24.05.2012 Lithium-Ionen-Batterien - Chancen und … · 1 Entwicklungen auf dem Batteriesektor aus...

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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


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


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


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


Das thermische Design unterscheidet zwischen Sekundärkühlung, Direktkühlung mit Kältemittel und Luftkühlung.


S 400 HYBRID


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



Qualitative Einflüsse auf die Lebensdauer: Energiedurchsatz, Stromraten, Temperatur.

Energiedurchsätze

[MWh]

HEV Plug-in Range Extender EV

25

50

75

100

C-Raten

[A/Ah]


5

10

15

20

Temperatur

Einfluß


High

MediumLow



Verifikationstests zur Absicherung von HV-Batteriesystemen.


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!


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


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


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


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





TOTAL Leuchtturm Batterie NPE: 677 Mio. EUR+ Summe laufende Bat.-proj. BMBF, BMWi, BMVBS 44 Mio. EUR

Ba

tte

rie


Zusammenfassung Leuchtturm Batterie (AG2 & AG5)


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


Grobe Mittelverteilung entlang Wirkkette auf Basis Projektskizzen (3 Jahre)


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. €


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.


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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