Von der Blei- zur Li-Ionen-Batterie. Uwe Köhler

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1 Von der Blei- zur Li-Ionen-Batterie Innovative Energiespeicher-Systeme espe e e für Fahrzeuganwendungen e ge Uwe Köhler Johnson Controls Power Solutions GmbH MobiliTec 2013, Hannover

2 Agenda Elektrotraktion und Batterien historisch Die entscheidenden Batteriesysteme für Fahrzeuganwendungen Blei-Batterien für moderne Fahrzeugtechnologie Lithium-Ion-Batterien für die Elektromobilität und neue Fahrzeuganwendungen Zusammenfassung und Ausblick

3 Agenda Elektrotraktion und Batterien historisch Die entscheidenden Batteriesysteme für Fahrzeuganwendungen Blei-Batterien für moderne Fahrzeugtechnologie Lithium-Ion-Batterien für die Elektromobilität und neue Fahrzeuganwendungen Zusammenfassung und Ausblick

4 Zur Historie der Elektrotraktion im Fahrzeug Elektromobilität, Berlin 1905 Siemens Viktoria Produktion: 50 Stück Blei-Batterie Gewicht: 480 kg Reichweite: 80 km Leistung: 5 PS (Quelle: Wikipedia)

5 Zur Historie der Elektrotraktion im Fahrzeug Blei-Batterien im Elektrobus, Berlin 1913 (Quelle: Wikipedia)

6 Historie des Elektrofahrzeuges Die 1970er Pöhlmann (Ni/Cd) BMW (Ni/Fe) Auf dem Mond (AgO/Zn) VW (PbO2/Pb) (Quelle: Wikipedia, Varta)

7 Erste Großserienanwendung von Traktionsbatterien im PkW Das Nickel-Metallhydrid-System im Toyota Prius Porsche-Lohner Hybrid 1901 Toyota Prius, 2005 Blei-Batterie Batterie (1.8 to, 25 kw) (Quelle: Wikipedia,Toyota) NiMH Batterie (50 kg, 40 kw)

8 Agenda Elektrotraktion und Batterien historisch Die entscheidenden Batteriesysteme für Fahrzeuganwendungen Blei-Batterien für moderne Fahrzeugtechnologie Lithium-Ion-Batterien für die Elektromobilität und neue Fahrzeuganwendungen Zusammenfassung und Ausblick

9 Die aktuellen Batteriesysteme für den Fahrzeugeinsatz Typ Spec Energy/ cell (Wh/kg) Spec Power/ cell (W/kg) Voltage/ cell (V) Pb / PbO2 < 40 < SLI, Start Stop 6 Cells = 12.5 V p Nickel Metal Hydrid Sodium Nickel Chlorid (300 C) < 80 < Hybrid <125 < EV 10 cells = 12.5 V 6 Cells = 14.1 V Hybrid (Micro, Lithium-Ion <150 > Mild, Full, Plug- In), EV, Starter 4 cells = 14.4 V

10 Batteriegewicht für 150 km Reichweite (30kWh) Type Spec Energy Cell Level Spec Energy System Level Example 30kWh system Pb /PbO2 < 40 Wh /kg 33 Wh /kg 900 kg NiMH < 70 Wh / kg 60 Wh / kg 500 kg NaNiCl2 125 Wh / kg 80 Wh / kg 375 kg Li-Ion 150 Wh / kg 110 Wh / kg 270 kg ENGINEERING - Cell components - Cell form factors - Production processes ENGINEERING - Mechanical system engineering g - Electronics & Electrics engineering - Thermal design

11 Zyklenlebensdauer Blei- im Vergleich zu NiMH- und Li-Ion-Batterien / NC Capac city Turnover / Li-Ion und NiMH Pb-flooded Pb-AGM NiMH Li-Ion DOD %

12 Agenda Elektrotraktion und Batterien historisch Die entscheidenden Batteriesysteme für Fahrzeuganwendungen Blei-Batterien für moderne Fahrzeugtechnologie Lithium-Ion-Batterien für die Elektromobilität und neue Fahrzeuganwendungen Zusammenfassung und Ausblick

13 Blei-Batterien im b1fahrzeug Für: Bedienerfreundlichkeit Komfort und Luxus Sicherheit Geringeren Kraftstoffverbrauch Geringere Emissionen Bleibatterien waren und sind die Basis für technischen Fortschritt und eine höhere Umweltfreundlichkeit von Fahrzeugen.

