Batteriepack und Konfiguration
Ein EV-Batteriepack verbindet Zellen mit elektrischen Verbindungen, Kühltechnik, Steuerelektronik und Schutzstrukturen zu einem Hochvolt-Energiesystem.
Seine elektrische Konfiguration bestimmt Spannung, Kapazität und Strombelastbarkeit. Die physische Integration beeinflusst Gewicht, Kühlung, Crashschutz, Bauraum, Wartungsfreundlichkeit und Energiedichte auf Packebene.
Was befindet sich in einem Batteriepack?
Die Zellen speichern die Energie, sind aber nur ein Teil des vollständigen Batteriepacks.
Ein typisches EV-Batteriepack enthält:
- Batteriezellen
- Module oder andere Strukturen zur Gruppierung von Zellen
- Stromschienen und Hochvoltleiter
- Zellüberwachungselektronik
- Positive und negative Hauptschütze
- Sicherungen und pyrotechnische Trennelemente
- Strom-, Spannungs- und Isolationssensoren
- Einen Wartungstrennstecker
- Kühlplatten und Kühlmittelkanäle
- Wärmeleitmaterialien
- Ein abgedichtetes Packgehäuse
- Crash- und Durchdringungsschutz
- Druckentlastungs- und Gasführungspfade
- Hochvoltstecker und -verbindungen
Die Hauptschütze trennen die Zellen vom übrigen Fahrzeug, wenn das Hochvoltsystem abgeschaltet wird. Innerhalb des Packs bleiben die Zellen miteinander verbunden und elektrisch unter Spannung.
Eine herkömmliche Sicherung schützt vor übermäßigem Strom. Ein pyrotechnisches Trennelement kann bei einem schweren Unfall oder elektrischen Fehler eine Hochvoltverbindung sehr schnell unterbrechen.
Das Batteriemanagementsystem überwacht und steuert das Pack. Batterie-Thermomanagement erläutert seine Kühl- und Heizsysteme ausführlicher.
Batteriekonfiguration
Die Batteriekonfiguration beschreibt, wie die Zellen elektrisch miteinander verbunden sind.
Die beiden grundlegenden Verbindungsarten sind:
- Reihenschaltung, die die Spannung erhöht
- Parallelschaltung, die die Amperestundenkapazität und Strombelastbarkeit erhöht
Die meisten EV-Packs kombinieren beide Arten.
Reihenschaltungen
Werden identische Zellen oder Zellgruppen in Reihe geschaltet, addieren sich ihre Spannungen.
Durch jede Zelle beziehungsweise Parallelgruppe der Reihenschaltung fließt derselbe Strom.
Packspannung = Anzahl der Reihengruppen × Zellspannung
Werden 100 Zellen mit einer Nennspannung von 3.7 Volt in Reihe geschaltet, ergibt sich eine Nennspannung des Packs von ungefähr 370 Volt.
Die in Amperestunden angegebene Kapazität steigt nicht, wenn identische Zellen ausschließlich in Reihe geschaltet werden.
Parallelschaltungen
Werden identische Zellen parallel geschaltet, bleibt die Spannung gleich, während sich ihre Amperestundenkapazitäten addieren.
Kapazität der Parallelgruppe =
Anzahl paralleler Zellen × Zellkapazität
Vier parallel geschaltete Zellen mit 72 Ah bilden eine Gruppe mit 288 Ah.
Parallele Zellen teilen sich auch den Strom. Unter ausgeglichenen Bedingungen führt jede von vier identischen parallelen Zellen ungefähr ein Viertel des Gruppenstroms.
Die tatsächliche Stromaufteilung kann aufgrund folgender Unterschiede geringfügig abweichen:
- Innenwiderstand
- Temperatur
- Zellalter
- Elektrische Verbindungen
- Fertigungstoleranzen
Das BMS überwacht parallel geschaltete Zellen normalerweise als eine Spannungsgruppe, weil sie dieselbe Klemmenspannung besitzen.
Die s- und p-Schreibweise verstehen
Batteriekonfigurationen werden üblicherweise wie folgt angegeben:
- s für Reihe (series)
- p für parallel
Eine 3s4p-Konfiguration enthält:
- Drei in Reihe geschaltete Gruppen
- Vier parallel geschaltete Zellen in jeder Gruppe
- Insgesamt zwölf physische Zellen
Die Gesamtzahl der Zellen beträgt:
Gesamtzahl der Zellen = Anzahl in Reihe × Anzahl parallel
Für ein Pack aus identischen Zellen gilt:
Nennspannung des Packs =
Anzahl in Reihe × Nennspannung der Zelle
Packkapazität in Ah =
Anzahl parallel × Zellkapazität
Nennenergie des Packs in Wh =
Nennspannung des Packs × Packkapazität
Spannung multipliziert mit Amperestunden ergibt einen ungefähren Nennenergiewert.
Die Zellspannung ändert sich fortlaufend mit dem Ladezustand. Diese Rechnung misst daher nicht exakt die Energie, die das Pack bei einer vollständigen Entladung liefern kann. Hersteller können Nenn- oder Bruttokapazität außerdem mit Zellcharakterisierungsverfahren bestimmen, die geringfügig von dieser einfachen Rechnung abweichen.
Beispiel: Audi Q8 55 e-tron
Die Batterie des Audi Q8 55 e-tron enthält 432 prismatische Zellen, die auf 36 Module verteilt sind. Jedes Modul enthält 12 Zellen.
