• Energieriegel im Leistungstest.

  • Energieriegel im Leistungstest.

    • 20. July 2015
    • E-Mobilität
    • Fotos: Daimler
    • Text: Walter Wuttke

    Am Rand der schwäbischen Alb entwickelt die Accumotive Energiespeicher für Daimler. In der modernen Alchemistenküche wird an den Formeln für die Elektromobilität der Zukunft gearbeitet.

    In Nabern, einer unscheinbaren Kleinstadt mit knapp 2000 Einwohnern, deutet nichts darauf hin, dass hier die Daimler-Tochter Accumotive Energiespeicher für die Elektromobilität der Zukunft entwickelt. Rund 200 Techniker und Ingenieure arbeiten hier in einem modernen Alchemistenlabor an neuartigen Speichermethoden und -materialien. Keine Frage: Dies ist nicht Silicon Valley, sondern das mitunter etwas herbe Vorland der mittleren schwäbischen Alb. Aber hier hat das Tüfteln und Erfinden Tradition. Und deshalb liegt die Denk- und Entwicklungsfabrik der Accumotive doch nicht so weit im Niemandsland, wie es oberflächlich den Anschein hat.

     

    HÖCHSTE ENERGIEDICHTE AUF WENIG RAUM

    Einen Schwerpunkt der Entwicklungsarbeiten bildet die Zelle, „das Kernelement der Batterie, in der die Energie gespeichert ist“, so Hartung Wilstermann, Geschäftsführer der Accumotive. Zu Modulen zusammengefasst, bilden die einzelnen Zellen den eigentlichen Energiespeicher. Um Batterien leistungsfähiger werden zu lassen, setzt Wilstermann „bei der Zelle an und versucht, mehr Energie hineinzupacken, die Abmessungen kompakter zu gestalten und sie schließlich preiswerter zu produzieren“.

     

    Auf diesem Kurs werden die Entwicklungen vorangetrieben – zum einen mittels neuer Materialien wie zum Beispiel Lithium-Schwefel, „aber auch die aktuelle Lithium-Ionen-Technik lässt noch einigen Spielraum.“ Wobei das Lithium dabei eine eher untergeordnete Rolle spielt. Mit einem neuen Aufbau der Zelle und ihrer Integration in die Batterie ließe sich, so Wilstermann, die Energiedichte deutlich erhöhen. Klingt unkompliziert, ist es aber nicht.

    Mercedes-Benz: Herr Hartung Wilstermann

    Hartung Wilstermann, Geschäftsführer Accumotive

    QUADRATUR DES KREISES

    „Wir betreiben hier einen Zehnkampf. Neben der Energiedichte müssen wir die Sicherheit der Batterie ebenso im Blick haben wie das Thema Lebensdauer. Es nutzt ja niemandem, eine tolle Batterie zu entwickeln, die nach wenigen Ladezyklen kollabiert“, beschreibt Wilstermann das Szenario. Und dann spielen natürlich auch noch die Kosten der Batterie eine bedeutende Rolle, denn am Ende ist das Ziel auch dann verfehlt, wenn ein Energiespeicher mit besten Eigenschaften unbezahlbar wird.

    Witterungseinflüsse sind zu berücksichtigen: Batterien, die nur bei Zimmertemperatur ihre optimale Leistung bringen können, nutzen im Verkehrsalltag nichts. „Am Ende des Tages müssen wir einen Kompromiss finden, ohne eine Eigenschaft zu stark zu betonen“, beschreibt Wilstermann die Quadratur des Kreises.

    „ Wir betreiben hier einen Zehnkampf. “

    HARTUNG WILSTERMANN

    ENERGIEDICHTE VERSUS SICHERHEIT

    Erhöht man zum Beispiel den Nickelanteil deutlich, steigt die Energiedichte der Zelle. Das bringt allerdings Sicherheitsnachteile mit sich. „Die Zelle reagiert dann heftiger, wenn etwas passiert“, fasst Wilstermann die Konsequenzen dieser Maßnahme zusammen. Die entsprechenden Vorkehrungen beginnen bei der Anordnung der Zelle, der richtigen Kühlung und enden im speziell ausgelegten Gehäuse.

    Alles ist eine Frage der Feinabstimmung. Die Optimierung an einem Punkt bringt möglicherweise Nachteile an einer anderen Stelle, sodass wieder nachjustiert werden muss. Klingt wieder einfach, bleibt jedoch komplex. Vor allem, wenn die Zellen wie bei der Accumotive-Batterie eng nebeneinander platziert werden, um eine höhere Energiedichte zu erreichen als die Batterien der Mitbewerber. Diese Bauweise ist aufwendiger zu entwickeln, will man auch die Sicherheit unter allen Bedingungen garantieren.

    HYBRID, ELEKTRO, PLUG-IN

    Die universell einsetzbare Batterie wird es auch in Zukunft nicht geben. Anders als bei konventionell angetriebenen Modellen, deren technisch identische Motoren verhältnismäßig leicht in verschiedene Baureihen implantiert werden können, entwickelt Wilstermann „möglichst maßgeschneiderte Batterien für die unterschiedlichen Fahrzeuge von Daimler. So verwenden wir zum Beispiel die auf Leistung ausgelegten Zellen in den Hybridmodellen und die auf Energie entwickelten Zellen arbeiten in den Elektrofahrzeugen. Die Akkus in den Plug-ins wiederum sollen beides können.“

    Die Entwickler in Nabern vereinen die definierten Anforderungen an das Modell, den Bauraum und die Kosten, was wiederum entscheidend für die jeweils eingesetzte Chemie ist. Außerdem muss der Akku im neuen Modell montiert und optimal gekühlt werden, damit alle Mercedes-Benz-Modelle in jeder Witterungszone problemlos funktionieren. „Es gibt bei uns nicht das absolut Beste, sondern immer nur den besten Kompromiss für eine bestimmte Anwendung“, sagt Wilstermann.

