Nachricht

Mar 23, 2023

Johnson Matthey Battery Systems: Aktuelle und kommende Trends im Bereich E

Eine Batterie ist ein integraler Bestandteil jedes Elektrofahrrads und hilft bei der Bestimmung

Eine Batterie ist ein integraler Bestandteil jedes Elektrofahrrads und bestimmt Reichweite, Leistung und Haltbarkeit. In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf einige der aktuellen und kommenden Trends bei E-Bike-Batterien.

Die beliebtesten Zellen für E-Bike-Akkus sind die Formfaktoren 18650 und 21700 mit NMC-Chemie. Aus wichtigen Gründen verwenden immer mehr Batterien größere Zellengrößen. Der wichtigste Grund hierfür ist die Tatsache, dass weniger Zellen erforderlich sind, um die gewünschte Kapazität zu erreichen. Um beim 18650 eine Kapazität von nahezu 10 Ah zu erreichen, sind drei parallel geschaltete Zellen erforderlich, während beim 21700 zwei Zellen erforderlich sind. Der Massenunterschied ist nicht zu vernachlässigen – das Gewicht des 18650 in der Konfiguration 10S3P beträgt etwa 1,5 kg, während der 21700 in der gleichen Konfiguration etwa 0,1 kg leichter ist. Bei einer Batterie mit höherer Spannung ist der Unterschied größer.

Außerdem beträgt die größte theoretische Nennkapazität für den Formfaktor 18650 3,5 Ah, während sie für den 21700 5,0 Ah beträgt. Heutzutage beträgt die maximale gravimetrische Energiedichte für die NMC-Chemie 250–260 Wh/kg. Angekündigt sind Zellen mit größerer Kapazität, allerdings nur in der Größe 21700. Ziel ist es, 5,5–5,65 Ah und vielleicht sogar bis zu 6 Ah zu erreichen, was nach Reduzierung des Spannungsbereichs eine Erweiterung der Gesamtkapazität oder der Zyklen der Batterie ermöglicht. Derzeit versuchen Zulieferer, neue Elemente in Zellen zu verwenden, beispielsweise Silizium, um eine höhere Kapazität zu erreichen, sowie Natrium, um die Kosten zu optimieren.

Jedes mechanische Teil trägt zum Gewicht und zur Größe einer Batterie bei. Integrierte Akkus, die im Rahmen versteckt sind, haben sehr oft eine Blockmodulbauweise. Ein Block enthält obere und untere Zellhalter und 4–10 Zellen, die in der richtigen Konfiguration verbunden sind, sowie Anschlüsse mit Anschlüssen zum Anschluss an den nächsten Abschnitt. Meist sind auch zusätzliche Isolierungen, Stromschienen oder Leitungen vorhanden, die Hotspots und einen Spannungsabfall verursachen.

Für die Platzierung der Zellen quer zur längsten Achse sind nur zwei Zellhalter erforderlich, der Strom fließt nur durch die Zellverbinder. Zusätzliche BMS können auf einer Seite des Corepacks montiert werden und bieten einfachen Zugang zu jedem Spannungspunkt, sodass keine Kabelsätze erforderlich sind. Der Akku ist leichter, da er weniger Komponenten enthält, außerdem ist die Montage einfacher und schneller.

Auch das Gehäuse hat einen erheblichen Einfluss auf das Gewicht. Die derzeit am häufigsten verwendeten Materialien sind Aluminium und Kunststoff. Durch die Verwendung von Kohlefaser dürfte sich jedoch die Masse der Batterie verringern, allerdings erhöht sich dadurch die Konstruktionskosten.

Derzeit zielen europäische Vorschriften darauf ab, Batterien besser reparierbar zu machen und eine lange Lebensdauer zu gewährleisten, um die Umweltbelastung zu verringern. Daher dürften neue Batterien leichter von Dritten repariert werden können.

Heutzutage sind Batteriemanagementsysteme komplexere Geräte mit unterschiedlichen Funktionen. Fast jedes BMS in E-Bike-Akkus enthält Funktionen wie:

Darüber hinaus sind BMS jetzt sicherer als je zuvor. Sie sind mit doppeltem Schutz ausgestattet und enthalten Elemente wie die Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) und die Sicherheitsfunktionsanalyse.

Im nächsten Jahr werden die Sicherheitsstandards für Lithium-Ionen-Batterien erweitert. Beispielsweise könnte am BMS ein Gassensor angebracht sein, der einen möglichen Zellbruch erkennt, oder ein Beschleunigungsmesser, der die Batterieausgänge im Falle eines Unfalls abschaltet.