Audi nennt:
- 114 kWh Bruttokapazität
- 106 kWh nutzbare Kapazität
- 396 V Nennspannung
- 36 Module
- 432 Zellen
Jedes Modul verwendet eine 3s4p-Anordnung. Das vollständige Pack ist damit als 108s4p konfiguriert. (Audi)
Mit den Nennwerten der Zellen:
- Zellspannung: Ungefähr 3.6667 V
- Zellkapazität: 72 Ah
- Kapazität der Parallelgruppe: 4 × 72 Ah = 288 Ah
- Modulspannung: 3 × 3.6667 V = ungefähr 11 V
- Modulkapazität: 288 Ah
Die 36 Module sind in Reihe geschaltet:
- Gesamtkonfiguration: 108s4p
- Packspannung: 36 × 11 V = 396 V
- Packkapazität: 288 Ah
- Nennenergie: 396 V × 288 Ah = 114,048 Wh
Das Ergebnis beträgt ungefähr 114 kWh und entspricht damit der von Audi veröffentlichten Bruttokapazität.
Das Beispiel zeigt zwei wichtige Grundsätze:
- Die Reihenschaltung von Zellen oder Modulen erhöht die Spannung.
- Die Reihenschaltung von Modulen erhöht nicht die Amperestundenkapazität.
Beispiel: Porsche Macan Electric
Der Porsche Macan Electric verwendet:
- 100 kWh Bruttokapazität
- Ungefähr 95 kWh nutzbare Kapazität
- 12 Module
- 15 prismatische, in Reihe geschaltete Zellen pro Modul
- Insgesamt 180 Zellen
- Eine Architektur der 800-Volt-Klasse
Das vollständige Pack lässt sich daher als 180s1p beschreiben. Jede große prismatische Zelle stellt bereits die erforderliche Amperestundenkapazität bereit, sodass an jeder Position der Reihenschaltung keine parallelen physischen Zellen benötigt werden.
Porsche gibt außerdem an, dass die 12 Module und mehrere andere wichtige Packkomponenten einzeln ausgetauscht werden können. (Porsche Newsroom)
Dies unterscheidet sich erheblich von einem Pack mit Tausenden kleinen Rundzellen, obwohl beide Konstruktionen dieselben grundlegenden Aufgaben erfüllen.
Beispielhaftes Pack mit kleinen Rundzellen
Betrachten wir ein Pack mit 4,416 Rundzellen in einer 96s46p-Anordnung.
Für jede Zelle nehmen wir an:
- Nennspannung: 3.7 V
- Kapazität: 4.8 Ah
Das resultierende Pack besitzt:
Packspannung = 96 × 3.7 V
= 355.2 V
Packkapazität = 46 × 4.8 Ah
= 220.8 Ah
Nennenergie = 355.2 V × 220.8 Ah
= ungefähr 78.4 kWh
Dies ist eine beispielhafte Konfiguration und keine Spezifikation für jedes Fahrzeug mit einer ähnlichen Zellzahl.
Tatsächliche Rundzellenpacks unterscheiden sich je nach:
- Zellkapazität
- Zellchemie
- Zulieferer
- Werk
- Modelljahr
- Batterieversion
- Nutzbarem Spannungsfenster
Beispiele für Batteriekonfigurationen
Hersteller veröffentlichen nicht immer die vollständige sXp-Schreibweise. Mit einem Sternchen gekennzeichnete Konfigurationen sind aus den veröffentlichten Zell- und Modulanordnungen abgeleitet.
| Batterie | Jahr | Brutto- oder Nennkapazität | Zellen / Module | Konfiguration | Nenn- oder Architekturspannung |
|---|---|---|---|---|---|
| Mitsubishi i-MiEV, US-Spezifikation | 2012 | 16.3 kWh | 88 Zellen | 88s1p* | 325.6 V |
| Volkswagen e-Golf | 2014 | 24.2 kWh | 264 Zellen / 27 Module | 88s3p* | 323 V |
| Volkswagen e-Golf, Generation mit 35.8 kWh | 2017 | 35.8 kWh | 264 Zellen / 27 Module | 88s3p* | 323 V |
| Audi Q8 55 e-tron | 2022 | 114 kWh | 432 Zellen / 36 Module | 108s4p | 396 V |
| Audi Q6 e-tron / A6 e-tron PPE-Batterie | 2024 | 100 kWh | 180 Zellen / 12 Module | 180s1p* | 800-Volt-Klasse |
| Porsche Macan Electric | 2024 | 100 kWh | 180 Zellen / 12 Module | 180s1p* | 800-Volt-Klasse |
| NIO 150 kWh Ultra Long Range Battery | 2024 | 150 kWh Nennkapazität | 384 Zellen | Nicht offiziell veröffentlicht | 337 V Nennspannung |
| Porsche Cayenne Electric | 2026 | 113 kWh | 192 Pouch-Zellen / 6 Module | Nicht offiziell veröffentlicht | 800-Volt-Klasse |
Das Testpack des Mitsubishi i-MiEV verwendete 88 Zellen und hatte eine Nennkapazität von 50 Ah, eine Nennenergie von 16.3 kWh und eine Nennspannung von 325.6 V. (US Department of Energy)
Der ursprüngliche e-Golf verwendete 264 Zellen, 27 Module, 323 V und 24.2 kWh. Die spätere Version mit 35.8 kWh behielt dieselbe Zell- und Modulzahl, Nennspannung und veröffentlichte Batteriemasse. (VW Press)
Die Audi-PPE-Batterie verwendet 12 Module und 180 große prismatische Zellen statt der 36 Module und 432 Zellen des Q8 e-tron. (Audi)
NIO veröffentlicht für seine Batterie mit 150 kWh insgesamt 384 Zellen, 337 V Nennspannung, 446 Ah und 575 kg, stellt aber nicht genügend öffentliche Informationen für eine verlässliche vollständige sXp-Konfiguration bereit. (NIO)
Der Porsche Cayenne Electric verwendet sechs Module und 192 große Pouch-Zellen in einer funktionsintegrierten Batterie. (Porsche Newsroom)
Spannung, Strom und Leistung
Die elektrische Leistung hängt von Spannung und Strom ab:
Leistung = Spannung × Strom
Dieselbe Leistung lässt sich übertragen mit:
- Höherer Spannung und niedrigerem Strom
- Niedrigerer Spannung und höherem Strom
Eine idealisierte Übertragung von 300 kW erfordert:
Bei 400 V:
Strom = 300,000 W ÷ 400 V
= 750 A
Bei 800 V:
Strom = 300,000 W ÷ 800 V
= 375 A
Das 800-Volt-System überträgt dieselbe Leistung mit dem halben Strom.