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    BATTERIEFOLTER IN DEN KATAKOMBEN

    In den Katakomben der Accumotive kommen die Zellen der Zulieferer und die Ergebnisse der Entwicklungsabteilung auf den Prüfstand. Hier werden Akkus so lange gemartert, bis sie alle Sicherheitsstandards sowie die Anforderungen der Accumotive erfüllen. Extremste Bedingungen, die niemand mit seinem Elektrofahrzeug erleben will, werden hier simuliert. Dazu gehören schonungslose Missbrauchstests, bei denen Batterien in einer Art gequält werden, wie es in der Praxis undenkbar wäre.

    Durchbohrt, überladen, deformiert

    In einem Materiallabor öffnen die Entwickler die Zelle vollständig, testen sie und führen elektrochemische Analysen durch. In einem weiteren Labor ist die Elektronik der Batterie an einen Großrechner angeschlossen, der ein (noch nicht existierendes) Auto in unterschiedlichen Fahrzuständen simuliert. „So können wir die Elektronik testen, bevor Batterie und Auto zusammenkommen“, beschreibt Wilstermann die Anlage, die hilft, Zeit bei der Entwicklung zu sparen. Hier entscheidet sich bereits in einem frühen Entwicklungsstadium, ob Batterie, Elektronik und Auto kompatibel sind.

    In einer anderen Abteilung werden Batterien gepresst, deformiert, von Nägeln durchbohrt, hemmungslos überladen – ohne dass eine Gefährdung von der Batterie ausgehen darf. In anderen Laboren wiederum wird die Lebensdauer der Batterie unter real simulierten klimatischen Bedingungen getestet. Im Zeitraffer wird die zehnjährige Lebensdauer durchgespielt.

    „Wir arbeiten hier mit Hochspannung und am offenen Herzen“, schildert Wilstermann die Arbeitsbedingungen, „ein einziger Fehler kann der letzte sein, und deshalb werden alle Mitarbeiter entsprechend geschult.“ Für die Tests an offenen Batterien arbeiten die Techniker zum Beispiel an eigens konstruierten Wassertischen mit einer Arbeitsfläche, die sich im Notfall in ein Bassin absenken lässt. „So können wir eine havarierte Batterie in einen sicheren Zustand bringen, ohne sie zu bewegen“, erklärt Wilstermann.

    STANDARDS FÜR DIE ZUKUNFT

    Die Integration der Batterie im Auto entscheidet am Ende, wie die Leistungsausbeute definiert werden kann. In Zukunft, so glaubt Wilstermann, wird es Standardbauräume für die Antriebseinheiten geben, auf die sich die Entwickler einstellen können. Diese beengten Raumverhältnisse lassen sich dann auf verschiedene Modelle übertragen.

    Für die Entwicklung leistungsstarker Batterietypen wie die Generation Lithium Plus wird es weiterhin unterschiedliche Lösungen für einzelne Fahrzeuge geben. Nur wichtige Elemente in der Peripherie wie zum Beispiel elektronische Komponenten werden auch in anderen Batterien verwendet.

    „Von Generation zu Generation werden die Kosten weiter deutlich purzeln“, ist sich Wilstermann sicher. In der Nach-Lithium-Ionen-Zeit, also in gut zehn Jahren „rechnen wir mit einer Verdopplung der Reichweiten bei halbierten Kosten“, wagt er einen Blick in die Zukunft.

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    UNERSETZLICHE FELDERFAHRUNGEN

    Die von der Accumotive entwickelten Batterien sind auf eine Lebensdauer von mindestens zehn Jahren unter allen Bedingungen ausgelegt. „Die erreichen wir auch definitiv“, so Wilstermann. Das bedeutet nun aber nicht, dass der Energiespeicher plötzlich und unerwartet pünktlich nach zehn Jahren seinen Dienst einstellt und die Energieaufnahme sowie -abgabe verweigert. Vielmehr leistet die Batterie nach rund zehn Jahren allenfalls bis zu 20 Prozent weniger. Das Ende kommt eher schleichend. Bei optimalen Bedingungen kann eine Batterie aber auch 25 Jahre Energie speichern und verteilen.

    Beim Thema Lebensdauer zahlt sich aus, dass Daimler als weltweit erstes Unternehmen Lithium-Ionen-Batterien im S 400 eingesetzt hat. „Deshalb haben wir auch die größte Felderfahrung und die ist unersetzlich. Elektrochemie ist ein komplexes Feld, und da haben wir inzwischen einschließlich der Entwicklungsphase neun Jahre Praxiserfahrung und können heute Batterien untersuchen, die so lange Jahre im Auto funktioniert haben. Wir haben an drei Batterie-Generation lernen können, was wiederum der vierten Generation zugutekommt. Heute liefern wir modularisierte maßgeschneiderte Lösungen für die verschiedenen Modelle.“

    LADEMANAGEMENT

    • Die Aufgabe des Lademanagements ist es, die Lebensdauer der Batterie und die Reichweite des Fahrzeugs zu optimieren. Dabei spielt die Qualität und Leistungsfähigkeit der Zellen eine entscheidende Rolle. Weitere Parameter sind beispielsweise

      • der Einbauort der Batterie

      • die notwendige Kühlung

      • die Temperaturverhältnisse am Einbauort

      • die Anforderungen des jeweiligen Fahrzeugmodells

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