E-Fahrzeug-Batteriesystem mit hoher Energiedichte

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Im europäischen AVTR-Projekt wurde die Entwicklung elektrischer Antriebssysteme, speziell für leichte Elektrofahrzeuge, adressiert. In dem internationalen Projekt war das Fraunhofer IISB für das komplette redundante Batteriesystem eines Elektrofahrzeugs zuständig. Das IISB implementierte ein fortgeschrittenes, selbstständiges Batteriemanagementsystem inklusive Regelalgorithmen.
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Im AVTR-Projekt war das Fraunhofer IISB für ein neues, redundantes Batteriesystem eines Elektrofahrzeugs zuständig © Photo: Kurt Fuchs / Fraunhofer IISB

Das im AVTR-Projekt realisierte Elektrofahrzeug erfüllt die japanische Kei-Car-Spezifikation, außerdem ist es kostengünstig produzierbar. Der in Turin auf der Parco Valentino Car Show vorgestellte Prototyp zeichnet sich durch verbesserte Modularität, reduzierte Komplexität und geringe Kosten aus und präsentiert sich in stilvollem, italienischen Produktdesign.
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Prototyp eines genuinen elektrischen Kei-Cars, designt und gebaut von IFEVS-Polimodel (Italien). © Photo: Pietro Perlo, IFEVS

Innerhalb des europäischen AVTR-Projektes "Optimal Electrical Powertrain via Adaptable Voltage and Transmission Ratio" war das Fraunhofer IISB für das gesamte Batteriesystem eines Elektrofahrzeuges verantwortlich. Generell konzentriert sich die Gruppe Batteriesyste-me am Fraunhofer IISB auf innovatives mechanisches und thermisches Design von Batterie-Modulen und -Systemen, inklusive dazugehörigem Batteriemanagementsystem (BMS) mit Batterieüberwachung und entsprechenden Batteriemodulen. Das internationale AVTR-Projekt adressierte die Entwicklung und die industrielle Fertigung kompletter Antriebssysteme für leichte Elektrofahrzeuge.

Im Gegensatz zu bereits bestehenden Elektrofahrzeugen konzentrierte sich das Projekt auf ein genuines Elektrofahrzeug, welches die japanische Kei-Car-Spezifikation einhält. Dementsprechend erfüllt das von den italienischen Firmen IFEVS und Polimodel entwickelte Fahrzeug auch die gesetzten Projekt-Ziele: Geringe Fertigungskosten, modularer Aufbau, Produzierbarkeit und stilvolles italienisches Produktdesign. Darüber hinaus ist das Fahrzeug mit einer Länge von ungefähr drei Metern ausgesprochen wendig und ideal für enge Innenstädte geeignet.

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E-Fahrzeug-Batteriemodul mit hoher Energiedichte und kostenoptimierter Monitoring-Elektronik, entwickelt vom Fraunhofer IISB mit Dräxlmaier (Deutschland), Panasonic (Japan) und IFEVS (Italien) © Photo: Fraunhofer IISB

Als Teil des internationalen Konsortiums war das Fraunhofer IISB für das neuartige, redundant ausgelegte Batteriesystem zuständig. Die für das Gesamtfahrzeug definierten Anforderungen wurden konsequent auch auf das Batteriesystem, das Batteriemanagement und die Batterieüberwachung zurückgeführt.

Die Batteriemodule wurden in Kooperation mit der Dräxlmaier Gruppe entworfen und durch letztere auch produziert. Durch den Einsatz Automotive-qualifizierter 3 Ah-Li-Ionen-Rundzellen vom Typ 18650 eines asiatischen Premiumanbieters wurde höchste Modularität und Unabhängigkeit von einzelnen Zellherstellern sichergestellt. Batteriezellen des Typs 18650 werden seit Jahren in Massenproduktion hergestellt und besitzen den Vorteil geringer Fertigungstoleranzen trotz niedriger Kosten und sie sind bei den meisten erstklassigen Zellherstellern verfügbar.

Im AVTR-Fahrzeug versorgen insgesamt acht Batteriemodule mit einem Energiegehalt von 12 kWh einen Antriebsstrang mit 15 kW Leistung und 30 kW Spitzenleistung. Die Module nutzen eine 20p7s Zellkonfiguration und wiegen jeweils nur 9,4 kg. Damit wird auf Batteriemodulebene eine gravimetrische Energiedichte von 160 Wh/kg erreicht.

Das Batteriemonitoring musste ebenfalls den Projektzielen genügen. So wurde die Batterieüberwachung für kleinste Baugrößen und geringste Kosten optimiert. Die PCB-Abmessungen konnten auf nur 47 cm2 reduziert werden und bieten dabei beste Messpräzision, Temperaturerfassung und passives Balancing. Die geringe Baugröße konnte durch den Einsatz eines hoch integrierten und hoch genauen State of the Art-Batterieüberwachungs-IC erreicht werden. Für das passive Zell-Balancing entwickelte Panasonic neuartige Prototypen eines MOSFETs mit integrierter Schutzbeschaltung.

Ein bereits am Fraunhofer IISB entwickeltes, fortgeschrittenes Batteriemanagementsystem wurde an die Anforderungen des AVTR-Projekts angepasst und in das Batteriesystem integriert. Das BMS basiert auf einem 32 Bit-Mikrokontroller von Infineon, auf dem ein OSEK / Autosar-Betriebssystem für automobile Anwendungen läuft.

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Mitarbeiter des IISB mit Batteriemodul © Photo: Fraunhofer IISB

Das BMS umfasst Regelalgorithmen, z.B. zur Leistungssteuerung, Datenkommunikation via CAN-Bus sowie erweiterte Sicherheits- und Schutzfunktionen und funktioniert als eigenständiges, unabhängiges System. Da komplette Redundanz implementiert wurde, könnte der Fahrer des Elektrofahrzeugs jedes einzelne Batteriemodul vom Armaturenbrett aus überwachen und wäre sogar in der Lage, mit nur einem Radantrieb weiterzufahren.

Im Zuge des AVTR-Projekts wurde erstmals ein Elektrofahrzeug entwickelt, das höchste Modularität, geringe Fertigungskosten und reduzierte Komplexität vereint und sich in hochwertigem italienischen Automobildesign präsentiert. Die vorgestellten Konzepte und Prototypen bestätigen die Umsetzbarkeit eines voll elektrifizierten Kei-Cars.

Die Entwicklungsergebnisse des AVTR-Projekts ermöglichen erschwingliche Elektrofahrzeuge, die auch für einen Massenmarkt attraktiv sind. Der Fahrzeugprototyp wurde auf der einzigartigen Parco Valentino Car Show, auf der auch alle europäischen Premium-Fahrzeughersteller vertreten sind, im Juni 2015 in Turin der Öffentlichkeit präsentiert.

Das AVTR-Projekt wurde im Rahmen des 7th Framework Programme der Europäischen Union unter dem Grant Agreement No. 314128 gefördert.

Redaktion: Frank Lindner

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