Elektrische Verluste in Leitern können näherungsweise so berechnet werden:
Ohmscher Verlust = Strom² × Widerstand
Bleibt der Widerstand unverändert, reduziert die Halbierung des Stroms den ohmschen Verlust auf ein Viertel.
Reale Fahrzeuge sind komplexer, weil sich auch Leiterabmessungen, Kontaktwiderstände, Halbleiter, Kühlung und die tatsächliche Batteriespannung ändern. Die Rechnung erklärt dennoch, warum höhere Spannungen mit steigender Lade- und Antriebsleistung attraktiver werden.
Systeme der 400-Volt- und 800-Volt-Klasse
Die Bezeichnungen 400 Volt und 800 Volt beschreiben breite Systemklassen und keine festen Batteriespannungen.
Die Packspannung ändert sich mit:
- Ladezustand
- Zellchemie
- Temperatur
- Strom
- Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen
- Spannungsgrenzen des Herstellers
Eine als 400 Volt vermarktete Batterie kann vom unteren 300-Volt-Bereich bis über 400 V arbeiten.
Ein Pack der 800-Volt-Klasse kann eine Nennspannung näher an 650–750 V besitzen und bei hohem Ladezustand 800 V erreichen oder überschreiten.
Systeme der 400-Volt-Klasse
Eine Architektur der 400-Volt-Klasse reicht für viele verbreitete Elektrofahrzeuge weiterhin aus.
Vorteile
- Ausgereifte und weithin verfügbare Komponenten
- Niedrigere Komponentenkosten
- Unkomplizierte Kompatibilität mit vorhandenen Ladesäulen
- Weniger anspruchsvolle Isolationsanforderungen
- Ausreichende Leistung für viele Pkw
- Etablierte Reparatur- und Fertigungsverfahren
Kompromisse
- Höherer Strom für dieselbe Leistung
- Größere stromführende Leiter bei sehr hoher Leistung
- Mehr Erwärmung an Steckern und Kabeln
- Größere Schwierigkeit, extreme Ladeleistungen zu erreichen
- Höherer Strombedarf für sehr leistungsstarke Antriebe
Eine leistungsfähige 400-Volt-Batterie kann dennoch sehr schnell laden, wenn sie hochstromfähige Zellen, wirksame Kühlung und eine breite Ladekurve kombiniert.
Systeme der 800-Volt-Klasse
Eine Architektur der 800-Volt-Klasse verringert den für eine bestimmte Leistung erforderlichen Strom.
Vorteile
- Niedrigerer Strom bei hoher Ladeleistung
- Geringere Leiterverluste
- Potenziell kleinere oder leichtere Hochvoltkabel
- Höhere Leistung innerhalb der Stromgrenzen von Steckverbindern
- Effiziente Bereitstellung hoher Antriebsleistung
- Sehr gut für leistungsstarkes Laden geeignet
Kompromisse
- Teurere Hochvoltkomponenten
- Anspruchsvollere Isolation und größere Kriechstrecken
- Höhere Anforderungen an Schütze und Sensoren
- Komplexere Leistungselektronik
- Kompatibilitätsprobleme mit Ladesäulen niedrigerer Spannung
- Höhere Entwicklungs- und Validierungskosten
Eine höhere Spannung garantiert kein schnelleres Laden.
Die Ladeleistung hängt außerdem ab von:
- Zellchemie
- C-Rate der Zelle
- Batterietemperatur
- Ladekurve
- Stromgrenzen
- Kühlleistung
- Ladezustand
- Leistungsfähigkeit der Ladesäule
Laden einer 800-Volt-Batterie an einer Ladesäule mit niedrigerer Spannung
Eine Ladesäule muss genügend Spannung bereitstellen, um Strom in die Batterie zu treiben.
Eine Batterie der 800-Volt-Klasse kann normalerweise nicht direkt an einer Ladesäule laden, deren maximale Ausgangsspannung deutlich unter der Packspannung liegt.
Hersteller lösen dies auf unterschiedliche Weise:
- Ein eigener DC-Hochsetzsteller
- Nutzung von Motor und Wechselrichter als Teil einer Hochsetzschaltung
- Umschaltung der Batterie in Bänke mit niedrigerer Spannung
- Eingeschränkte Ladefähigkeit an inkompatiblen Ladesäulen
Laden in Bänken
Beim Laden in Bänken wird die elektrische Konfiguration der Batterie während des Ladens verändert.
Der Porsche Macan kann seine 800-Volt-Batterie in zwei getrennte 400-Volt-Stromkreise aufteilen. Die beiden Batteriehälften werden dann ohne separaten Hochvolt-Booster gleichzeitig mit bis zu 135 kW geladen. (Porsche Newsroom)
Die Zellen bewegen sich dabei nicht, und das Pack wird nicht physisch geteilt. Hochvoltschalter verändern lediglich die elektrische Verbindung seiner Abschnitte.
