Von der Blei- zur Li-Ionen-Batteriefiles.messe.de/001/media/02informationenfrbesucher/vortraege/2013_14/... · 04.10.2013 · Von der Blei- zur Li-Ionen-Batterie Innoo at e e g espe

Von der Blei- zur Li-Ionen-Batterie Innovative Energiespeicher-Systeme für Fahrzeuganwendungeno at e e g espe c e Syste e ü a euga e du ge

Uwe KöhlerJohnson Controls Power Solutions GmbHJohnson Controls Power Solutions GmbH

MobiliTec 2013, Hannover 10.04.2013

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

Copyright 2013 - Johnson Controls, Inc.

Agenda







Zur Historie der Elektrotraktion im Fahrzeug

Elektromobilität , Berlin 1905

Siemens Viktoria

Blei-Batterie

Siemens Viktoria

Produktion: 50 Stück

Gewicht: 480 kgReichweite: 80 kmLeistung: 5 PS

(Quelle: Wikipedia)


Zur Historie der Elektrotraktion im Fahrzeug

Blei-Batterien im Elektrobus, Berlin 1913

(Quelle: Wikipedia)


Historie des Elektrofahrzeuges – Die 1970er

Pöhlmann (Ni/Cd)

BMW (Ni/F )

Auf dem Mond (AgO/Zn) VW (PbO2/Pb)

BMW (Ni/Fe)

(Quelle: Wikipedia Varta)(Quelle: Wikipedia, Varta)


Erste Großserienanwendung von Traktionsbatterien im PkW –Das Nickel-Metallhydrid-System im Toyota Prius

Porsche-Lohner Hybrid 1901 Toyota Prius, 2005

Blei Batterie (1 8 to 25 kW)Blei-Batterie (1.8 to, 25 kW)

NiMH Batterie (50 kg, 40 kW)(Quelle: Wikipedia,Toyota)


Agenda







Die aktuellen Batteriesysteme für den Fahrzeugeinsatz

Typ Spec Energy/

Spec Power/

Voltage/ cellEnergy/

cell (Wh/kg)

Power/ cell

(W/kg)

cell

(V)

Pb / PbO2 < 40 < 600 2.1 SLI, Start Stop 6 Cells = 12.5 Vp

Nickel MetalHydrid < 80 < 1500 1.25 Hybrid

Sodium Nickel

10 cells = 12.5 V

Sodium Nickel Chlorid(300°C)

<125 < 300 2.35 EV

Hybrid (Micro,

6 Cells = 14.1 V

Lithium-Ion <150 > 3000 3.6 Mild, Full, Plug-In), EV, Starter 4 cells = 14.4 V


Batteriegewicht für 150 km Reichweite (30kWh)

Type Spec EnergyCell Level

Spec EnergySystem Level

Example 30kWh system

Pb / PbO2 < 40 Wh / kg 33 Wh / kg 900 kgPb / 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

ENGINEERING

- Mechanical systemengineering

- Productionprocesses

g g- Electronics & Electrics engineering- Thermal design


Zyklenlebensdauer –Blei- im Vergleich zu NiMH- und Li-Ion-Batterien

40000

45000

30000

35000

40000

/ NC

Li Ion und NiMH

20000

25000

city

Tur

nove

r / Pb-floodedPb-AGMNiMHLi-Ion

Li-Ion und NiMH

10000

15000

Cap

ac

Li Ion

0

5000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

DOD %


Agenda







Blei-Batterien im Fahrzeug

Für:

Bedienerfreundlichkeit

Komfort und Luxus

Sicherheit

Geringeren Kraftstoffverbrauch

Geringere Emissionen

Bleibatterien waren und sind die Basis für technischen FortschrittBleibatterien waren und sind die Basis für technischen Fortschritt und eine höhere Umweltfreundlichkeit von Fahrzeugen.


b1

Folie 13

b1 Besser: Starterbatterien im Fahrzeug. Oder Bleibatterien im Fahrzeugbbuscha; 03.04.2013

