Hybrid-Batterien gut gekühlt
Hier finden Sie die Langversion des Interviews mit Dr. Thomas Heckenberger, Leiter des Behr-Technologiecenters Stuttgart, aus der IAA-Ausgabe der AUTOMOBIL PRODUKTION 09-2009.
Exklusiv-Interview mit Dr. Thomas Heckenberger, Leiter des Behr-Technologiecenters Stuttgart
Bei Behr realisierte man gemeinsam mit Daimler das Thermomanagement der ersten direkt kühlmittelgekühlten LITHIUM-IONEN-BATTERIE, die im neuen Mercedes-Benz S400 Hybrid zum Einsatz kommt. Es ist das erste Serienmodell mit dieser Batterietechnik in Europa. Dr. Heckenberger erklärt die Herausforderungen.
„Wir erwarten, 2015 global eine Jahresproduktion von zwei bis drei Millionen Hybridfahrzeugen am Markt zu sehen. Behr strebt im Komponentenbereich einen Marktanteil von 20 bis 30 Prozent an." Dr. Thomas Heckenberger, Leiter des Behr-Technologiecenters in Stuttgart, Bild: Behr
Herr Dr. Heckenberger, warum brauchen Lithium-Ionen-Batterien einen Kühlkreislauf?
Zunächst einmal ist der Lade- und Entladevorgang in allen Batterien wirkungsgradbehaftet. Von der Energie, die von der Batterie aufgenommen und wieder abgegeben wird, geht ein Teil in Wärme über. Der Batteriewirkungsgrad für Lithium-Ionen-Batterien ist zwar hoch, also entsteht wenig Wärme, bezogen auf die Leistungen, die übertragen werden. Aber diese Wärme muss auf jeden Fall abgeführt werden.
Wie weit trägt die Optimierung der Kühlleistung zur Haltbarkeit und Stabilität der Zellen bei?
Einer der Hauptgründe für eine gut ausgelegte Kühlung ist genau das Haltbarkeitsthema. Eine Batterie geht bei einer bestimmten Temperatur nicht plötzlich kaputt. Bei erhöhter Temperatur treten aber irreversible Degradationsreaktionen schneller auf. Man erlaubt so einer Batterie über deren Lebenszeit einen Leistungsabfall in der Größenordnung von 20 Prozent. Das ist dann nicht groß spürbar, sie ist nachher noch funktionsfähig, hat aber an Leistung, an Kapazität etwas eingebüßt. In einem Mildhybrid kann man bei dieser Grenze etwas toleranter sein, weil dort die elektrische Funktion einen kleineren Teil übernimmt. Beim Elektrofahrzeug, etwa hinsichtlich Reichweite, stellt sich die Frage anders.
Ab welcher Temperatur wird es kritisch?
Bei Lithium-Ionen-Batterien speziell haben wir eine Temperatur-Obergrenze. Die ist zwar fließend, aber sie liegt ungefähr bei 40 Grad Celsius. Diese Grenze ist wichtig für die Lebensdauer der Batterie – im Auto ja acht bis zehn Jahre. Das heißt, sie sollte nicht zu oft und nicht zu lange überschritten werden. Degradationsreaktionen in ihrem Innern schädigen die Batterie irreversibel und die Lebensdauer ist dann verkürzt. Wenn ich ein Bauteil im Auto auf 40 Grad Temperatur halten muss, dann habe ich natürlich im Sommer, wenn es draußen auch fast 40 Grad Celsius heiß ist, ein Problem – in dem Sinne, dass ich mit Außenluft nicht ohne weiteres arbeiten kann. Ich brauche also eine Verbindung zum Klimasystem des Fahrzeugs, das kältere Temperaturen zur Verfügung stellt. Da gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Batteriekühlung einzubetten.
Lithium-Ionen-Batterie-Funktionsmuster für die Anwendung in hybriden Antriebssträngen: Entwickelt von Behr im Verbund mit Li-Tec Battery und der ISEA RWTH Aachen, gefördert vom BMBF, kommen hier bereits Pouch-Zellen im Bauraum einer Bleibatterie zum Einsatz. Bild: Behr
Das Problem ist also relevanter im Fahrbetrieb?