Dies zeigt, dass die Batteriekonfiguration nicht in jedem Betriebszustand unverändert bleiben muss.
Batteriepack-Architekturen
Die elektrische Konfiguration beschreibt, wie die Zellen verbunden sind.
Die Packarchitektur beschreibt, wie Zellen, Kühlsystem, Gehäuse, Module und Fahrzeugstruktur physisch integriert sind.
Zu den wichtigsten Ansätzen zählen:
- Modulbasierte Packs
- Cell-to-Pack
- Cell-to-Body oder Cell-to-Chassis
- Strukturelle oder funktionsintegrierte Packs
Diese Kategorien überschneiden sich.
Eine strukturelle Batterie kann weiterhin Module enthalten. Eine Cell-to-Pack-Konstruktion kann weiterhin innere Rahmen, komprimierte Reihen, Bänke oder andere Strukturen zur Gruppierung der Zellen verwenden.
Modulbasierte Packs
In einem herkömmlichen modularen Pack werden Zellen zunächst zu Modulen zusammengebaut, bevor die Module in das Batteriegehäuse eingesetzt werden.
Zelle → Modul → Pack → Fahrzeug
Module können enthalten:
- Zellrahmen
- Kompressionsstrukturen
- Stromschienen
- Zellüberwachungselektronik
- Kühlschnittstellen
- Elektrische Isolation
- Mechanischen Schutz
- Anschlüsse auf Modulebene
Vorteile modularer Packs
- Skalierbarkeit: Unterschiedliche Kapazitäten lassen sich durch eine unterschiedliche Anzahl von Modulen erzeugen.
- Getrennte Fertigung: Modulmontage und abschließende Packmontage können getrennt geprüft werden.
- Kontrollierte Zellgruppen: Kompression, elektrische Verbindungen und Kühlung lassen sich in definierten Einheiten steuern.
- Mögliche Reparierbarkeit: Ein defektes Modul kann eventuell ersetzt werden, ohne das gesamte Pack auszutauschen.
- Zuliefererflexibilität: Module können eine Schnittstelle zwischen Zellproduktion und Fahrzeugmontage bilden.
- Plattformübergreifende Nutzung: Eine Modulkonstruktion kann mitunter in mehreren Fahrzeugen eingesetzt werden.
Kompromisse modularer Packs
- Zusätzliches inaktives Material: Rahmen, Abdeckungen, Befestigungselemente und Stecker erhöhen die Masse.
- Mehr Bauteile: Es werden mehr Gehäuse, Dichtungen, Stromschienen und Schnittstellen benötigt.
- Geringere Packeffizienz: Sowohl um Zellen als auch um Module wird Platz benötigt.
- Mehr Montageschritte: Module müssen separat produziert, geprüft, transportiert und eingebaut werden.
Das Vorhandensein von Modulen macht ein Pack nicht automatisch reparierbar.
Die Reparierbarkeit hängt außerdem ab von:
- Zugänglichkeit des Packs
- Kleb- und Dichtstoffen
- Ausführung des Kühlkreislaufs
- Verfügbarkeit von Ersatzteilen
- Diagnoseunterstützung
- BMS-Programmierung
- Reparaturverfahren des Herstellers
Der Porsche Macan Electric ist ein modernes Beispiel für ein reparaturorientiertes modulares Pack. Porsche gibt an, dass seine 12 Module und andere wichtige Komponenten einzeln ausgetauscht werden können. (Porsche Newsroom)
Cell-to-Pack
Cell-to-Pack, meist CTP abgekürzt, entfernt oder reduziert das herkömmliche dazwischenliegende Modulgehäuse.
Zelle → Pack → Fahrzeug
Die Zellen können weiterhin angeordnet sein in:
- Reihen
- Komprimierten Gruppen
- Inneren Rahmen
- Bänken
- Strukturellen Verbänden
CTP bedeutet nicht zwangsläufig, dass jede Zelle lose in einem ungeteilten Gehäuse liegt.
Vorteile von Cell-to-Pack
- Höhere Volumenausnutzung des Packs: Modulwände und -abdeckungen beanspruchen weniger Raum.
- Geringere inaktive Masse: Es werden weniger Zwischengehäuse und Befestigungselemente benötigt.
- Weniger Bauteile: Elektrische und strukturelle Schnittstellen können zusammengeführt werden.
- Mögliche Kostensenkung: Das Entfernen wiederholter Komponenten kann die Montage vereinfachen.
- Direktere Kühlintegration: Zellen können unmittelbar an Kühlstrukturen des Packs angebunden werden.
- Weniger Verbindungen: Große Zellen und direkte Integration können die Zahl der Stromschienen und Stecker reduzieren.
Kompromisse von Cell-to-Pack
- Mehr Verantwortung auf Packebene: Kühlung, Kompression, Isolation und Schutz vor Fehlerausbreitung müssen über größere Abschnitte gelöst werden.
- Stärker integrierte Fertigung: Ein Produktionsfehler kann eine größere Baugruppe betreffen.
- Weniger modularer Austausch: Zellgruppen können sich nur schwer einzeln entfernen lassen.
- Plattformabhängigkeit: Zellabmessungen, Kühlung, Packgehäuse und Fahrzeugboden sind eng miteinander verknüpft.
- Möglicherweise höhere Reparaturkosten: Schäden an einem Abschnitt können den Austausch einer größeren Packbaugruppe erfordern.
CATL Qilin
CATL bezeichnet Qilin als CTP-Architektur der dritten Generation.
CATL nennt für die Konstruktion eine Volumenausnutzung des Packs von 72%. Dieser Wert gilt für Qilin und nicht automatisch für jede CTP-Batterie.
