- Neues E-Auto-Batteriedesign kann Lebensdauer um über 20 % verlängern.
- Die Architektur erlaubt Stromfluss an alternden Zellen vorbei, verbessert Batterieleistung.
- Studie zeigt: Lebensdauerverlängerung kann Zusatzkosten ausgleichen, basierend auf Computersimulation.
- Technologie noch nicht in Serienproduktion realisiert, weitere Tests nötig.
Schwedische Forschende geben an, dass ein neues Elektroauto-Batteriedesign die Batterielebensdauer verlängern kann, indem es Strom an alternden Zellen vorbeileitet – voraussichtlich um mehr als 20 %. Die Architektur nutzt elektronische Schalter und ein Steuerungssystem, um die Verbindungsweise der Zellen im Betrieb zu ändern. Forschende der Chalmers University of Technology stellten fest, dass diese Methode die Batterielebensdauer von Hochspannungsfahrzeugen erheblich verbessern kann, darunter Elektro-Lkw und Langstrecken-Pkw. In einem Simulationsbeispiel mit einer 80-kWh-Batterie verzögerte das System den Austauschzeitpunkt um rund 14 Monate.
Die Forschenden stellten zudem fest, dass die verlängerte Nutzungsdauer und der höhere Restwert die zusätzlichen Kosten der Elektronik ausgleichen können. Diese Ergebnisse basieren auf Computersimulationen, nicht auf Langzeittests in Serienfahrzeugen. Die Forschenden betonen, dass die maximale Lebensdauerverbesserung die theoretische Obergrenze unter optimalen Bedingungen darstellt.
Funktionsweise der neuen Architektur
Herkömmliche E-Auto-Batterien bestehen aus vielen miteinander verbundenen Zellen, deren Kapazität mit der Zeit abnimmt. Da die Zellen unterschiedlich schnell altern, kann eine geschädigte Zelle die nutzbare Kapazität des gesamten Batteriepakets begrenzen. Die vorgeschlagene Architektur löst diese Beschränkung, indem sie Schaltern erlaubt, schwächere Zellen abzuschalten, während gesunde Zellen weiterarbeiten. Das Batteriemanagementsystem verlässt sich nicht mehr auf feste elektrische Verbindungen, sondern kann die Verbindungsweise je nach Zellzustand anpassen. „In unserer Studie ermöglicht diese Lösung, dass die Batterie problematische Zellen umgeht und weiterläuft.“
Erklärt der Erstautor der Studie, Albert Skogström, Doktorand an der Chalmers University of Technology.
Die Forschenden nutzten experimentell validierte Batteriemodelle und großangelegte Simulationen, um verschiedene Zellchemien, Batteriepaketkonfigurationen, Betriebsbedingungen und Alterungsmuster zu untersuchen. Jedes Szenario umfasste 1.000 Monte-Carlo-Simulationen, um Zellstreuungen zu berücksichtigen. Ihre Analyse bezog zudem 20 repräsentative E-Auto-Modelle von 15 Herstellern ein. Die potenzielle Lebensdauerverbesserung nimmt in der Regel mit steigender Batteriespannung zu, was das Verfahren für Fahrzeuge mit vielen in Reihe geschalteten Zellen besonders vielversprechend macht. Der maximale Nutzen erfordert jedoch die Einzelsteuerung jeder Zelle.
Kommerzielle Designs werden eher Zellgruppen steuern, um Hardwarekomplexität und Kosten zu senken.
Analyse der Wirtschaftlichkeit
Die Forschenden prüften auch, ob die zusätzliche Elektronik wirtschaftlich sinnvoll ist. In einem Szenario simulierten sie eine 80-kWh-Batterie mit einer jährlichen Fahrleistung von 7.456 Meilen. Eine herkömmliche Batterie erreichte nach 10 Jahren ihren angenommenen Austauschzeitpunkt, während das rekonfigurierbare Design diesen um rund 14 Monate hinauszögerte. Die Analyse ermittelte günstige wirtschaftliche Bedingungen für Batteriepakete mit einer Kapazität über etwa 50 kWh, einer jährlichen Fahrleistung unter 7.550 Meilen und zusätzlichen Vorabinvestitionskosten unter 7,16 %. Die Technologie kann zudem den Bedarf an präziser Zellabstimmung in der Fertigung verringern, da das Paket Leistungsunterschiede zwischen den Zellen besser ausgleicht.
Die Forschenden geben an, dass das Verfahren mehr ausgemusterte E-Auto-Batterien für die stationäre Speicherung wiederverwendbar machen könnte.
Die Technologie wurde in Forschungs- und Industrieprototypen getestet, ist aber noch nicht in Serienfahrzeugen verbaut. Langzeit-Fahrzeugtests sind noch nötig, um zu prüfen, ob die simulierten Lebensdauer- und Kostenvorteile sich in der Praxis bestätigen. Die Studie wurde mit Industriepartnern wie Scania und PHINIA durchgeführt und in Nature Communications veröffentlicht.
Auswirkungen dieser Technologie auf den E-Auto-Markt
Das Potenzial des neuen E-Auto-Batteriedesigns liegt nicht nur in der Verlängerung der Batterielebensdauer, sondern auch in der Verbesserung der Gesamtleistung – entscheidend für die Entwicklung des E-Auto-Markts. Mit steigender Nachfrage nach E-Autos können längere Batterielebensdauer und bessere Leistung Austauschintervalle verkürzen und Nutzerkosten senken. Die Studie zeigt, dass dieses Design dem Degradationsproblem herkömmlicher Batterien wirksam begegnen und die Wiederverwendung ausgemusterter Batterien fördern kann, mit positiven Effekten für Umweltschutz und Ressourcenrückgewinnung. Allerdings bedarf die Technik weiterer Tests, um ihre Praxistauglichkeit und Wirtschaftlichkeit zu gewährleisten.