In herkömmlichen Batteriepacks sind die Zellen fest miteinander verbunden. Das bedeutet, dass die Lebensdauer des gesamten Batteriepacks durch die schwächste Zelle begrenzt werden kann, selbst wenn die meisten Zellen noch einwandfrei funktionieren.
Forscher der Chalmers University of Technology haben gemeinsam mit Partnern aus der Industrie eine Batteriearchitektur untersucht, die es ermöglicht, geschwächte Zellen zu umgehen. In den Rechenmodellen konnte die als „rekonfigurierbare Batteriepacks” bezeichnete Architektur die Batterielebensdauer unter bestimmten Bedingungen um mehr als 20 Prozent verlängern. In einem repräsentativen Anwendungsfall verzögert sie den Batteriewechsel um etwa 14 Monate und senkt gleichzeitig die Gesamtkosten.
Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Batteriepack können in einem rekonfigurierbaren Batteriepack Zellen isoliert werden. Dadurch lässt sich ein größerer Teil der noch verfügbaren Kapazität der Batterie weiternutzen.
In den Modellen der Forscher führt die feinste und idealisierte Form der Neukonfiguration bei bestimmten Hochspannungsfahrzeugen zu einer potenziellen Verlängerung der Lebensdauer um mehr als 20 Prozent.
Die Forscher betonen jedoch, dass es sich bei dieser Zahl um eine theoretische Obergrenze handelt und sie nicht unbedingt angibt, was mit den heutigen kommerziellen Systemen zu erwarten ist. Das Modell geht davon aus, dass jede einzelne Zelle separat gesteuert werden kann und das System diese Fähigkeit optimal nutzt.
In der Praxis dürften Zellgruppen jedoch eher gemeinsam gesteuert werden. Dies erfordert weniger elektronische Hardware und ist einfacher umzusetzen. Allerdings kann der theoretische Nutzen so nur teilweise realisiert werden.
Die Forscher können daher keinen einheitlichen, allgemeinen Wert dafür angeben, um wie viel länger eine handelsübliche Batterie halten würde. Es fehlen noch Langzeitstudien, in denen Batteriepacks mit dieser Architektur über die gesamte Lebensdauer eines Fahrzeugs hinweg beobachtet werden.
Die Vorteile nehmen zu, wenn mehr Batteriezellen in Reihe geschaltet werden. Dies macht die Architektur besonders interessant für Hochspannungsfahrzeuge wie Elektroautos mit großer Reichweite und Elektro-Lkws.
Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass die Vorteile nicht unbegrenzt zunehmen, wenn die Spannung steigt. Beim Übergang von Niederspannungssystemen zu einer 400-Volt-Architektur nehmen die Vorteile erheblich zu und steigen bei höheren Spannungen weiter an, allerdings langsamer.
Rekonfigurierbare Batterien sind kein neues Forschungsgebiet. In den letzten zehn Jahren haben mehrere Automobil- und Batteriehersteller an verschiedenen Varianten dieser Technik gearbeitet.
So hat Volvo Cars beispielsweise an seinem „SmartCell“-Konzept gearbeitet und ein großer Fahrzeughersteller hat mit Praxistests eines Pkw-Prototyps auf der Straße begonnen, der ein auf diesem Prinzip basierendes Batteriesystem nutzt. Allerdings gibt es noch keinen serienmäßigen Pkw oder Lkw auf dem Markt, der die in der Studie untersuchte Batteriearchitektur nutzt.
Die neue Architektur erfordert mehr Schalter, Verbindungen und fortschrittliche Steuerungssysteme. Dadurch erhöhen sich die Anschaffungskosten des Akkupakets um neun Prozent. Die Analyse ermittelt eine Break-even-Schwelle von rund zwölf Prozent, ab der es weniger wahrscheinlich ist, dass die Architektur über die Lebensdauer des Fahrzeugs einen wirtschaftlichen Nutzen bietet.
Die Forscher identifizierten zudem eine Kombination von Bedingungen, unter denen die Wirtschaftlichkeit besonders robust ist: zusätzliche Anschaffungskosten von maximal sieben Prozent bei einer jährlichen Fahrleistung von maximal 12.150 Kilometern. Zum Vergleich: Ein privat genutzter Pkw in Schweden legt im Durchschnitt etwa 11.400 Kilometer pro Jahr zurück. Innerhalb dieser Grenzen ist die Architektur in mindestens 99,7 Prozent der getesteten Szenarien kosteneffizient – ungeachtet der Schwankungen bei allen anderen Parametern.
Die aktuelle Kostenschätzung basiert auf Komponentenpreisen bei Prototypenmengen von 1.000 Einheiten. Bei den in der Automobilproduktion üblichen, wesentlich höheren Stückzahlen werden die Komponentenkosten voraussichtlich sinken. Dadurch nähert sich die Technologie dem Bereich, in dem die Studie die Wirtschaftlichkeit als besonders robust einstuft. (jr)