Die Bedeutung geht über den Wegfall herkömmlicher Modulgehäuse hinaus. Qilin integriert Kühlung, Struktur, thermischen Schutz und Zellen auf Packebene.
Volkswagen Unified Cell und Cell-to-Pack
Die Unified Cell des Volkswagen-Konzerns ist eine standardisierte Plattform für prismatische Zellen, die mit einem neuen Cell-to-Pack-Batteriesystem zusammenarbeiten soll.
Die umfassende Zellplattform ist vorgesehen für:
- NMC
- LFP
- Natrium-Ionen
- Mögliche künftige Festkörpertechnologie
Die erste in Salzgitter produzierte PowerCo Unified Cell nutzt NMC-Chemie. LFP-Varianten sind geplant. (Volkswagen Group)
Die Unified Cell zeigt, warum sich Zellformat und Packschnittstellen standardisieren lassen, ohne jedes Fahrzeug auf dieselbe Chemie festzulegen.
BYD Blade Battery
Die Blade Battery von BYD verwendet lange prismatische LFP-Zellen, die ohne herkömmliche Zwischenmodule direkt im Pack angeordnet sind.
Die langen Zellen tragen zugleich zur inneren mechanischen Struktur des Packs bei.
Ein großer Teil des Bauraumvorteils entsteht aus dem Zusammenspiel von:
- Zellabmessungen
- Packbreite
- Kühlung
- Struktureller Abstützung
- Modulloser Montage
Das Ergebnis sollte weder der LFP-Chemie noch allein der langen Zellform zugeschrieben werden.
Cell-to-Body und Cell-to-Chassis
Cell-to-Body oder CTB integriert die Batterie enger in die Fahrzeugkarosserie.
Cell-to-Chassis oder CTC wird für ähnliche Konzepte verwendet, wobei die Hersteller die Begriffe nicht einheitlich benutzen.
Die Batterie kann Funktionen teilen mit:
- Boden des Fahrgastraums
- Querträgern
- Unterboden
- Seitenstrukturen
- Sitzbefestigungsstrukturen
- Crashlastpfaden
Die Grenze zwischen fortschrittlichem CTP und CTB ist nicht immer eindeutig. Sie hängt davon ab, welche Bauteile und Funktionen Pack und Karosserie gemeinsam nutzen.
BYD Seal Cell-to-Body
Der BYD Seal verwendet ein Cell-to-Body-System, bei dem Batterie und Karosserieboden eine eng integrierte, sandwichartige Struktur bilden.
Die Batterie dient zugleich als:
- Energiespeichersystem
- Strukturelles Element im Fahrzeug
Vorteile von CTB und CTC
- Weniger doppelte Strukturschichten
- Mehr Innenraum bei gleicher Fahrzeughöhe
- Mögliche Verringerung der Systemmasse
- Höhere Karosseriesteifigkeit
- Niedrigerer Schwerpunkt
- Effizientere Raumnutzung
Kompromisse von CTB und CTC
- Batterie- und Karosserieentwicklung sind eng miteinander verbunden.
- Unfallreparaturen können Batterie- und Karosseriestrukturen betreffen.
- Der Ausbau des Packs kann umfangreichere Demontage erfordern.
- Plattformänderungen können eine neu konstruierte Batterie verlangen.
- Abdichtung und Korrosionsschutz werden wichtiger.
- Maßtoleranzen werden anspruchsvoller.
Strukturelle und funktionsintegrierte Packs
Eine strukturelle Batterie nimmt wesentliche Fahrzeuglasten auf, statt nur als unter der Karosserie montierter Energiespeicher zu dienen.
Ein strukturelles Pack kann verwenden:
- Direkt in ein tragendes Gehäuse eingeklebte Zellen
- Große strukturelle Zellverbände
- In eine karosserieintegrierte Batterie eingebaute Module
- Eine Batterieabdeckung, die zugleich einen Teil des Kabinenbodens bildet
Strukturelle Integration und die Nutzung von Modulen sind voneinander unabhängige Konstruktionsentscheidungen.
Strukturelles Batteriepack von Tesla
Tesla begann 2022 mit der Produktion ausgewählter Model-Y-Fahrzeuge mit selbst gefertigten 4680-Zellen, großen Karosseriegussteilen und einem strukturellen Batteriepack.
Tesla hat auch Model-Y-Varianten mit herkömmlichen, nicht strukturellen Packs und 2170-Zellen produziert. Die Batteriearchitektur hängt somit von Fahrzeugversion und Werk ab.
Porsche Cayenne Electric
Der Porsche Cayenne Electric verwendet eine von Porsche so bezeichnete funktionsintegrierte Hochvoltbatterie.
Die Batterie:
- Ist direkt in die Fahrzeugstruktur integriert
- Trägt zur Karosseriesteifigkeit bei
- Enthält sechs Module
- Enthält 192 große Pouch-Zellen
- Besitzt 113 kWh Bruttokapazität
- Nutzt eine beidseitige Modulkühlung
Sie ist ein anschauliches Beispiel für eine strukturell integrierte Batterie, die modular bleibt, statt eine modullose CTP-Architektur zu verwenden. (Porsche Newsroom)
Vorteile struktureller Packs
- Weniger doppelte Strukturen in Pack und Karosserie
- Potenziell geringere Gesamtsystemmasse
- Bessere Nutzung des vertikalen Bauraums
- Höhere Karosseriesteifigkeit
- Niedrigerer Schwerpunkt
- Weniger große Fahrzeugkomponenten
Kompromisse struktureller Packs
- Batterie- und Fahrzeugentwicklung werden untrennbar.
- Strukturschäden können das Batteriegehäuse betreffen.