14 Folie 13 b1 Besser: Starterbatterien im Fahrzeug. Oder Bleibatterien im Fahrzeug bbuscha;

15 Batterien für Start-Stop-Anwendungen - Zusätzliche Anforderungen an die Batterie Standard SLI Start-Stop System Functions Increased number of engine starts t Maintain loads during engine off alternator shut-off while in motion (passive boost) and brake energy recuperation Start-Stop Battery Requirements Increased cycling Increased depth of discharge Operation at partial state of charge PSoC Good predictability of behavior for BMS

16 Die Blei-Batterie b2 Vorteile und Grenzen Vorteile Bewährte Technologie Gutes Tieftemperaturverhalten (Start) Etabliertes Recycling Niedrige Kosten Sicher Grenzen Beschränkter Zyklendurchsatz HV-Systeme schwierig zu realisieren Moderate spez. Leistungen Hohes Gewicht

17 Folie 15 b2 Besser: Starterbatterie. Sonst Bleibatterie bbuscha;

18 Agenda Elektrotraktion und Batterien historisch Die entscheidenden Batteriesysteme für Fahrzeuganwendungen Blei-Batterien für moderne Fahrzeugtechnologie Lithium-Ion-Batterien für die Elektromobilität und neue Fahrzeuganwendungen Zusammenfassung und Ausblick

19 Ein Blick auf die Marktentwicklung neue Batteriesysteme für neue Fahrzeugtypen SLI for Low Vehicle Electrification Advanced Battery for Moderate Vehicle Electrification Advanced Battery for High Vehicle Electrification Engine cranking Accessory loads Start-Stop Low power recuperation Engine-off loads and restart Advanced Start-Stop Component electrification Engine off while coasting Mild HEV Engine downsizing Powertrain boosting HEV Short range electric drive High power boosting PHEV Extended range electric drive EV Full electrification

20 Regulatorische Anforderungen an Treibstoffverbrauch und CO 2 - Emissionen sind Treiber für neue Technologien CO 2 Targets Europe -15% bis % gegenüber g 2015 bis 2020 United States -15% bis China 40+% Verbesserung der Effizienz bis 2025 grams CO 2 /km Orientierung an EU- Regularien

21 Lithium-Ion Vorteile und Herausforderungen Vorteile Hohe Leistungsfähigkeit Geringes Gewicht Hohe Kapazitätsdurchsätze Lange kalendarische Lebensdauer Herausforderungen Kosten Tieftemperatur-Leistungsfähigkeit Sicherheit

22 Core Packs Elektrifizierung des Antriebsstranges Li-Ionen-Batteriesysteme HEV PHEV BEV Spannung 346 V 346 V 346 V Leistung 10s 25 C 55 kw 70 kw 114 kw Energieinhalt 2,35 kwh 14,2 kwh 28,4 kwh Thermisches Management Flüssigkeit Flüssigkeit Flüssigkeit Abmessungen L x W x H (mm) x 425 x x 455 x x 870 x 325

23 Lithium-Ionen-Technologie von Johnson Controls im Einsatz Mercedes S-Klasse Blue Hybrid Hybridantrieb mit Lithium-Ionen-Batterie Ford Transit Connect Electric Elektroantrieb mit Lithium-Ionen-Batterie Elektrische Außenborder von Torqeedo Elektroantrieb mit Lithium-Ionen-Batterie DAME Award der Amsterdam Boat Show Innovationspreis der National Marine Manufacturer s Association