Batterien für Start-Stop-Anwendungen- Zusätzliche Anforderungen an die Batterie

Start-Stop System Functions

I d b f i t tStandard SLI

Increased number of engine starts

Maintain loads during engine off alternator shut-off while in motion

(passive boost)

Battery Requirements

and brake energy recuperation

Start-Stop

Increased cycling

Increased depth of discharge

Operation at partial state of charge PSoC

Good predictability of behavior for BMS


Die Blei-Batterie – Vorteile und Grenzen

Vorteile

Bewährte Technologie Gutes Tieftemperaturverhalten (Start)

Grenzen

Beschränkter Zyklendurchsatz HV-Systeme schwierig zu realisierenGutes Tieftemperaturverhalten (Start)

Etabliertes Recycling Niedrige Kosten Sicher

HV Systeme schwierig zu realisieren Moderate spez. Leistungen Hohes Gewicht


b2

Folie 15

b2 Besser: Starterbatterie. Sonst Bleibatteriebbuscha; 03.04.2013

Agenda







Ein Blick auf die Marktentwicklung……neue Batteriesysteme für neue Fahrzeugtypen

Advanced Battery for

High Vehicle Electrification Advanced Battery for

Moderate Vehicle Electrification SLI for Low

Vehicle Electrification

Engine crankingAccessory loads

Start-Stop

Engine-off loads and restart

Component electrification

Engine off while coasting

Low power recuperation

p

Advanced Start-Stop

Mild HEVEngine off while coasting

Powertrain boostingEngine downsizing

Short range electric driveHigh power boosting

Mild HEV

HEV

High power boosting

Extended range electric drive

Full electrification

PHEVEV


Regulatorische Anforderungen an Treibstoffverbrauch und CO2 - Emissionen sind Treiber für neue Technologien

2012 2015 2020CO2 Targets

154 130 95

Europe

-15% bis 2015

-25% gegenüber 2015 bis

182 162 132

g g2020

United States

-15% bis 2016

179 160 116

-15% bis 2016

40+% Verbesserung derEffizienz bis 2025

Chi179 160 116 China

Orientierung an EU-Regularien

grams CO2/km


Lithium-Ion – Vorteile und Herausforderungen

Vorteile

Hohe Leistungsfähigkeit

Herausforderungen

Kosten Geringes Gewicht Hohe Kapazitätsdurchsätze Lange kalendarische Lebensdauer

Tieftemperatur-Leistungsfähigkeit Sicherheit


Core PacksElektrifizierung des Antriebsstranges – Li-Ionen-Batteriesysteme

HEV PHEV BEV

Spannung 346 V 346 V 346 V

L i t 10 25°C 55 kW 70 kW 114 kWLeistung 10s 25°C 55 kW 70 kW 114 kW

Energieinhalt 2,35 kWh 14,2 kWh 28,4 kWh

Thermisches Management Flüssigkeit Flüssigkeit Flüssigkeitg g g g

Abmessungen L x W x H (mm) 1.037 x 425 x 243 1.183 x 455 x 286 1.201 x 870 x 325


Lithium-Ionen-Technologie von Johnson Controls im Einsatz

Mercedes S-Klasse Blue Hybrid

Hybridantrieb mit Lithium-Ionen-Batterie

Ford Transit Connect Electric Ford Transit Connect Electric

Elektroantrieb mit Lithium-Ionen-Batterie

Elektrische Außenborder von Torqeedo

Elektroantrieb mit Lithium-Ionen-Batterie Elektroantrieb mit Lithium-Ionen-Batterie