- Packausbau und Karosseriereparatur können komplizierter sein.
- Fertigungstoleranzen werden anspruchsvoller.
- Die Batterie lässt sich möglicherweise nur schwer auf einer anderen Plattform einsetzen.
- Reparaturen erfordern detaillierte Herstellervorgaben.
Das folgende Video bietet eine ausführliche Analyse des strukturellen Tesla-Packs durch Munro & Associates.
Packarchitektur und Wartungsfreundlichkeit
Es ist verlockend, Batteriearchitekturen so einzuordnen:
Module = reparierbar
Cell-to-Pack = schwer zu reparieren
Strukturelles Pack = nicht reparierbar
Die Realität ist komplexer.
Die Wartungsfreundlichkeit hängt ab von:
- Der Möglichkeit, die Abdeckung zerstörungsfrei zu öffnen
- Der Möglichkeit, Module oder Zellgruppen auszubauen
- Strukturklebstoffen, Schaum und Vergussmassen
- Zugang zu Kühlplatten
- Kühlmittelanschlüssen
- Verfügbarkeit von Modulen und Elektronik
- Diagnosewerkzeugen
- BMS-Programmierung und Bauteilkopplung
- Freigegebenen Reparaturverfahren
- Schäden am Packgehäuse oder an der Fahrzeugstruktur
Auch eine herkömmliche modulbasierte Batterie wird unter Umständen nur als vollständige Einheit ersetzt, wenn der Hersteller keine Module oder Reparaturanweisungen bereitstellt.
Eine strukturell integrierte Batterie kann dennoch austauschbare Teile enthalten:
- Module
- Schütze
- Sicherungen
- Sensoren
- Steuergeräte
- Kühlmittelkomponenten
Der Porsche Cayenne Electric zeigt, dass strukturelle Integration und modularer Aufbau nebeneinander bestehen können.
Die Packarchitektur beeinflusst die Reparaturmöglichkeiten, bestimmt sie aber nicht allein.
Energiedichte auf Packebene
Die Energiedichte auf Zellebene beschreibt die in den Zellen gespeicherte Energie im Verhältnis zu ihrer Masse oder ihrem Volumen.
Die Energiedichte auf Packebene umfasst alles, was zum Betrieb, zur Verbindung, Kühlung und zum Schutz der Zellen erforderlich ist:
- Zellgehäuse
- Modulstrukturen
- Packgehäuse
- Kühlsystem
- Stromschienen und Verkabelung
- Schütze und Sicherungen
- Steuerelektronik
- Crashschutz
- Dichtungen und Befestigungselemente
- Wärmeleitmaterialien
Die gravimetrische Energiedichte des Packs lautet:
Gravimetrische Energiedichte des Packs =
Packenergie in Wh ÷ vollständige Packmasse in kg
Die volumetrische Energiedichte des Packs lautet:
Volumetrische Energiedichte des Packs =
Packenergie in Wh ÷ äußeres Packvolumen in Litern
Eine Zelle mit hoher Energiedichte kann dennoch zu einem relativ schweren Pack führen, wenn sie aufwendige Kühl-, Eindämmungs- oder Strukturtechnik erfordert.
Eine Chemie geringerer Dichte wie LFP kann durch effiziente Integration ein respektables Ergebnis auf Packebene erreichen. Die geringere Dichte auf Zellebene verschwindet dadurch jedoch nicht vollständig.
Entwicklung der Energiedichte auf Packebene
Die Tabelle verwendet Bruttoenergie beziehungsweise die vom Hersteller angegebene Nennenergie und nicht die nutzbare Energie.
Die Werte sind als repräsentative Beispiele und nicht als Laborvergleich zu verstehen. Hersteller definieren Packmasse oder Nennenergie nicht immer exakt gleich.
| Batteriepack | Jahr oder Generation | Brutto- oder Nennkapazität | Packmasse | Berechnete Dichte |
|---|---|---|---|---|
| Mitsubishi i-MiEV, US-Spezifikation | 2012 | 16.3 kWh | 165 kg | 99 Wh/kg |
| Tesla Model S 85 | 2012 | 85 kWh | Ungefähr 540 kg | Ungefähr 157 Wh/kg |
| Volkswagen e-Golf | 2014 | 24.2 kWh | 318 kg | 76 Wh/kg |
| Audi e-tron 55 | 2018 | 95 kWh | Ungefähr 699 kg | Ungefähr 136 Wh/kg |
| Volkswagen e-Golf, Generation mit 35.8 kWh | 2017 | 35.8 kWh | 318 kg | 113 Wh/kg |
| Audi Q4 e-tron, große Batterie | 2021 | 82 kWh | Ungefähr 500 kg | Ungefähr 164 Wh/kg |
| BYD Seal Long Range, LFP | 2022 | 82.56 kWh | Ungefähr 558 kg | Ungefähr 148 Wh/kg |
| Audi Q6 e-tron / Porsche Macan Electric | 2024 | 100 kWh | Ungefähr 570 kg | Ungefähr 175 Wh/kg |
| Renault 5 E-Tech, Version mit 52 kWh | 2024 | 55 kWh | 297 kg | 185 Wh/kg |
| Audi e-tron GT, aktualisierte Batterie | 2024 | 105 kWh | 625 kg | 168 Wh/kg |
| NIO-Wechselbatterie mit 100 kWh | Aktuell veröffentlichte Spezifikation | 100 kWh Nennkapazität | 555 kg | 180 Wh/kg |
| NIO 150 kWh Ultra Long Range Battery | 2024 | 150 kWh Nennkapazität | 575 kg | 261 Wh/kg |
Die Werte des Mitsubishi i-MiEV stammen aus einem Testbericht des US-Energieministeriums, der 16.3 kWh Nennenergie und eine Packmasse von 363 lb nennt, was ungefähr 165 kg entspricht. (US Department of Energy)
Tesla gab das ursprüngliche Model S offiziell mit einer Batterie mit 85 kWh an. Die Packmasse von ungefähr 540 kg ist eine häufig genannte technische Schätzung und keine Zahl aus Teslas ursprünglicher Fahrzeugspezifikation. Die daraus berechnete Dichte ist daher als Näherungswert zu betrachten. (Tesla)
Volkswagen nennt offiziell 318 kg für beide e-Golf-Batteriegenerationen. (VW Press)
Der Audi e-tron arbeitete 2018 als Fahrzeug mit einer Batterie von 95 kWh und einem Batteriegewicht von ungefähr 699 kg. Der Wert ist ein anschauliches Beispiel für ein Pack, das auf leistungsfähige Kühlung, strukturellen Schutz, wiederholbar hohe Ladeleistung und modularen Aufbau statt nur auf minimale Masse ausgelegt wurde.
