Cell-to-Pack-Technologie für Li-Ionen-Batterien

Motivation

Die Automobilindustrie befindet sich in einer Phase des technologischen Wandels. Aufgrund der Klimaproblematik und der weltweiten CO₂-Flottengrenzwerte für neuzugelassene Fahrzeuge nimmt die Elektromobilität für die Fahrzeughersteller eine strategisch wichtige Rolle ein. Um eine Massentauglichkeit von Elektrofahrzeugen zu gewährleisten, müssen allerdings drastische Verbesserungen erzielt werden: nach wie vor entscheidet sich ein substantieller Anteil der potenziellen Käuferschaft aufgrund des hohen Anschaffungspreises sowie der vergleichsweise geringen Reichweite in Verbindung mit einer unzureichenden Ladeinfrastruktur gegen den Kauf eines Elektroautos [1].

Bei der Suche nach Optimierungspotenzialen hinsichtlich Reichweite und Kosten von batterieelektrischen Fahrzeugen nimmt die Lithium-Ionen-Batterie als Energiespeicher und Hauptkostentreiber im elektrischen Antriebsstrang eine entscheidende Rolle ein [2, 3]. Während die Batterieinnovationen der vergangenen Jahre überwiegend auf die Zelltechnologie, also der Wahl von Anoden- und Kathodenmaterial, Separator und Elektrolyt abzielten, hat sich der modulare Grundaufbau von Traktionsbatterien – bestehend aus Batteriezelle, Batteriemodul und Batteriepack – seit dem Aufkommen der E-Mobilität in den 2000er-Jahren kaum verändert [3, 4]. Allerdings gehen aus den Pressemitteilungen führender Batteriehersteller Bestrebungen hervor, die Batteriezellen künftig ohne Einsatz von Batteriemodulen direkt in das Batteriepack einzusetzen. Die zugrundeliegende Technologie namens „Cell-to-Pack“ (CTP) soll zu Kosteneinsparungen bei gleichzeitig höheren Energiedichten des Batteriepacks führen [5, 6].

Ziel des vorliegenden Beitrags ist die Darlegung des aktuellen Entwicklungsstands der CTP-Technologie am Beispiel von kürzlich eingeführten oder in Entwicklung befindlichen Batteriesystemen für die Automobilindustrie. Nach einer kurzen Beschreibung der Funktionen von Batteriemodulen in konventionellen Batteriesystemen werden die Grundlagen der CTP-Technologie erläutert. Die Ergebnisse einer strukturierten Internet- und Patentrecherche zu Markt- und Entwicklungsstand von modulfreien Batteriepacks werden dargelegt. Die gewonnen Erkenntnisse dienen als Basis für eine abschließende Einschätzung des Marktpotenzials der CTP-Technologie.

Motive für den Einsatz und Funktionen von Batteriemodulen in Hochvolt-Traktionsbatterien

Der in batterieelektrischen Fahrzeugen verwendete modulare Aufbau von Lithium-Ionen-Hochvoltbatterien zeichnet sich dadurch aus, dass einzelne Batteriezellen zunächst zu Batteriemodulen zusammengesetzt werden. Das Batteriepack ergibt sich aus dem Verbund mehrerer verschalteter Batteriemodule [4, 7]. Die modulare Batteriearchitektur bietet in erster Linie Vorteile aus Produktkonfigurations- und Montagesicht, da durch die Variation der Modulanzahl eine einfache Skalierbarkeit des Batteriepacks gewährleistet ist, ohne einer grundlegenden Änderungen der Pack-Grundstruktur zu bedürfen [8]. Insbesondere die konzerneigenen Elektro-Plattformen wie der MEB-Baukasten von Volkswagen basieren auf der applikationsabhängigen Adaption der Batteriegröße durch die Anpassung der Modulanzahl [9].

Batteriemodule setzen sich aus mehreren, üblicherweise in Reihe geschalteten Batteriezellen zusammen [7]. Zu den weiteren Komponenten eines Batteriemoduls gehören das Zellkontaktiersystem, die Zellfixierung, das Modulgehäuse, das Kühlsystem, das Batteriemanagementsystem (BMS) und die Verkabelung (Bild 1) [10, 11].

Bild 1

Aufbau und Funktionen eines Batteriemoduls [40]

1. Die Zellkontaktierung ist die elektrische Verbindung aller Einzelzellen mit der Aufgabe einer möglichst verlustfreien Übertragung von elektrischer Energie [12].

2. Das Kühlsystem stellt sicher, dass die Zellen im zulässigen Temperaturfenster betrieben und Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Zellen minimiert werden. In der Regel ist eine direkte thermische Kontaktierung des Kühlapparats mit den Batteriezellen notwendig [13].

3. Die Zellfixierung sichert die Anordnung der Batteriezellen. Die Realisierung hängt vom Zelltypen ab. Beispielsweise werden prismatische Zellen in der Regel direkt miteinander verklebt und schließlich mit einer Bandage und/oder einem Modulgehäuse aus Kunststoff oder Metall verspannt [14].

4. Das BMS ist für die Überwachung und Steuerung des gesamten Batteriesystems zuständig und mit anderen Steuergeräten des Fahrzeugs vernetzt [15]. Auf Modul-Ebene sorgen BMS-Moduleinheiten im Wesentlichen für den Ladeausgleich der Zellen („Balancing“) [16].