Das ist richtig. Die genannte Kühl-/Temperaturgrenze von grob 40 Grad bezieht sich auf den Betrieb der Batterie. Die Batterie kann durchaus auf 60 Grad erwärmt werden, wenn man sie nicht betreibt, ohne dass die Schädigung sehr hoch ist. Da bin ich aber genau wieder beim Thema: Wenn ich bei 60 Grad starte und anfahren will, dann muss ich natürlich erst einmal versuchen, die Batterie in den Temperaturbbereich von 50 bis 45 Grad zu bringen.
Warum reicht Luftkühlung nicht aus beziehungsweise warum funktioniert dies wenn überhaupt dann nur mit Reinluft?
Die Luftkühlung, wenn man sie richtig macht, reicht schon aus. Es ist nur so: Sie wird dann aufwändiger im Fahrzeug. Das sind dann die Themen Bauraum, Package, die Luftversorgung selber natürlich auch. Reinluft braucht man deshalb, um den Schmutzeintrag in die Batterie zu verringern oder auszuschließen – ich blase ja Luft zwischen den Zellen in der Batterie hindurch. Staub in der Luftbedeutet immer Ablagerung . Und Schmutzablagerungen in Verbindung mit Feuchtigkeit, die durch Kondensation von feuchter Luftin in der Batterie auftreten kann, birgt immer die Gefahr von Kriechströmen in der Elektrik. Das heißt, ich muss die Batterie so ausführen, dass alle elektrischen Bauteile entsprechend isoliert und vergossen sind.
Ein Highlight des Behr-Kühlungsansatzes für den Mercedes S400 Hybrid ist der konstruktive Aufbau: Es musste thermisch kontaktiert und dabei eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit, zwei Kilovolt, dauerhaft garantiert werden, betont Dr. Heckenberger.
Beim Prius Nickel-Metall-Hybrid ist Luftkühlung angesagt – gibt es da weniger Probleme?
Bei Nickel-Metall-Hybrid-Batterien ist man an einer Ecke etwas entspannter: Da beginnt eine Schädigung im nennenswerten Umfang erst bei höheren Temperaturen, zirka 55, 60 Grad. Das heißt, ich kann auf höherem Temperaturniveau kühlen. Das entspannt die Sache. Das Verschmutzungsthema bei Luftkühlung habe ich im gleichen Umfang. Da sind dann sicher Vorkehrungen getroffen worden, dass kein Schmutz an elektrische Kontakte kommt und Kriechströme in Zusammenhang mit Feuchtigkeit ermöglicht. Das ist ja auch ein Sicherheitsthema.
Können Sie mir die Vorteile Ihres Flüssigkühlkreislaufs skizzieren?
Flüssigkühlung heißt, entweder mit Sekundärkreislauf, also mit einem Wasser-Glykol-Gemisch, oder eben direkt mit Kältemittel, das dann verdampft, zu kühlen. Der Vorteil ist: Ich kann höhere Kühlleistungen realisieren. Der Aufbau der Batterie – und vor allem, wenn man es mit Kältemittel macht, auch der Systemumgebung – ist wesentlich kompakter, einfacher. Damit sind auch die Kosten günstiger.
Im Fall von Elektrofahrzeugen – allerdings dann wieder mit dem Sekundärkreislauf – kann ich dann wählen: Wenn die Außentemperatur kühl genug ist, kann ich diese über einen separaten Batteriekühler nutzen, der diesen Sekundärkreislauf herunterkühlt. Man muss dann nur an den heißen Sommertagen mit der Unterstützung durch den Kältekreislauf und der damit verbundenen Kompressorleistung, die hierzu benötigt wird, arbeiten.
Lithium-Ionen-Batterie: Der Energiespeicher mit Rundzellen im Mercedes-Benz S-Klasse S 400 Hybrid bietet gegenüber herkömmlichen Nickel-Metallhydrid-Batterien eine höhere Energiedichte und einen besseren elektrischen Wirkungsgrad bei kompakteren Abmessungen und geringerem Eigengewicht. Bild: Daimler
Was sind die Highlights des Behr-Kühlungsansatzes für den Mercedes S400 Hybrid?
