Bosch und TU Wien lassen Batterien langsamer altern
Mit zunehmendem Alter nehmen die Leistung und Kapazität von Batterien in Hybridfahrzeugen ab und somit auch deren Reichweite sowie das CO2-Einsparungspotential. Zwei Teams von Bosch haben sich gemeinsam mit der Technischen Universität Wien mit der Frage befasst, wie Batterien in Mild-Hybridfahrzeugen optimiert betrieben werden können. In dieser Variante von Hybridfahrzeugen übernimmt der Elektromotor eine Unterstützungsfunktion und kann Bremsenergie in elektrische Energie zurückführen.
Batteriealterung in Hybridfahrzeugen
Mild-Hybrid-Systeme mit einer Bordnetzspannung von 48V in Kombination mit High-power Lithium-Ion Batteriezellen sind ein besonders vielversprechender Technologieansatz für eine effiziente Umsetzung zukünftiger Verbrauchs- und Emissions-Ziele. Die Speicherkapazität – und damit verbunden die Batteriegröße – sind dabei eine zentrale Einflussgröße, die sich auch stark auf den Preis der Batterie auswirkt. Bei 48V-System werden – im Vergleich zu Hochvolt-Systemen – Batterien mit kleinerer Speicherkapazität eingesetzt. Dadurch ergeben sich Im Betrieb sehr hohe Lade- und Entladeströme (C-Rate > 35C). Bis zum Projektstart gab es sehr wenig Erfahrung, inwieweit sich diese hohen C-Raten auf die Zell-Alterung auswirken.
Das Projektteam aus James Girard, Wolfgang Knefel und Engelbert Trunner aus der Entwicklung von Hybrid- und Fahrzeugfunktionen am Standort Wien haben sich gemeinsam mit der TU Wien angesehen, wie 48V Batterien mit Sicht auf die Lebensdauer optimaler betrieben werden können. Sie haben analysiert, welche Faktoren den Alterungsprozess – und damit die Lebensdauer – von 48 Volt-Batterien beeinflussen und haben diese Ergebnisse in die Betriebsstrategie eines Hybridantriebs implementiert.
Für die Analyse der Daten hat das Projektteam einen eigenen Alterungsprüfstand für Batteriezellen gebaut. Dort wurden beschleunigte Alterungstests an heute gängigen Lithium-Ionen-Zellen experimentell durchgeführt. Engelbert Trunner: „Wir haben uns zum Beispiel angesehen, welchen Einfluss die Betriebstemperatur auf die Lebensdauer der Batterie hat. Oder auch die Stromrate (C-Rate) – also der Lade- und Entladestrom bezogen auf die Kapazität der Batterie.“ Mit Hilfe dieser Daten kann die Batterie genauer an die Anforderungen angepasst und damit Ressourcen, Kosten und Gewicht eingespart werden.
Die Forschungsergebnisse sind bereits in die Software von verschiedenen Projekten eingeflossen, und wurden auch in diversen Artikeln in Fachjournalen veröffentlicht.
Folgeprojekt: Verlängerung der Lebensdauer mit Fokus auf das Schnellladen und Reichweite
Nach der erfolgreichen Zusammenarbeit von Bosch und TU Wien folgte gleich das nächste Projekt für Engelbert Trunner, dieses Mal mit den Kolleg*innen vom Entwicklungsteam Thermomanagement. In diesem liegt der Fokus anders als im Vorgängerprojekt auf Hochvolt-Batterien für Elektrofahrzeuge.
Die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen bei den Autofahrern hängt neben der Reichweite auch stark von einer verlässlichen Vorhersage der Reichweiten und möglichst kurzen Ladedauern ab. Ein wesentlicher Einflussfaktor spielt dabei die Umgebungstemperatur und der daraus abgeleitete Kühl- und Heizbedarf. Hier setzt das Vorhaben von Bosch und der TU Wien an. Eine bessere thermische Überwachung der Batterie anhand von Temperaturmodellen und eine Prädiktion des benötigten Kühl- oder Heiz-Bedarfs des Fahrzeuges sollen eine genauere Berechnung der Reichweite ermöglichen und Schnellladevorgänge durch eine Vorkonditionierung der Hochvolt-Batterie optimieren.
Bis Anfang 2023 wird das Bosch-Team aus Florian Bramberger, Margarida Silva, Engelbert Trunner, Martin Wiesböck und Patrick Winkler, gemeinsam mit der TU Wien eine Betriebsstrategie entwickeln, die eine verlässlichere Vorhersage der Reichweite ermöglicht und die Batteriealterung durch bessere thermische Konditionierung verlangsamt. Engelbert Trunner zum aktuellen Status in diesem Projekt: „Aufbauend auf die Untersuchungen an einem Fahrzeugaufbau an der TU Wien konnten neue für die thermische Modellierung der Batterie wichtige Einflussgrößen abgeleitet werden.“
Die Kooperation zwischen TU Wien und Bosch ist eine Win-Win-Situation für beide Partner. Assoc. Prof. Dr. Peter Hofmann am Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik an der TU Wien und Betreuer der beiden Projekte dazu: „Die Zusammenarbeit mit Bosch Wien ist von großer Bedeutung für die Forschung und universitäre Ausbildung an der TU Wien, da Studierende damit Einblicke in die praktische Anwendung und Umsetzung von Forschungsergebnissen bekommen und damit ihre F&E-Arbeit zielgerichteter durchgeführt werden kann. Bosch als Industriepartner profitiert neben den neuen Forschungsergebnissen auch durch ein Angebot an gut ausgebildeten Absolvent*innen.“
