien
notwendig!
10A. Lamm / Daimler AG / 11.05.2012
Standardisierung von Zellen (prismatische Formate/Pouch-Formate).
31 2 4 5 Modularkonzept, Design-to-Cost Aspekte
Prismatische VDA-Standardzellen für HEV-, PHEV- and EV-Applikationen
Pouch VDA-Standardzellen für HEV-, PHEV- and EV-Applikationen
Maße
BEV 2BEV 1PHEV 2PHEV 1HEV
• 40-44 Ah
• 1000 W @ 300 A
• >120 Wh/kg, 270 Wh/ltr
• >500 W/kg, 1100 W/ltr
• 60-66 Ah
• 1200 W @ 300 A
• >120 Wh/kg, 270 Wh/ltr
• >500 W/kg, 1100 W/ltr
• 24-28 Ah
• 850 W @ 300 A
• >115 Wh/kg, 225 Wh/ltr
• >1400 W/kg, 2800 W/ltr
• 22 Ah
• 850 W @ 300 A
• >115 Wh/kg, 225 Wh/ltr
• >1400 W/kg, 2800 W/ltr
• 5,5 Ah
• 700 W @ 225 A
• >90 Wh/kg, 160 Wh/ltr
• >3000 W/kg, 5000 W/ltr
technische
Daten
Maße
BEVPHEVHEV
• 50-54 Ah
• 1100 W @ 300 A
• > 140 Wh/kg, 300 Wh/ltr
• > 700 W/kg, 1500 W/ltr
• 20-22 Ah
• 850 W @ 300 A
• > 125 Wh/kg, 250 Wh/ltr
• > 1600 W/kg, 3000 W/ltr
• 5,5 Ah
• 700 W @ 225 A
• > 100 Wh/kg, 180 Wh/ltr
• > 3500 W/kg, 5500 W/ltr
technische
Daten
85 x125 x12,5 mm 85 x173 x21 mm 91 x148 x26,5 mm 115 x173 x32 mm 115 x173 x45 mm
121 x 243 x X mm 165 x 227 x X mm 162 x 330 x X mm
11A. Lamm / Daimler AG / 11.05.2012
Die Modulstrategie konzentriert sich auf drei Bausteine: dem Zellblock auf Basis standardisierter Zellen, der E/E-Hardware sowie der Software.
31 2 4 5
• Modul 1
Hardware
Batterie M.
System
Elektrik
Basis
Applikation
SoftwareBatteriegehäuse
(kein Standardteil)
HV- Battery
System
Mechanik Elektrik/Elektronik
• Modul 2a, b
• Modul 3
Zellblock
Zellen
Kühler
2a
2b
Modularkonzept, Design-to-Cost Aspekte
12A. Lamm / Daimler AG / 11.05.2012
Kostendegressionen von Li-Ionen Batteriesystemen („Best Case“) bis 2020.
Basis sind standardisierte Zellen
BEV 2BEV 1PHEV 2PHEV1HEV
85 x125 x12,5 mm 85 x173 x21 mm 91 x148 x26,5 mm 115 x173 x32 mm 115 x173 x45 mm
20.000
€/kWh
Units/Year
800
250
HEV Batteriesystem
EV Batteriesystem
Spezifische Kosten eines PHEV Batteriesystem
liegen zwischen HEV und EV
31 2 4 5 Modularkonzept, Design-to-Cost Aspekte
13A. Lamm / Daimler AG / 11.05.2012
Budget- und Konsortienallokation (2012 -2014, Stand 16.01.2012)
41 2 3 5 Stand Wertschöpfungskette Batterie in der NPE-AG2
2
Lebensdauer –Modellierung & Analytik
Materialentwicklung & Zelltechnologie (Gen 2 & 3)
Neuartige Batteriekonzepte (Gen 4)
Sicherheitskonzepte& Testmethodik
Prozesstechnologiefür Massenfertigung5
4
3
18 Konsortien76 Mio. EUR
4 Konsortien48 Mio. EUR
3 Konsortien52 Mio. EUR
3 Konsortien35 Mio. EUR
8 Konsortien466 Mio. EUR
TOTAL Leuchtturm Batterie NPE: 677 Mio. EUR+ Summe laufende Bat.-proj. BMBF, BMWi, BMVBS 44 Mio. EUR
Ba
tte
rie
14A. Lamm / Daimler AG / 11.05.2012
Zusammenfassung Leuchtturm Batterie (AG2 & AG5)
41 2 3 5 Stand Wertschöpfungskette Batterie in der NPE-AG2
0
200
400
600
800
1000
1200
Vo
lum
en
in
Mio
. €
1. Zw.-bericht 2. Zw.-bericht 16.01.2012
Cluster 1 Cluster 2-4 Cluster 5 Summe
05/2011Stand n. WS
AG2, AG512/2010
Σ 715** Σ 677***
Σ 1060*
* 1. grobe „TOP Down“ Analyse (Cluster 1 = AG5-Bat.-Teil, Cluster 2-5 AG2-Teil).