Highlight ist der konstruktive Aufbau. Es war sehr schwierig, bei den langgestreckten zylindrischen Zellen die Wärmeabfuhr so hinzubekommen, dass man eben auch die Temperaturgleichmäßigkeit, die geforderte Homogenität gewährleisten kann. Die zweite Herausforderung war das ‚Thermal-Interface‘. Die runden Zellen haben auf dem Gehäuse das elektrische Potenzial. Also ist ein Pol quasi das Gehäuse. Damit mussten wir thermisch kontaktieren und eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit, zwei Kilovolt, dauerhaft garantieren; also an dem Stoff, der sich zwischen der Kühlplatte und den Kühlableitelementen und dem Gehäuse befindet. Dies auf engstem Raume thermisch hinzubekommen war eine Herausforderung. Und wir reden über Hochvolt: also von 120, 130 Volt und da muss elektrisch alles sicher sein.
Oberflächendesigns der Batteriezellen: Befürworten Sie zylindrische oder Pouchbag-Formen?
Aus kühlungstechnischer Sicht kann ich eine Pouch- oder eine prismatische Zelle kühlungstechnisch besser in Angriff nehmen, also mit den Kontaktflächen, die mir da zur Verfügung stehen. Die runde Zelle ist aus Gründen des geringeren Oberflächen-/ Volumen-Verhältnisses da ungünstiger. Und in dem Moment, wo ich eben zwei Flächen in thermischen Kontakt bringen möchte, ist eine runde Form immer nachteiliger als eine ebene Form. Ergänzend muss ich allerdings sagen: Die runde Form hat natürlich ihre Historie. Die mag fertigungstechnisch, von der Zellfertigung her, günstig sein. Aber wir sehen am Markt heute alle Arten von Zellen.
Verbauort der Lithium-Ionen-Batterie im Mercedes-Benz S-Klasse S 400 Hybrid: Substituiert den Bleiakku bei gleichem Packaging. Bild: Daimler
Ihr Kühlsystem der 35 zylindrischen Lithium-Ionen-Zellen im Mercedes S400 Hybrid, wie sah dafür das Lastenheft aus?
Zu Beginn gab es kein detailiertes Lastenheft. Die Koordination war bei Daimler, weil es drei Gewerke gibt, die ich in der Batterieentwicklung zusammenbringen muss. Das ist die Zelle, die Elektronik, also das Überwachungssystem oder Batterie-Managementsystem und eben die Kühlung. Die Vorgaben waren: Bauraum der vorhandenen Bleibatterie, es galten exakt die Abmessungen einer Bleibatterie der Größe H8; aus Package-Gründen die Verwendung von Kältemittel direkt, denn von der Batterie hat man nur einen kurzen Weg zum Klimasystem. Für großvolumige Luftkanäle hatte man keinen Platz. Und es waren rund zwei Jahre Entwicklungszeit vorgegeben aufgrund des fixierten Serienstarts. Es gab einige Voruntersuchungen und man hat gemeinsam das Lastenheft entwickelt.
Sie konnten Ihre optimale Kühllösung umsetzen?
Ja, es ist in intensiver Zusammenarbeit entstanden. Wir waren natürlich auf Informationen des Zellherstellers angewiesen: Wie verhält sich seine Zelle thermisch; was ist zulässig; was kann man ihr noch zumuten? Wir haben das simuliert und nachher in Hardware getestet. Das ging so weit, dass wir Dummyzellen bauten, die gar kein Lithium-Ionen-Inneres hatten, sondern einen elektrischen Heizer, der die Wärmeentwicklung der Zelle simulierte. Damit wurden dann die die ersten Messungen gemacht.
Hat es Auswirkungen auf die Fahrzeug-Klimatisierung, wenn ein Teil des Kühlkreislaufes jetzt der Batterie zur Verfügung steht?