DAME Award der Amsterdam Boat Show

Innovationspreis der National Marine M f t ’ A i tiManufacturer’s Association


Li-Ionen-Zellen - Zylindrisch

Chemie

Positives Aktivmaterial: NCA

Negatives Aktivmaterial: Graphit

Elektrolyt: LiPF6 in organischem Lösungsmittel

Separator: Polyolefin Membran Separator: Polyolefin-Membran

Gehäuse

Aluminum

Lasergeschweißt

Beide Pole im Deckelbereich

Patentiertes Sicherheitsventil


Li-Ionen-Zellen – Prismatisch

Chemie

Positives Aktivmaterial: NMC

Negatives Aktivmaterial: Graphit

Elektrolyt: LiPF6 in organischem Lösungsmittel

Separator Pol olefin Membran Separator: Polyolefin-Membran

Gehäuse

Aluminum

Lasergeschweißt

Beide Pole im Deckelbereich

Integriertes Sicherheitsventil

Zellverbinder: Verschraubung oder Verschweißung Zellverbinder: Verschraubung oder Verschweißung


Zyklenlebensdauer – Verschiedene SystemeStarke Abhängigkeit von der Entladetiefe

40000

45000

Hybrid–Betrieb: Elektrofahrzeug(30 kWh / 150 km)

Zyklenlebensdauer:

30000

35000

40000

/ NC

> 200.000 km (30 kWh / 150 km) > 400.000 km HEV :

5-10% Entladetiefe (DOD) entspricht 15k- 20k

Kapazitätsdurchsätze

20000

25000

city

Tur

nove

r Pb-floodedPb-AGMNiMHLi-Ion

= 300k – 400k Zyklen

EV : 90% DoD

10000

15000

Cap

a

Plug-In HEV ti

> 3.000 Kapazitätsdurchsätze ~ 3.500 Zyklen

GM Volt

0

5000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

DOD %

operation range

DOD %


Lithium-Ion: Option für “Micro-Hybrids”: Bis zu 20% Treibstoffeinsparung möglich

Spannungen oberhalb 12 Volt 12-Volt-SystemSpannungs-

wandler

24 bis50V

24 bis50V

12V12V- Innen- und Außenbeleuchtung- Audio / Entertainment- Elektronische Module - Motorsteuergerät

- Klimaanlage- Aktives Fahrwerk- Rückgewinnung von Bremsenergie

Vorteile des Micro-Hybrids:

Längere “Motor-off”-Zeiten (“Segeln” möglich) Längere Motor-off -Zeiten ( Segeln möglich)

Bessere Rekuperation

Weitere elektrische Funktionen im Fahrzeugmöglichmöglich


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


Cost Engineering bei der Herstellung:Entwicklung einer vollautomatischen Fertigung

Gegenwärtig: Zusammenbau des Energiespeichersystems in vielen Baureihen in zeit- und kostenintensiver Handarbeit

E t i kl i ll t ti h Li I M d l F ti Entwicklung einer vollautomatische Li-Ion-Modul-Fertigung

Förderung im Rahmen des “Schaufenster Elektromobilität”

Ziele:

Vollautomatische Produktion, mehr Kosteneffizienz

Prozessstandardisierung, Vorbereitung fürSerienfertigung


Agenda







Neue Anforderungen treiben den Technologiewandel….. und die Anforderungen an Batterien

Global Vehicle Production

2011 2016 2020* *Projected2011 2016 2020


Überblick

Engine Start-StopPlug-in HEV

&Electric Vehicle

Hybrid Electric Vehicle (HEV)

Internal Combustion

EngineMicro Hybrid

HEVStartStop

EVPHEVICE M H

18mio

Li-Ion Cells – power Li-Ion Cells – energyAbsorbent Glass Mat

(AGM) Li-Ion Cells – power

Starting Lighting& Ignition (SLI)

Complete Battery Systems

Complete Battery Systems

Enhanced Flooded(EFB) Complete Battery

Systems>7 Mio units for Start-Stop supplied by JCI since 2007


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

In case of questions / Bei Rückfragen

Dr. Uwe KöhlerJohnson Controls Advanced Power Solutions GmbHJohnson Controls Advanced Power Solutions GmbHAm Leineufer 5130419 HannoverTel. +49 (0) 511 975 183o

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