Für den BYD Seal wird eine Packmasse von ungefähr 558 kg für die LFP-Blade-Battery mit 82.56 kWh verwendet. Daraus ergeben sich rund 148 Wh/kg; der Wert dient als moderne LFP-Referenz.
Renault veröffentlicht offiziell 52 kWh nutzbare Kapazität und 297 kg Packmasse für den Renault 5. Die Tabelle verwendet 55 kWh als EVKX-Arbeitswert für die Bruttokapazität, woraus sich ungefähr 185 Wh/kg ergeben. (Renault Ireland)
Audi veröffentlicht für die aktualisierte Batterie des e-tron GT 105 kWh Bruttokapazität und 625 kg. (Audi)
NIO nennt 555 kg für seine Batterien mit 100 kWh und 575 kg für die Version mit 150 kWh. (NIO)
Frühe EV-Packs waren nicht alle gleich
Die Tabelle zeigt keinen einfachen, von Jahr zu Jahr verlaufenden Anstieg.
Der Mitsubishi i-MiEV und der ursprüngliche e-Golf waren konservativ ausgelegte frühe Batteriesysteme mit:
- Bescheidener Kapazität
- Niedriger Ladeleistung
- Umfangreicher Stützstruktur
- Durch kleine oder für mehrere Antriebsarten ausgelegte Plattformen eingeschränktem Bauraum
Der erste e-Golf erreichte auf Packebene nur 76 Wh/kg.
Das ursprüngliche Tesla Model S war eine bedeutende Ausnahme. Seine große, eigens entwickelte Bodenbatterie erreichte 2012 ungefähr 157 Wh/kg, obwohl sie Folgendes verwendete:
- 7,104 kleine Rundzellen
- 16 Module
- Flüssigkeitskühlung
- Tausende elektrische Verbindungen
- Ein stabiles Strukturgehäuse
Das Model S zeigte, wie eine Zelle mit hoher Energie und ein um ein großes flaches Pack herum entwickeltes Fahrzeug viele kleinere frühe EV-Batterien übertreffen konnten.
Zwei Generationen der e-Golf-Batterie
Die beiden e-Golf-Packs ermöglichen einen ungewöhnlich klaren Vergleich, weil veröffentlichte Packmasse, Zellzahl, Modulzahl und Nennspannung unverändert blieben.
| Spezifikation | e-Golf mit 24.2 kWh | e-Golf mit 35.8 kWh |
|---|---|---|
| Nennkapazität | 24.2 kWh | 35.8 kWh |
| Packmasse | 318 kg | 318 kg |
| Zellzahl | 264 | 264 |
| Modulzahl | 27 | 27 |
| Nennspannung | 323 V | 323 V |
| Berechnete Dichte | 76 Wh/kg | 113 Wh/kg |
Die spätere Batterie speichert ungefähr 48% mehr Energie, ohne dass die veröffentlichte Packmasse oder Zellzahl steigt.
Die Verbesserung beruhte hauptsächlich auf einer höheren Zellkapazität und nicht auf einem größeren Batteriegehäuse.
Modernes LFP: BYD Seal Blade Battery
Der BYD Seal ist ein anschauliches Beispiel für ein modernes LFP-Pack.
Seine Blade Battery mit 82.56 kWh wiegt ungefähr 558 kg und erreicht damit eine berechnete Packdichte von rund 148 Wh/kg.
Das liegt trotz der effizienten Cell-to-Body-Architektur des Seal unter mehreren modernen nickelbasierten Packs.
Das Ergebnis verdeutlicht zwei getrennte Effekte:
- LFP-Zellen speichern normalerweise weniger Energie pro Kilogramm als führende nickelreiche Zellen.
- Effiziente Packintegration verringert den Nachteil auf Zellebene, beseitigt ihn aber nicht.
Das Pack des Seal ist nicht schlecht konstruiert. Es setzt andere Schwerpunkte bei:
- Materialkosten
- Zyklenlebensdauer
- Thermischer Stabilität
- Packintegration
- Struktureller Effizienz
Die Packdichte sollte daher nicht als vollständige Rangliste der Batteriequalität verstanden werden.
Renault 5: Hohe Dichte in einem kleinen modularen Pack
Der Renault 5 E-Tech ist bemerkenswert, weil seine kompakte Batterie mit dem Arbeitswert von 55 kWh brutto ungefähr 185 Wh/kg erreicht.
| Spezifikation | Renault 5 E-Tech |
|---|---|
| Von EVKX verwendete Bruttokapazität | 55 kWh |
| Offizielle nutzbare Kapazität | 52 kWh |
| Packmasse | 297 kg |
| Berechnete Bruttodichte | 185 Wh/kg |
| Anzahl der Module | 4 |
Das Ergebnis ist besonders interessant, weil der Renault 5 keine modullose CTP-Konstruktion verwendet.