Der Anteil der Kühlleistung für die Batterie ist wirklich relativ gering gegenüber der Maximalleistung des Kältekreislaufs, die ja immer ausgelegt ist auf ein aufgeheiztes Fahrzeug in der Sonne. Der normale Nutzer wird im Normalbetrieb davon überhaupt nichts merken.
Ist das System im Hinblick auf die Hybrid-Anwendung größer ausgelegt worden und damit teurer?
Das Klimasystem-/Kältekreislaufsystem nicht, die einzige große Änderung war die Einbringung des Elektrokompressors – dies geschah im Hause Daimler selbst. Elektrokompressoren sind ja im Vergleich zu normalen Kompressoren im Fahrzeug relativ teuer.
Die Kilowattstunde aus Lithium-Ionen-Batterien kostet derzeit rund 1 000 Euro?
Sie kostet heute eher noch deutlich über 1 000 Euro.
Was heißt das jetzt im Rahmen dieser Batterie?
Wir haben eine knappe Kilowattstunde Energieinhalt im S400. Wenn man so etwas großflächig in Serie bringen will, dann müssen die Kosten natürlich noch dramatisch sinken.
Beim S400 reden wir über Kleinserie: 5 000, 6 000 Fahrzeuge pro Jahr. Wie rechnet sich das?
Das Projekt rechnet sich, es ist kostendeckend. Unser Kunde hat einen Großteil der Entwicklungsleistung bezahlt, teils auch die typspezifischen Investitionen, also Werkzeuge, die erforderlich waren. Die Größenordnung, die Sie nannten, darauf haben wir uns auch in der Fertigung eingestellt.
Im S400 arbeitet ein Hochvoltkompressor. Bei Daimler heißt es, das Gesamtsystem – Batterie, Anbauteile – liegt bei 75 Kilogramm plus. Was musste bei Klimatisierung/Kühlung im Hinblick auf Bauraum oder Preis größer ausgelegt werden?
Im Grunde genommen nicht viel. Die Li-Ionen-Batterie ersetzt die vorhandene Bleibatterie, der Kühler in der Batterie wiegt unter drei Kilo und ist Teil der Batterie. Das einzige ist das Thema Elektrokompressor statt riemengetriebener Kompressor, aber auch hier ist der Gewichtsunterschied nicht groß. Allerdings sind die Mehrkosten für eine Li-Ionen-Batterie und für einen Elektrokompressor erheblich.
Der Elektrokompressor ist Daimlers eigene Entwicklung?
Der Kompressor nicht, aber die Einbindung ins Fahrzeug. Wir sind ja kein Kompressorhersteller. Die Einbindung in das Klimasystem, wurde im Hause Daimler umgesetzt.
Wo fertigen Sie?
Der Batteriekühler wird in Reichenbach im Vogtland, Sachsen gefertigt, weil wir dort die entsprechende Löttechnologie haben.
Können Sie die Systeme koppeln/entkoppeln?
Im Grunde genommen sind sie immer miteinander verbunden und werden über entsprechende Expansionsventile gesteuert. In diesem Fall haben wir eine spezielle Schaltung vorgeschlagen, die im Grunde genommen eine Entkopplung gar nicht benötigt. Es ist auch von der Systemeinbindung an der Seite eine relativ gering komplexe Lösung, wobei die eigentliche Regelungsabstimmung im Hause Daimler erfolgte.
Ist Ihre Lithium-Ionen-Kühlung modular einsetzbar?
Grundsätzlich haben wir in dieser Entwicklung natürlich viel gelernt. Modular einsetzbar – im Prinzip ja, wenn man jetzt herunter geht auf die Prinzipien wie lege ich eine Kühlplatte, die mit Kältemittel arbeitet, aus und wie gestalte ich die Anbindung einer solchen Zelle. Ich denke allerdings, dass die S400-Lösung eine singuläre bleibt, so wie sie jetzt konkret konstruktiv ausgeführt ist. Unter Kostengesichtspunkten ist sie noch zu verbessern. Wir arbeiten bereits an der nächsten Generation.
Sitzen Sie bereits an Entwicklungsprojekten mit anderen Herstellern? Gibt es Anfragen oder Aufträge?
