von der blei- zur...
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Von der Blei- zur Li-Ionen-Batterie Innovative Energiespeicher-Systeme für Fahrzeuganwendungeno at e e g espe c e Syste e ü a euga e du ge
Uwe KöhlerJohnson Controls Power Solutions GmbHJohnson Controls Power Solutions GmbH
MobiliTec 2013, Hannover 10.04.2013
Agenda
Elektrotraktion und Batterien – historisch
Die entscheidenden Batteriesysteme für Fahrzeuganwendungen
Blei-Batterien für moderne Fahrzeugtechnologie
Lithium-Ion-Batterien für die Elektromobilität und neue Fahrzeuganwendungen
Zusammenfassung und Ausblick
Copyright 2013 - Johnson Controls, Inc.
Agenda
Elektrotraktion und Batterien – historisch
Die entscheidenden Batteriesysteme für Fahrzeuganwendungen
Blei-Batterien für moderne Fahrzeugtechnologie
Lithium-Ion-Batterien für die Elektromobilität und neue Fahrzeuganwendungen
Zusammenfassung und Ausblick
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Zur Historie der Elektrotraktion im Fahrzeug
Elektromobilität , Berlin 1905
Siemens Viktoria
Blei-Batterie
Siemens Viktoria
Produktion: 50 Stück
Gewicht: 480 kgReichweite: 80 kmLeistung: 5 PS
(Quelle: Wikipedia)
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Zur Historie der Elektrotraktion im Fahrzeug
Blei-Batterien im Elektrobus, Berlin 1913
(Quelle: Wikipedia)
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Historie des Elektrofahrzeuges – Die 1970er
Pöhlmann (Ni/Cd)
BMW (Ni/F )
Auf dem Mond (AgO/Zn) VW (PbO2/Pb)
BMW (Ni/Fe)
(Quelle: Wikipedia Varta)(Quelle: Wikipedia, Varta)
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Erste Großserienanwendung von Traktionsbatterien im PkW –Das Nickel-Metallhydrid-System im Toyota Prius
Porsche-Lohner Hybrid 1901 Toyota Prius, 2005
Blei Batterie (1 8 to 25 kW)Blei-Batterie (1.8 to, 25 kW)
NiMH Batterie (50 kg, 40 kW)(Quelle: Wikipedia,Toyota)
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Agenda
Elektrotraktion und Batterien – historisch
Die entscheidenden Batteriesysteme für Fahrzeuganwendungen
Blei-Batterien für moderne Fahrzeugtechnologie
Lithium-Ion-Batterien für die Elektromobilität und neue Fahrzeuganwendungen
Zusammenfassung und Ausblick
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Die aktuellen Batteriesysteme für den Fahrzeugeinsatz
Typ Spec Energy/
Spec Power/
Voltage/ cellEnergy/
cell (Wh/kg)
Power/ cell
(W/kg)
cell
(V)
Pb / PbO2 < 40 < 600 2.1 SLI, Start Stop 6 Cells = 12.5 Vp
Nickel MetalHydrid < 80 < 1500 1.25 Hybrid
Sodium Nickel
10 cells = 12.5 V
Sodium Nickel Chlorid(300°C)
<125 < 300 2.35 EV
Hybrid (Micro,
6 Cells = 14.1 V
Lithium-Ion <150 > 3000 3.6 Mild, Full, Plug-In), EV, Starter 4 cells = 14.4 V
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Batteriegewicht für 150 km Reichweite (30kWh)
Type Spec EnergyCell Level
Spec EnergySystem Level
Example 30kWh system
Pb / PbO2 < 40 Wh / kg 33 Wh / kg 900 kgPb / PbO2 < 40 Wh / kg 33 Wh / kg 900 kg
NiMH < 70 Wh / kg 60 Wh / kg 500 kg
NaNiCl2 125 Wh / kg 80 Wh / kg 375 kg
Li-Ion 150 Wh / kg 110 Wh / kg 270 kg
ENGINEERING
- Cell components- Cell form factors
ENGINEERING
- Mechanical systemengineering
- Productionprocesses
g g- Electronics & Electrics engineering- Thermal design
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Zyklenlebensdauer –Blei- im Vergleich zu NiMH- und Li-Ion-Batterien
40000
45000
30000
35000
40000
/ NC
Li Ion und NiMH
20000
25000
city
Tur
nove
r / Pb-floodedPb-AGMNiMHLi-Ion
Li-Ion und NiMH
10000
15000
Cap
ac
Li Ion
0
5000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
DOD %
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Die entscheidenden Batteriesysteme für Fahrzeuganwendungen
Blei-Batterien für moderne Fahrzeugtechnologie
Lithium-Ion-Batterien für die Elektromobilität und neue Fahrzeuganwendungen
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Blei-Batterien im Fahrzeug
Für:
Bedienerfreundlichkeit
Komfort und Luxus
Sicherheit
Geringeren Kraftstoffverbrauch
Geringere Emissionen
Bleibatterien waren und sind die Basis für technischen FortschrittBleibatterien waren und sind die Basis für technischen Fortschritt und eine höhere Umweltfreundlichkeit von Fahrzeugen.
