Die »Wohlfühltemperatur« für E-Fahrzeuge – Mehr Reichweite für Elektroautos durch optimierte Batteriebetriebsführung

Die »Wohlfühltemperatur« für E-Fahrzeuge – Mehr Reichweite für Elektroautos durch optimierte Batteriebetriebsführung

Was ist die »Wohlfühltemperatur« von Elektroautos? Dieser Frage gehen die Mitarbeiter des europäischen Forschungsprojekts JOSPEL nach und arbeiten am Optimierungspotential von E-Autos. Das Projekt verfolgt den Ansatz durch effiziente und kostengünstige Klimatisierungslösungen speziell für batterieelektrische Fahrzeuge deren Energieeffizienz und Reichweite zu erhöhen. Experten des Fraunhofer ISE arbeiten mit Industriepartnern an einer optimierten Batteriebetriebsführung – durch optimale Temperierung soll die Lebensdauer des Batteriesystems gesteigert werden…

Elektroautos – großes Potential, große Hürden

Aktuell sind die Verkehrswende und damit die batterieelektrischen Fahrzeuge, sprich Elektroautos, E-Bus und Co, in aller Munde. Die Umweltbelastung, vor allem durch den Straßenverkehr in den Ballungszentren, wird immer bewusster. Dazu haben nicht zuletzt Messungen der Luftschadstoffe beigetragen, die zeigen, dass vielerorts die gesetzlichen Grenzwerte überschritten werden. Auch der Dieselskandal und die öffentliche Debatte über Fahrverbote zeigen die Probleme des heutigen Verkehrssystems.

Elektrofahrzeuge, die helfen können diese Probleme zu lösen, finden nur langsam Einzug ins Straßenbild. Obwohl bereits verschiedene alltagstaugliche Elektroautos erhältlich sind, gibt es noch Vorbehalte. Zu diesen zählen bekanntlich höhere Anschaffungskosten, eine gewisse Unsicherheit über die Wertentwicklung sowie eine geringere Reichweite, die wegen langer Ladezeiten besonders ins Gewicht fällt.

Das JOSPEL-Projekt

Das JOSPEL-Projekt verfolgt den Ansatz durch effiziente und kostengünstige Klimatisierungslösungen speziell für batterieelektrische Fahrzeuge deren Energieeffizienz und Reichweite zu erhöhen. Bei Klimatisierung denkt man natürlich sofort an den Fahrgastraum. Das Thema betrifft aber auch die optimierte thermische Betriebsführung der Fahrzeugbatterie. Diesen Teilaspekt des JOSPEL-Projekts bearbeitet das Fraunhofer ISE zusammen mit Partnern aus der Industrie.

Ziel des Arbeitspakets und der Federführung des Fraunhofer ISE ist es, die Lebensdauer des Batteriesystems um mindestens 15 Prozent zu erhöhen und gleichzeitig 12 Prozent der für die Temperierung der Batteriezellen notwendigen Energie einzusparen. Der Name JOSPEL geht übrigens zurück auf die Joules und Peltiers-Effekte, die die Grundlage der entwickelten Technologien darstellen.

Das Simulationsmodell:
Auf der Suche nach der »Wohlfühltemperatur«

Zu Beginn des Projekts haben wir unsere Projektpartner über aktuell verfügbare Lithium-Ionen Batteriezellen und deren wichtigste Eigenschaften informiert. Im Anschluss wurde mit Hilfe eines von uns entwickelten Tools, das auf der Nutzwertanalyse beruht, eine geeignete Batteriezelle für das Projekt bestimmt. Die ausgewählte Zelle wurde anschließend im ServiceLab Batteries eingehend vermessen und getestet. Aus den Messungen haben wir Simulationsmodelle für das elektrische und thermische Verhalten sowie den Alterungsverlauf ableiten können und mit zusätzlichen Messungen verifiziert.

Batteriezelle, die gerade in einen Klimaschrank gelegt und an die Messelektronik angeschlossen wird. Im Hintergrund zwei weitere, zwischen Aluminiumplatten verspannte, Testzellen.
Batteriezelle, die gerade in einen Klimaschrank gelegt und an die Messelektronik angeschlossen wird. Im Hintergrund zwei weitere, zwischen Aluminiumplatten verspannte, Testzellen.

