Entwicklungen auf dem Batteriesektor aus Sicht eines Automobilherstellers

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1 Lithium-Ionen-Batterien - Chancen und Risiken für die Region Stuttgart Entwicklungen auf dem Batteriesektor aus Sicht eines Automobilherstellers Dr.-Ing. Arnold Lamm Senior Manager Charakterisierung HV-Speichersysteme 1

2 1. Einleitung 2. Systembeschreibung und Anforderungen 3. Modularkonzept, Design-to-Cost Aspekte 4. Stand Wertschöpfungskette Batterie in der NPE-AG2 5. Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Einleitung Daimler Roadmap nachhaltige Mobilität erfordert die Entwicklung von 3 Batterieapplikationen: HEV, PHEV, EV Verbrennungsmotor (Benzin/Diesel) Hybrid Elektrischer Antrieb emissionsfrei Start/ Stopp (RSG) 140V Hybrid 280V Hybrid Plug-In Hybrid (parallel) Brennstoffzelle Batterie Grad der Elektrifizierung 0% 100% 99 CO 2 /km 186 CO 2 /km 109 CO 2 /km 74 CO 2 /km 0 CO 2 /km 0 CO 2 /km Batteriedaten 1 kwh 20 kw 1 kwh 20 kw 8 kwh 100 kw 1,5 kwh 40 kw 18 kwh 55 kw 3

4 Einleitung EU-Roadmap für CO2-Ziele. Striktere CO 2 Regularien haben hohen Einfluß auf die Automobilhersteller. gco 2 / km 150 EU s Restriktionen bezüglich Durchschnittsflottenverbräuche 130 g CO 2 / km EU- G8-Ziele bezüglich Decarbonisierung Straßenverkehr g CO 2 / km % CO 2 Reduktion in road transport EU Roadmap Study: 95% CO 2 reduction for Road Transport (compared to 1990) Time 4

5 Systembeschreibung eines Hochvolt-Batteriesystems Systembeschreibung und Anforderungen Hochvolt Batteriesystem Fahrzeugschnittstellen Informationen Kühlmittel Batterie Management System (BMS) Thermal Management System Zell Module Leistung, Energie Stecker, Kabel, Sicherungen, Stromschienen Sensoren Spannungen Strom Temperatur Das Das HV-Batteriesystem HV-Batteriesystem besteht besteht aus: aus: den den Zellmodulen Zellmodulen (Zelle/Kühler/Mechanik), (Zelle/Kühler/Mechanik), den den Sensoren, Sensoren, dem dem BMS, BMS, den den elektrischen elektrischen Komponenten Komponenten (Stecker, (Stecker, Kabel, Kabel, Sicherungen, Sicherungen, Stromschienen) Stromschienen) und und dem dem Batteriegehäuse. Batteriegehäuse. Die Die Entwicklung Entwicklung von von Hochvolt-Batteriesystemen Hochvolt-Batteriesystemen und und deren deren Integration Integration ins ins Fahrzeug Fahrzeug erfordert erfordert eine eine breite breite Kompetenz Kompetenz auf auf folgenden folgenden Fachgebieten: Fachgebieten: Mechanik, Mechanik, Fahrzeugintegration, Fahrzeugintegration, Elektrik, Elektrik, Elektronik, Elektronik, Elektrochemie, Elektrochemie, Thermalauslegung Thermalauslegung und und Software. Software. 5

6 Systembeschreibung und Anforderungen Das thermische Design unterscheidet zwischen Sekundärkühlung, Direktkühlung mit Kältemittel und Luftkühlung. S 400 HYBRID 6

7 Systembeschreibung und Anforderungen Key Performance Parameters eines Batteriesystems für mobile Anwendungen. Gravimetrische Energiedichtey [Wh/kg] Qualität [Fehler in % als Mittelwert pro Jahr über 10 Jahre] Targets HEV Targets EV Kosten [EUR/kWh] BoL, 50% SoC, T = +25 C, 10s BoL, 50% SoC, T = -25 C 2 Volumetrische Energiedichte [Wh/ltr.] EV/HEV 150/50 100/ EV / HEV 250/ /47 50/20 0 0,5 1,0 90/ Lebensdauer [Jahre] Peak-Leistung* [kw/ltr] Sicherheit [EUCAR Level] 1 Cold Crank Leistung** [W/kg] 3 7

8 Systembeschreibung und Anforderungen Qualitative Einflüsse auf die Lebensdauer: Energiedurchsatz, Stromraten, Temperatur. Energiedurchsätze [MWh] HEV Plug-in Range Extender EV 20 C-Raten [A/Ah] HEV Plug-in Range Extender EV Temperatur Einfluß High Medium Low HEV Plug-in Range Extender EV 8

9 Systembeschreibung und Anforderungen Verifikationstests zur Absicherung von HV-Batteriesystemen. Sicherheitstests Mechanische Mechanical Abuse TestsTest Controlled Kontrollierter Crush Crush (15%/50%) Penetration Drop Falltest 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) Aktuelle Teststandards zu kontrolliertem Crush, Penetration und Droptests nur für Einzelzellen und Module definiert. Keine realistische Abbildung von Crashsituationen im Fahrzeug (e.g. Penetrationstest, Deformationsverhalten von 15/50%) Korrelation zwischen Crashlast auf die Batterie und dem Eigengewicht der Batterie nicht realistisch. Neue Richtlinien notwendig! 1. DRAFT für automative Batterien liegt vor: SAE J2929, ECE R