Die gibt es. Aufträge, Entwicklungs-Zusammenarbeiten und Anfragen – alle zu Batterie-Kühlungssystemen. Wobei hier die Konzepte noch sehr unterschiedlich sind. Einmal dadurch bedingt, mit welcher Zelle der Hersteller arbeitet. Wir arbeiten teilweise auch mit Batterieherstellern direkt. Und für welchen Anwendungsfall: also Größe der Batterie – ist es eine Hochleistungsbatterie oder eine Hochenergiebatterie, also High Power oder High Energy, wie muss die Batterie ins Fahrzeug hinein ‚gepackaged‘ werden, Bauraumrestriktionen etc.
Gehen Sie davon aus, dass die Volumina künftig steigen werden – sei es mit Mercedes oder anderen Kunden?
Auf jeden Fall, Batteriekühlung ist ein Thema in allen Hybridfahrzeugen, die da kommen werden. Die Marktentwicklung der Hybridfahrzeuge ist so, dass wir davon ausgehen, 2015 zwei bis drei Millionen Hybridfahrzeuge am Markt zu sehen – Jahresproduktion weltweit. Das ist natürlich nur eine Prognose. Jetzt kann man da herunterrechnen: Wenn man einen gewissen Marktanteil für Behr unterm Strich zieht, dann sind wir sicher im Einige-Hunderttausend-Bereich, die wir dort an Komponenten und Stückzahlen noch erreichen können. Wie viele Varianten das dann sein werden – das kann ich im Moment noch nicht absehen.
Konkret, wo sehen Sie sich in dieser Range?
Wir streben einen Marktanteil von 20 bis 30 Prozent an. Wir trauen uns zu, einen solchen Marktanteil zu erreichen. Bei 30 Prozent und zwei Millionen Hybridfahrzeugen wären es 600 000 Einheiten.
„Es gibt weitere Aufträge, Entwicklungs-Zusammenarbeiten und Anfragen - alle zu Batterie-Kühlungssystemen. Doch die Konzepte sind noch sehr unterschiedlich", bestätigt Dr. Heckenberger. Bild: Behr
Noch kurz zum Stichwort Standardisierung …
Der Markt ist in einer Phase, in der er, wie bei vielen neuen Technologien, erst einmal sehr diversifiziert startet. Auch jeder OEM hat so seine eigene Vorstellung: welche Batteriegröße, welche Bauräume usw. Ich bin davon überzeugt, dass mittel- bis langfristig eine gewisse Standardisierung einsetzt, oder dass sich gewisse Lösungen durchsetzen, weil sie die besten sind: Kosten, Gewicht, Bauraum, Wirkung, Funktion. Aber bis dahin sehen wir eine große Vielzahl. Darauf stellen wir uns mit unseren Konzepten ein. Die Frage ist: Auf welcher Ebene wird eine Modularisierung, Standardisierung einsetzen. Wir reden über riesige Investitionen, die die Industrie tätigen muss.
Wir stellen uns darauf ein, dass wir da noch mal eine große Bandbreite sehen, die aber mittel- bis langfristig in einen engeren Kanal geführt wird. Gerade auf der Batterieseite selber sehe ich noch diese Vielfalt – allerdings der Not gehorchend. Der Not gehorchend deshalb, weil es Zellhersteller gibt, die sagen eben: ‚Ich habe die und die Arten und Größen von Zelle’. Es gibt die Automobilhersteller, die sagen: ‚Ich habe die und die Bauräume für den und den Anwendungsfall’. Und ich glaube, dass deshalb auf der Batterieebene eine Standardisierung im Moment noch gar nicht zu erreichen ist. Sondern dass sich das genau aus dieser Diversifikation heraus dann ergibt. Dass man dann sagt: Es gibt bestimmte Standardzellen dieser und jener Größenordnung, aus denen dann die verschiedensten Batteriegrößen aufgebaut werden. Im Consumer-Bereich gibt es bereits standardisierte Zellen in der Lithium-Ionen-Technik und eine Vielzahl von Geometrien.
Das Interview führte Andreas Gottwald
Hier finden Sie die Print-Version aus Automobil-PRODUKTION 09/September 2009!