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b1
Folie 13
b1 Besser: Starterbatterien im Fahrzeug. Oder Bleibatterien im Fahrzeugbbuscha; 03.04.2013
Batterien für Start-Stop-Anwendungen- Zusätzliche Anforderungen an die Batterie
Start-Stop System Functions
I d b f i t tStandard SLI
Increased number of engine starts
Maintain loads during engine off alternator shut-off while in motion
(passive boost)
Battery Requirements
and brake energy recuperation
Start-Stop
Increased cycling
Increased depth of discharge
Operation at partial state of charge PSoC
Good predictability of behavior for BMS
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Die Blei-Batterie – Vorteile und Grenzen
Vorteile
Bewährte Technologie Gutes Tieftemperaturverhalten (Start)
Grenzen
Beschränkter Zyklendurchsatz HV-Systeme schwierig zu realisierenGutes Tieftemperaturverhalten (Start)
Etabliertes Recycling Niedrige Kosten Sicher
HV Systeme schwierig zu realisieren Moderate spez. Leistungen Hohes Gewicht
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b2
Folie 15
b2 Besser: Starterbatterie. Sonst Bleibatteriebbuscha; 03.04.2013
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Die entscheidenden Batteriesysteme für Fahrzeuganwendungen
Blei-Batterien für moderne Fahrzeugtechnologie
Lithium-Ion-Batterien für die Elektromobilität und neue Fahrzeuganwendungen
Zusammenfassung und Ausblick
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Ein Blick auf die Marktentwicklung……neue Batteriesysteme für neue Fahrzeugtypen
Advanced Battery for
High Vehicle Electrification Advanced Battery for
Moderate Vehicle Electrification SLI for Low
Vehicle Electrification
Engine crankingAccessory loads
Start-Stop
Engine-off loads and restart
Component electrification
Engine off while coasting
Low power recuperation
p
Advanced Start-Stop
Mild HEVEngine off while coasting
Powertrain boostingEngine downsizing
Short range electric driveHigh power boosting
Mild HEV
HEV
High power boosting
Extended range electric drive
Full electrification
PHEVEV
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Regulatorische Anforderungen an Treibstoffverbrauch und CO2 - Emissionen sind Treiber für neue Technologien
2012 2015 2020CO2 Targets
154 130 95
Europe
-15% bis 2015
-25% gegenüber 2015 bis
182 162 132
g g2020
United States
-15% bis 2016
179 160 116
-15% bis 2016
40+% Verbesserung derEffizienz bis 2025
Chi179 160 116 China
Orientierung an EU-Regularien
grams CO2/km
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Lithium-Ion – Vorteile und Herausforderungen
Vorteile
Hohe Leistungsfähigkeit
Herausforderungen
Kosten Geringes Gewicht Hohe Kapazitätsdurchsätze Lange kalendarische Lebensdauer
Tieftemperatur-Leistungsfähigkeit Sicherheit
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Core PacksElektrifizierung des Antriebsstranges – Li-Ionen-Batteriesysteme
HEV PHEV BEV
Spannung 346 V 346 V 346 V
L i t 10 25°C 55 kW 70 kW 114 kWLeistung 10s 25°C 55 kW 70 kW 114 kW
Energieinhalt 2,35 kWh 14,2 kWh 28,4 kWh
Thermisches Management Flüssigkeit Flüssigkeit Flüssigkeitg g g g
Abmessungen L x W x H (mm) 1.037 x 425 x 243 1.183 x 455 x 286 1.201 x 870 x 325
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Lithium-Ionen-Technologie von Johnson Controls im Einsatz
Mercedes S-Klasse Blue Hybrid
Hybridantrieb mit Lithium-Ionen-Batterie
Ford Transit Connect Electric Ford Transit Connect Electric
Elektroantrieb mit Lithium-Ionen-Batterie
Elektrische Außenborder von Torqeedo
Elektroantrieb mit Lithium-Ionen-Batterie Elektroantrieb mit Lithium-Ionen-Batterie
DAME Award der Amsterdam Boat Show
Innovationspreis der National Marine M f t ’ A i tiManufacturer’s Association
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Li-Ionen-Zellen - Zylindrisch
Chemie
Positives Aktivmaterial: NCA
Negatives Aktivmaterial: Graphit
Elektrolyt: LiPF6 in organischem Lösungsmittel
Separator: Polyolefin Membran Separator: Polyolefin-Membran
Gehäuse