10 Modularkonzept, Design-to-Cost Aspekte Standardisierung von Zellen (prismatische Formate/Pouch-Formate). Prismatische VDA-Standardzellen für HEV-, PHEV- and EV-Applikationen HEV PHEV 1 PHEV 2 BEV 1 BEV 2 Maße 85 x125 x12,5 mm 85 x173 x21 mm 91 x148 x26,5 mm 115 x173 x32 mm 115 x173 x45 mm technische Daten 5,5 Ah 22 Ah A A >90 Wh/kg, 160 Wh/ltr >115 Wh/kg, 225 Wh/ltr >3000 W/kg, 5000 W/ltr >1400 W/kg, 2800 W/ltr Ah A >115 Wh/kg, 225 Wh/ltr >1400 W/kg, 2800 W/ltr Ah A >120 Wh/kg, 270 Wh/ltr >500 W/kg, 1100 W/ltr Ah A >120 Wh/kg, 270 Wh/ltr >500 W/kg, 1100 W/ltr Pouch VDA-Standardzellen für HEV-, PHEV- and EV-Applikationen HEV PHEV BEV Maße 121 x 243 x X mm 165 x 227 x X mm 162 x 330 x X mm technische Daten 5,5 Ah A > 100 Wh/kg, 180 Wh/ltr > 3500 W/kg, 5500 W/ltr Ah A > 125 Wh/kg, 250 Wh/ltr > 1600 W/kg, 3000 W/ltr Ah A > 140 Wh/kg, 300 Wh/ltr > 700 W/kg, 1500 W/ltr 10

11 Modularkonzept, Design-to-Cost Aspekte Die Modulstrategie konzentriert sich auf drei Bausteine: dem Zellblock auf Basis standardisierter Zellen, der E/E-Hardware sowie der Software. Mechanik Modul 1 Elektrik/Elektronik Modul 2a, b Zellblock Zellen Kühler Hardware Batterie M. System Elektrik 2a 2b HV- Battery System Modul 3 Batteriegehäuse (kein Standardteil) Software Basis Applikation 11

12 Modularkonzept, Design-to-Cost Aspekte Kostendegressionen von Li-Ionen Batteriesystemen ( Best Case ) bis Basis sind standardisierte Zellen HEV PHEV1 PHEV 2 BEV 1 BEV 2 85 x125 x12,5 mm 85 x173 x21 mm 91 x148 x26,5 mm 115 x173 x32 mm 115 x173 x45 mm /kwh HEV Batteriesystem EV Batteriesystem Spezifische Kosten eines PHEV Batteriesystem liegen zwischen HEV und EV Units/Year 12

13 Stand Wertschöpfungskette Batterie in der NPE-AG2 Budget- und Konsortienallokation ( , Stand ) 1 Materialentwicklung & Zelltechnologie (Gen 2 & 3) 8 Konsortien 76 Mio. EUR 2 Neuartige Batteriekonzepte (Gen 4) 4 Konsortien 48 Mio. EUR Batterie 3 4 Sicherheitskonzepte & Testmethodik Lebensdauer Modellierung & Analytik 3 Konsortien 52 Mio. EUR 3 Konsortien 35 Mio. EUR 5 Prozesstechnologie für Massenfertigung 8 Konsortien 466 Mio. EUR TOTAL Leuchtturm Batterie NPE: 677 Mio. EUR + Summe laufende Bat.-proj. BMBF, BMWi, BMVBS 44 Mio. EUR 13

14 Zusammenfassung Leuchtturm Batterie (AG2 & AG5) Stand Wertschöpfungskette Batterie in der NPE-AG2 Cluster 1 Cluster 2-4 Cluster 5 Summe 1200 Σ 1060* Σ 715** Σ 677*** Volumen in Mio Zw.-bericht 2. Zw.-bericht / /2011 Stand n. WS AG2, AG5 Cluster 1 Cluster 2-4 Cluster 5 Materialentwicklung & Zelltechnologie - Neuartige Batteriekonzepte - Sicherheitskonzepte & Testmethodik - Lebensdauer Modellierung & Analytik Prozesstechnologie für Massenfertigung * 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. 14

15 Stand Wertschöpfungskette Batterie in der NPE-AG2 Grobe Mittelverteilung entlang Wirkkette auf Basis Projektskizzen (3 Jahre) F&E: 57 Mio. Prozess: 2,5 Mio. Anlage: 2,5 Mio. Zellmaterialien F&E: 45 Mio. Prozess: 82 Mio. Anlage: 282 Mio. F&E: 24 Mio. Prozess: 2 Mio. Anlage: - Kühler Mechanik Zellen Rohstoffe/ Chemikalien Zellkomponenten/Zelle Aktivmaterialien Zellmodul mit integr. Kühler Batteriegehäuse Batterie-Module Elektrik/Elektronik F&E: 3 Mio. PP: - PA: - + E/E + Mechanik F&E: 39 Mio. Prozess: 6 Mio. Anlage: 57 Mio. Batteriemanagementsystem (BMC) Zellüberwachung (CSC) Sicherungen, Schütze Stecker Sensoren F&E: 25 Mio. Prozess: - Anlage: - Σ F&E: 193 Mio. Σ Prozess: 92,5 Mio. Σ Anlage: 341,5 Mio. 15

16 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. 16

17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 17