** Viele Einzelskizzen. Keine Konsortien. Summe Leuchtturm Batterie über 3 Jahre. Im 2. Zw.-bericht der NPE wurden 986 Mio. € entsprechend 4 Jahre ausgewiesen.
*** Bildung von Konsortien abgeschlossen. Anträge eingereicht. Prozesstechnologie für MassenfertigungCluster 5
- Neuartige Batteriekonzepte
- Sicherheitskonzepte & Testmethodik
- Lebensdauer – Modellierung & Analytik
Cluster
2-4
Materialentwicklung & Zelltechnologie Cluster 1
2-4
5
5 5
1 1 1
2-42-4
15A. Lamm / Daimler AG / 11.05.2012
Grobe Mittelverteilung entlang Wirkkette auf Basis Projektskizzen (3 Jahre)
41 2 3 5 Stand Wertschöpfungskette Batterie in der NPE-AG2
Zellkom-
ponenten/ZelleZellmodul
mit integr. Kühler
Elektrik/ElektronikBatterie-ModuleBatteriegehäuse
Aktiv-
materialienRohstoffe/
Chemikalien
Kühler
Mechanik
Zellen
• Batteriemanagementsystem (BMC)• Zellüberwachung (CSC)• Sicherungen, Schütze
• Stecker• Sensoren+ E/E + Mechanik
• F&E: 57 Mio. €• Prozess: 2,5 Mio. €• Anlage: 2,5 Mio. €
• F&E: 45 Mio. €• Prozess: 82 Mio. €• Anlage: 282 Mio. €
• F&E: 24 Mio. €• Prozess: 2 Mio. €• Anlage: -
• F&E: 3 Mio. €• PP: -• PA: -
• F&E: 39 Mio. €• Prozess: 6 Mio. €• Anlage: 57 Mio. €
• F&E: 25 Mio. €• Prozess: -• Anlage: -
Zellmaterialien
ΣΣΣΣ F&E: 193 Mio. € ΣΣΣΣ Prozess: 92,5 Mio. € ΣΣΣΣ Anlage: 341,5 Mio. €
16A. Lamm / Daimler AG / 11.05.2012
51 2 3 4 Zusammenfassung und Ausblick
Zusammenfassung
• 8 Key Performance Indikatoren sind bei der Entwicklung von HV-Batteriesystemen für
mobile Anwendungen zu berücksichtigen (Konsumeranwendungen: max. 4).
• Schwerpunkte der Entwicklung:
PRIO1: Elektrische/Crush-Tests
PRIO2: Lebensdauer/Kosten-Anforderungen.
PRIO3: Performanceanforderungen sowie die Erfüllung von Energie/ Leistungs-Dichten.
• Die Modulstrategie kann in 4 Blöcke unterteilt werden:
• Zellblock einschließlich Kühler
• Batterie Management System
• Elektrikmodul
• SW-Module
• Die Kostenreduktion von HV-Batteriesystemen ist sehr eng verknüpft mit den
anvisierten Stückzahlen/Jahr und der Standardisierung von Komponenten in der Batterie.
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