Darüber hinaus werden wir wahrscheinlich bald den Einsatz intelligenter Technologien wie Bluetooth-Konnektivität sowie einer Ende-zu-Ende-Kommunikationsverschlüsselung für zusätzliche Sicherheit erleben. Auch Smart-Modi könnten genutzt werden, um die Lebensdauer des Akkus zu verlängern, indem beispielsweise der SoC und die maximale Leistung begrenzt werden. Änderungen der europäischen Vorschriften werden mit ziemlicher Sicherheit auch andere Änderungen erzwingen, beispielsweise den offenen Zugang Dritter zu einigen BMS-Informationen.

Ladegerätehersteller haben in den letzten Jahren ihre Standardlösungen um neue Funktionen erweitert. Derzeit kommunizieren Batterie und Ladegerät über einen zusätzlichen Bus. Dies erhöht die Sicherheit, da kritische Parameter wie Spannung und Strom von beiden Anlagenteilen gemessen werden und miteinander verglichen werden können. Wenn die Differenz erheblich ist, wird der Ladevorgang gestoppt, da ein Fehler vermutet wird. Ein intelligentes Ladegerät kann auf eine begrenzte Spannung laden, um die Lebensdauer zu verlängern. Wenn wir eine Batterie längere Zeit ohne Verwendung lagern möchten, ist es möglich, die Batterie auf 50–60 % SoC aufzuladen, um die natürliche Verschlechterung der Zellen zu reduzieren.

Schnellladen liegt dank der Erhöhung des maximalen Ladestroms im Trend. Früher lag diese typischerweise bei 0,5 °C, jetzt liegt sie näher bei 1 °C, was eine schnellere Ladezeit ermöglicht. Doch schnelles Laden verkürzt die Lebensdauer eines Akkus, sodass ein Kompromiss erforderlich ist. Beispielsweise könnte der maximale Strom verwendet werden, um 80 % zu erreichen, bevor dann auf den Standardstrom umgeschaltet wird.

E-Bike-Akkus lassen sich in vier Gruppen einteilen:

Niedrigenergiebatterien sind im Allgemeinen schlank und leicht und beim Einbau in das Design eines E-Bikes nahezu unsichtbar. Das System arbeitet oft mit einem Range Extender. Eine Antriebseinheit muss Leistungsbeschränkungen haben, da die Batteriespannung unter Last sinkt (Informationen zum SoP sind entscheidend).

Um eine hohe Reichweite und Stromreserve bei Überlastung des Motors zu gewährleisten, werden Hochenergiebatterien eingesetzt. Typischerweise werden diese an Offroad-Fahrrädern montiert, bei denen es auf die Leistung ankommt. Um eine angemessene Ladezeit zu erreichen, müssen diese Akkus mit einem Hochstromladegerät aufgeladen werden. Dies ist der teuerste Batterietyp. Ein neuer Trend bei Akkus dieser Art besteht darin, einen Akku so zu gestalten, dass er von der Seite schlank aussieht, aber breiter und länger ist, um die Kapazität hoch zu halten.

Batterien mittlerer Energie sind ein Kompromiss zwischen Größe, Energie und Preis. Der Markt ist derzeit mit Batterien mittlerer Energie gesättigt, daher suchen Hersteller nach Möglichkeiten für Innovationen, um sich von der Konkurrenz abzuheben. Doch derzeit konzentrieren sich die meisten neuen Trends auf die beiden anderen Batterietypen.

LFP-Chemie bietet eine längere Lebensdauer als NMC-Chemie und ist außerdem langlebig. Dies macht es zur passenden Chemie für Lastenräder, da sie für die Arbeit und nicht für die Freizeit gedacht sind. Darüber hinaus bieten sie im Vergleich zur LFP-Chemie eine erhöhte Sicherheit. Der Nachteil ist, dass sowohl die Energiedichte als auch die Nennspannung geringer sind, was bedeutet, dass die Batterie größer und schwerer sein muss.

Ziel der Hersteller ist die Entwicklung von LFP-Zellen mit einer ähnlichen Energiedichte wie NMC-Zellen. Dadurch werden sie für immer mehr Einsatzzwecke einsetzbar, irgendwann auch für handelsübliche E-Bikes im Freizeitbereich.

Dieser Artikel wird von Johnson Matthey Battery Systems gesponsert.