24 Li-Ionen-Zellen - Zylindrisch Chemie Positives Aktivmaterial: NCA Negatives Aktivmaterial: Graphit Elektrolyt: LiPF6 in organischem Lösungsmittel Separator: Polyolefin-Membran Gehäuse Aluminum Lasergeschweißt Beide Pole im Deckelbereich Patentiertes Sicherheitsventil

25 Li-Ionen-Zellen Prismatisch Chemie Positives Aktivmaterial: NMC Negatives Aktivmaterial: Graphit Elektrolyt: LiPF6 in organischem Lösungsmittel Separator: Polyolefin-Membranolefin Gehäuse Aluminum Lasergeschweißt Beide Pole im Deckelbereich Integriertes Sicherheitsventil Zellverbinder: Verschraubung oder Verschweißung

26 Zyklenlebensdauer Verschiedene Systeme Starke Abhängigkeit von der Entladetiefe Capa city Turnover / NC Hybrid Betrieb: > km GM Volt Zyklenlebensdauer: Elektrofahrzeug (30 kwh / 150 km) > km HEV : 5-10% Entladetiefe (DOD) entspricht 15k- 20k Kapazitätsdurchsätze Pb-flooded Pb-AGM NiMH Li-Ion Plug-In HEV operation range = 300k 400k Zyklen EV : 90% DoD > Kapazitätsdurchsätze ~ Zyklen DOD %

27 Lithium-Ion: Option für Micro-Hybrids : Bis zu 20% Treibstoffeinsparung möglich Spannungen oberhalb 12 Volt Spannungswandler 12-Volt-System - Klimaanlage - Aktives Fahrwerk - Rückgewinnung von Bremsenergie 24 bis 50V 12V - Innen- und Außenbeleuchtung - Audio / Entertainment - Elektronische Module - Motorsteuergerät Vorteile des Micro-Hybrids: Längere Motor-off -Zeiten -Zeiten ( Segeln möglich) Bessere Rekuperation Weitere elektrische Funktionen im Fahrzeug möglich

28 Cost Engineering im Design: Von der Elektrochemie zum Energiespeichersystem Modulare Energiespeicher Optimierung der Systemkosten Integrierte Steuerungselektronik und Batterietemperierung Skalierbarkeit des Modulblocks zum Einsatz in Elektro- und Hybridfahrzeugen Basierend auf vom VDA als Standard vorgeschlagener, prismatischer Zelltechnologie

29 Cost Engineering bei der Herstellung: Entwicklung einer vollautomatischen Fertigung Gegenwärtig: Zusammenbau des Energiespeichersystems in vielen Baureihen in zeit- und kostenintensiver Handarbeit Entwicklung einer vollautomatische ti Li-Ion-Modul-Fertigung Förderung im Rahmen des Schaufenster Elektromobilität Ziele: Vollautomatische Produktion, mehr Kosteneffizienz Prozessstandardisierung, Vorbereitung für Serienfertigung

30 Agenda Elektrotraktion und Batterien historisch Die entscheidenden Batteriesysteme für Fahrzeuganwendungen Blei-Batterien für moderne Fahrzeugtechnologie Lithium-Ion-Batterien für die Elektromobilität und neue Fahrzeuganwendungen Zusammenfassung und Ausblick

31 Neue Anforderungen treiben den Technologiewandel.. und die Anforderungen an Batterien Global Vehicle Production * *Projected

32 Überblick Internal Combustion Engine Engine Start-Stop Micro Hybrid Hybrid Electric Vehicle (HEV) Plug-in HEV & Electric Vehicle ICE Start Stop M H HEV EV PHEV 18mio Absorbent Glass Mat (AGM) Li-Ion Cells power Li-Ion Cells power Li-Ion Cells energy Starting Lighting & Ignition (SLI) Enhanced Flooded (EFB) >7 Mio units for Start-Stop supplied by JCI since 2007 Complete Battery Systems Complete Battery Systems Complete Battery Systems

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! In case of questions / Bei Rückfragen Dr. Uwe Köhler Johnson Controls Advanced Power Solutions GmbH Am Leineufer Hannover Tel. +49 (0) o uwe.koehler@jci.com 2013 Johnson Controls, Inc.

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