Aufbauend auf diesen Modellen, haben wir eine Simulation erstellt, die es erlaubt, verschiedene Betriebsparameter, Kühl- und Heizszenarien sowie Betriebsstrategien vorzugeben und zu ermitteln, welchen Einfluss sie auf die Effizienz und Batteriealterung haben.

Grafik zum Thema: Abnahme der Kapazität der Batteriezellen im unbelasteten Zustand über die Zeit (kalendarische Alterung). Messung von je zwei Zellen bei verschiedenen Lagertemperaturen und Ladezuständen. Erkennbar ist, dass höhere Ladezustände und höhere Temperaturen die Alterung beschleunigen.
Abnahme der Kapazität der Batteriezellen im unbelasteten Zustand über die Zeit (kalendarische Alterung). Messung von je zwei Zellen bei verschiedenen Lagertemperaturen und Ladezuständen. Erkennbar ist, dass höhere Ladezustände und höhere Temperaturen die Alterung beschleunigen.

Erfolge messbar machen:
Steigerung in Effizienz und Lebensdauer

Mit Hilfe dieses Entwicklungstools konnten wir nicht nur den für die ausgewählte Batterie idealen Temperaturbereich festlegen, sondern auch verschiedene vorteilhafte Betriebsstrategien definieren. Ein Beispiel hierfür ist die Vorkonditionierung der Temperatur des Batteriesystems vor dem Start – unserer Simulation zeigt, dass es sinnvoll ist, ein kaltes Batteriesystem vor der Fahrt aufzuwärmen

Zwar muss für die Erwärmung zusätzlich Energie bereitgestellt werden, allerdings liefert die Batterie dann mehr Energie bzw. hat eine bessere Energieeffizienz bei höherer Temperatur. Die höhere Energieeffizienz wiederum wirkt sich positiv auf die Reichweite und die Batteriealterung aus. In Summe rechtfertigen, diese Aspekte den zusätzlichen Energieaufwand. Mit dem Simulationstool des Fraunhofer ISE können solche Synergieeffekte nun für einen speziellen Einsatz identifiziert und mit exakten Zahlen belegt werden.

Grafik zum Thema: Geringere Kapazitätsabnahme der Fahrzeugbatterie über die Nutzungsdauer dank optimierter (thermischer) Betriebsführung und Effizienzsteigerung.
Geringere Kapazitätsabnahme der Fahrzeugbatterie über die Nutzungsdauer dank optimierter (thermischer) Betriebsführung und Effizienzsteigerung.

Aktuell befindet sich das Vorhaben im letzten Drittel der Projektlaufzeit, in dem zwei Demonstratoren aufgebaut werden, die im Feld die Funktionalität und Vorteilhaftigkeit unter Beweis stellen müssen.

 

 Weiterführende Informationen…

 

Weitere Videos der Projektpartner

Themenfeld »Batteriesysteme für stationäre und mobile Anwendungen«

 

Das EU-Projekt »Jospel« verfolgt u. a. das Ziel, durch optimierte Batteriebetriebsführung Energieeffizienz und Reichweite von Elektroautos zu erhöhen.

Maximilian Bruch

Maximilian Bruch

Project Manager bei Fraunhofer ISE
Maximilian Bruch hat Maschinenbau an der Hochschule Augsburg studiert und den Master of Science im StudiengangSENCE (sustainable energy competence) an der Hochschule Ulm erlangt. Er arbeitet seit 2013 am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in der Gruppe Batterietechnik. Hier beschäftigte er sich hauptsächlich mit der Simulation von Flussbatterien, der Weiterentwicklung des Formierungsverfahrens in der Herstellung von Lithium-Ionen Zellen, der Charakterisierung von Lithium-Ionen Voll- und Halbzellen sowie Beratungs- und Messdienstleistungen. Aktuell leitet er im europäischen Forschungsprojekt JOSPEL die Entwicklung des Batteriesystems mit optimiertem Betriebsmanagement.
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Maximilian Bruch studied Mechanical Engineering at the University of Applied Sciences Augsburg and received his Master of Science in the course of studies SENCE (Sustainable Energy Competence) at the University of Applied Sciences Ulm. He has been working at the Fraunhofer Institute of Solar Energy Systems ISE in the Battery Technology Group. His work focuses mostly on the manufacture of lithium ion cells, the characterization of half and full lithium ion cells as well as consulting and measurement services. Currently he is head of the European research project JOSPEL, in which battery systems with optimized operating management are being developed.
Maximilian Bruch
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