Seine vier großen Module reduzieren wiederholte Gehäuse, Anschlüsse und Stützteile im Vergleich zu Packs mit vielen kleineren Modulen.
Der Renault zeigt damit, dass eine hohe Packdichte keinen vollständigen Verzicht auf die Modulebene erfordert.
NIOs Wechselbatterien mit Kapazitäten von 100 als auch 150 kWh
NIOs Batterien mit Kapazitäten von sowohl 100 als auch 150 kWh ermöglichen einen weiteren aufschlussreichen Vergleich, weil beide in die Batteriewechselschnittstelle des Unternehmens passen.
| Spezifikation | NIO 100 kWh | NIO 150 kWh |
|---|---|---|
| Nennkapazität | 100 kWh | 150 kWh |
| Packmasse | 555 kg | 575 kg |
| Berechnete Dichte | 180 Wh/kg | 261 Wh/kg |
| Massenunterschied | — | 20 kg mehr |
| Energieunterschied | — | 50% mehr |
Die Batterie mit 150 kWh speichert 50% mehr Nennenergie und wiegt laut veröffentlichter Spezifikation nur 20 kg mehr als das Pack mit 100 kWh.
Ihre berechnete Dichte von ungefähr 261 Wh/kg liegt weit über den verbreiteten Beispielen in der Tabelle.
Sie ist nicht repräsentativ für den breiten EV-Markt. Das Pack nutzt eine spezialisierte Hochenergiezelle und wird über NIOs Upgrade- und Batteriewechselsystem eingesetzt.
Warum Packdichtewerte nicht vollkommen vergleichbar sind
Vergleiche der Packdichte erfordern Vorsicht.
Hersteller können unterschiedlich definieren:
- Bruttokapazität
- Nennkapazität
- Vollständige Packmasse
- Kühlmittelmasse
- Masse des Anschlusskastens
- Unterbodenschutz
- Gemeinsam genutzte Strukturteile
- Serien- gegenüber Prototypenspezifikation
Auch die Fahrzeuganforderungen unterscheiden sich.
Ein Performance-EV kann mehr benötigen:
- Kühlung
- Stromschienenquerschnitt
- Hochstromtechnik
- Crashschutz
Ein SUV oder Geländefahrzeug kann ein schwereres Gehäuse als ein kompakter Schrägheckwagen benötigen.
Eine Wechselbatterie braucht strukturelle und mechanische Schnittstellen, die bei einem dauerhaft eingebauten Pack entfallen.
Ein Pack geringerer Dichte kann dennoch bieten:
- Schnelleres und besser wiederholbares Laden
- Bessere Kühlung
- Stärkeren Crashschutz
- Einfacheren Modulaustausch
- Höhere Dauerleistung
- Längere Lebensdauer
- Niedrigere Produktionskosten
Die Energiedichte auf Packebene ist nützlich, aber keine vollständige Qualitätskennzahl für eine Batterie.
Was die Packarchitektur für Käufer eines Elektrofahrzeugs bedeutet
Die Packkonfiguration ist normalerweise kein Merkmal, das Käufer direkt vergleichen müssen.
Eine 180s1p-Batterie ist nicht grundsätzlich besser als eine 96s46p-Batterie.
Im Alltag zählt das Ergebnis der vollständigen Konstruktion:
- Nutzbare Batteriekapazität
- Fahrzeugeffizienz
- Ladekurve
- Laden bei kaltem Wetter
- Batterievorkonditionierung
- Dauer- und Spitzenleistung
- Alterung
- Thermomanagement
- Garantieumfang
- Schutz vor thermischer Ausbreitung
- Reparaturmöglichkeiten für Pack und Module
- Austauschkosten nach einer Beschädigung
Eine höhere Spannung kann einem Elektrofahrzeug zu hoher Lade- und Antriebsleistung verhelfen, doch die Spannung allein bestimmt nicht die Ladegeschwindigkeit.
Cell-to-Pack und strukturelle Integration können Gewicht verringern und die Raumnutzung verbessern. Sie können zugleich Reparaturverfahren verändern und die Folgen eines Unterboden- oder Strukturschadens vergrößern.
Ein modulares Pack kann mehr Reparaturmöglichkeiten bieten, jedoch nur, wenn Ersatzteile, Diagnosewerkzeuge und freigegebene Verfahren verfügbar sind.
Die beste Batteriepack-Architektur erfüllt die Ziele des Fahrzeugs bei:
- Leistung
- Reichweite
- Laden
- Sicherheit
- Haltbarkeit
- Produktionskosten
- Bauraum
- Wartungsfreundlichkeit
Das neueste Akronym kennzeichnet nicht automatisch die beste Batterie.
Mehr über die Schutzebenen rund um Zellen und das vollständige Pack erfahren Sie unter Sicherheit und Fehlermanagement von EV-Batterien.
Quellen
- Audi Q8 e-tron: Batteriekapazität und Laden
- Porsche Macan: Batterie und Laden
- US-Energieministerium: Batterietest des Mitsubishi i-MiEV
- Volkswagen: Pressemappe zum e-Golf
- Audi: PPE-Hochvoltbatterie
- NIO: ET7-Benutzerhandbuch
- Porsche Cayenne Electric: Hochvoltsystem
- Volkswagen Group: Batterie- und Energietechnologien
- Tesla: Spezifikationen des Model S
- Renault 5 E-Tech: Spezifikationen
- Audi e-tron GT: Hochvoltbatterie