Aluminum
Lasergeschweißt
Beide Pole im Deckelbereich
Patentiertes Sicherheitsventil
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Li-Ionen-Zellen – Prismatisch
Chemie
Positives Aktivmaterial: NMC
Negatives Aktivmaterial: Graphit
Elektrolyt: LiPF6 in organischem Lösungsmittel
Separator Pol olefin Membran Separator: Polyolefin-Membran
Gehäuse
Aluminum
Lasergeschweißt
Beide Pole im Deckelbereich
Integriertes Sicherheitsventil
Zellverbinder: Verschraubung oder Verschweißung Zellverbinder: Verschraubung oder Verschweißung
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Zyklenlebensdauer – Verschiedene SystemeStarke Abhängigkeit von der Entladetiefe
40000
45000
Hybrid–Betrieb: Elektrofahrzeug(30 kWh / 150 km)
Zyklenlebensdauer:
30000
35000
40000
/ NC
> 200.000 km (30 kWh / 150 km) > 400.000 km HEV :
5-10% Entladetiefe (DOD) entspricht 15k- 20k
Kapazitätsdurchsätze
20000
25000
city
Tur
nove
r Pb-floodedPb-AGMNiMHLi-Ion
= 300k – 400k Zyklen
EV : 90% DoD
10000
15000
Cap
a
Plug-In HEV ti
> 3.000 Kapazitätsdurchsätze ~ 3.500 Zyklen
GM Volt
0
5000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
DOD %
operation range
DOD %
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Lithium-Ion: Option für “Micro-Hybrids”: Bis zu 20% Treibstoffeinsparung möglich
Spannungen oberhalb 12 Volt 12-Volt-SystemSpannungs-
wandler
24 bis50V
24 bis50V
12V12V- Innen- und Außenbeleuchtung- Audio / Entertainment- Elektronische Module - Motorsteuergerät
- Klimaanlage- Aktives Fahrwerk- Rückgewinnung von Bremsenergie
Vorteile des Micro-Hybrids:
Längere “Motor-off”-Zeiten (“Segeln” möglich) Längere Motor-off -Zeiten ( Segeln möglich)
Bessere Rekuperation
Weitere elektrische Funktionen im Fahrzeugmöglichmöglich
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Cost Engineering im Design: Von der Elektrochemie zum Energiespeichersystem
Modulare Energiespeicher – Optimierung der Systemkosten
Integrierte Steuerungselektronik und Batterietemperierung
Skalierbarkeit des Modulblocks zum Einsatz in Elektro- und Hybridfahrzeugen
Basierend auf vom VDA als Standard vorgeschlagener, prismatischer Zelltechnologie
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Cost Engineering bei der Herstellung:Entwicklung einer vollautomatischen Fertigung
Gegenwärtig: Zusammenbau des Energiespeichersystems in vielen Baureihen in zeit- und kostenintensiver Handarbeit
E t i kl i ll t ti h Li I M d l F ti Entwicklung einer vollautomatische Li-Ion-Modul-Fertigung
Förderung im Rahmen des “Schaufenster Elektromobilität”
Ziele:
Vollautomatische Produktion, mehr Kosteneffizienz
Prozessstandardisierung, Vorbereitung fürSerienfertigung
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Elektrotraktion und Batterien – historisch
Die entscheidenden Batteriesysteme für Fahrzeuganwendungen
Blei-Batterien für moderne Fahrzeugtechnologie
Lithium-Ion-Batterien für die Elektromobilität und neue Fahrzeuganwendungen
Zusammenfassung und Ausblick
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Neue Anforderungen treiben den Technologiewandel….. und die Anforderungen an Batterien
Global Vehicle Production
2011 2016 2020* *Projected2011 2016 2020
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Überblick
Engine Start-StopPlug-in HEV
&Electric Vehicle
Hybrid Electric Vehicle (HEV)
Internal Combustion
EngineMicro Hybrid
HEVStartStop
EVPHEVICE M H
18mio
Li-Ion Cells – power Li-Ion Cells – energyAbsorbent Glass Mat
(AGM) Li-Ion Cells – power
Starting Lighting& Ignition (SLI)
Complete Battery Systems
Complete Battery Systems
Enhanced Flooded(EFB) Complete Battery
Systems>7 Mio units for Start-Stop supplied by JCI since 2007
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
In case of questions / Bei Rückfragen
Dr. Uwe KöhlerJohnson Controls Advanced Power Solutions GmbHJohnson Controls Advanced Power Solutions GmbHAm Leineufer 5130419 HannoverTel. +49 (0) 511 975 183o
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