Batteriemodule werden zusammen mit den Elektrik/Elektronik-Komponenten wie BMS-Packeinheit und Leistungselektronik sowie einem Batteriegehäuse zu einem Batteriepack montiert [4, 17].

Grundlagen der Cell-to-Pack-Technologie

„Cell-to-Pack” beschreibt eine neuartige Struktur von Batteriesystemen, die sich durch die direkte Integration der Batteriezelle in das Batteriepack auszeichnet. Auf den Einsatz von Batteriemodulen wird verzichtet [6]. In der Literatur wird dieser Batterieaufbau als Blockaufbau bezeichnet [7].

Im Vergleich zur modularen Batteriestruktur führt die CTP-Technologie zu einer besseren Bauraumausnutzung der Zellen innerhalb des Batteriepacks, da auf eine Reihe von Passivmaterialien (d. h. Materialien und Komponenten, die nicht direkt an der Energiespeicherung beteiligt sind), wie z. B. Modulgehäuse und Befestigungselemente, verzichtet wird [5, 18, 19]. Zudem können Systeme und Funktionen, die in der Regel auf Modulebene realisiert und somit pro Batteriepack mehrmals vorhanden sind (z. B. Zellkontaktierung, Kühlsystem, BMS und Verkabelung), zentral auf Systemebene umgesetzt werden. Vorteile dieses Aufbaus sind die erhöhte Energiedichte des Batteriepacks sowie der aus der verringerten Komponentenanzahl resultierende Rückgang der Komponentenkosten. Weiterhin werden die Modulmontageschritte eingespart [18, 20, 21].

Gleichzeitig führt die Elimination von Batteriemodulen zu einer technologischen Herausforderung, da die Komponenten und Funktionen der Module ersetzt bzw. anderweitig realisiert werden müssen [18].

Stand der Technik

Die Erkenntnisse zum Stand der Technik der CTP-Technologie wurden im Rahmen einer strukturierten Internet- und Patentrecherche gewonnen. Die Internetrecherche umfasste Presseartikel und Unternehmensmitteilungen, Unternehmenspräsentationen und Konferenzunterlagen. Häufig genutzte Suchwortkombinationen waren der Name des Herstellers in Verbindung mit den Begriffen „Cell-to-Pack“, „CTP“, „Cell2Pack“, „C2P“ bzw. den proprietären Produkt-/Technologiebezeichnungen der Hersteller sowie dem Jahr der Technologieeinführung. Die Patentrecherche wurde mithilfe der Online-Suchfunktionen des chinesischen Patentamtes CNIPA sowie des europäischen Patentamtes EPO durchgeführt und umfasste alle batteriebezogenen Patente der Hersteller im Zeitraum von Anfang 2015 bis Ende 2020 [22, 23].

Insgesamt wurden fünf Hersteller von Batterien identifiziert, die ein auf der CTP-Technologie basiertes Batteriepack nach heutigem Stand bereits auf dem Markt eingeführt haben oder eine zeitnahe Markteinführung planen [6, 19, 20, 21, 24, 25]:

1. BYD Co., Ltd. (kurz BYD),

2. Contemporary Amperex Technology Co., Ltd. (kurz CATL),

3. LG Chem Ltd. (kurz LG Chem),

4. SVOLT Energy Technology Co., Ltd. (kurz SVOLT) und

5. Tesla, Inc. (kurz Tesla).

Die CTP-Lösung des Herstellers LG Chem wird aufgrund der unzureichenden Informationslage nicht weiter ausgeführt. Das Batteriekonzept des Herstellers Tesla geht über ein klassisches CTP-Konzept hinaus und wird aus Gründen der Konsistenz ebenfalls nicht tiefergehend behandelt [19]. Somit stehen im Fokus dieser Arbeit die CTP-Konzepte der Hersteller BYD, CATL und SVOLT.

Eine Kurzübersicht der Rechercheergebnisse einschließlich der mit dem beschriebenen Batterieaufbau einhergehenden Vorteile liefert Tabelle 1.

BYD

BYD als weltgrößter Hersteller von elektrischen Fahrzeugen hat im Rahmen einer offiziellen Online-Veranstaltung im März 2020 ein neuentwickeltes CTP-Batteriepack vorgestellt, das den Namen „Blade Battery“ trägt. Das auf Lithium-Eisenphosphat (LFP)-Zellen basierende Batteriepack wurde zunächst seit Juli 2020 im Fahrzeugmodell BYD Han verbaut und wird künftig in allen rein elektrischen Fahrzeugmodellen des Herstellers zum Einsatz kommen [6, 25, 26].

Im Juni 2019 hat BYD mehrere Patente angemeldet, die den Aufbau des Batteriepacks und verschiedene Zellvarianten zeigen [27, 28, 29]. Das Pack besteht aus einem Zellblock mit aneinandergereihten prismatischen Zellen (3), die durch zwei Endplatten (209, 210) und zwei Seitenplatten (207, 208) fixiert werden (Bild 2, links). Die Endplatten und Seitenplatten sind mit einem Gehäuserahmen (201 – 204) verschraubt. Weiterhin sind eine Bodenplatte (211), eine wärmeleitende Zwischenplatte mit Finnen für den Luftdurchfluss (212) und eine wärmetauschende Platte mit integrierten Kühlkreislauf (219) mit dem Gehäuserahmen befestigt [27]. Die peripheren elektronischen Komponenten befinden sich auf einer Seite des Batteriepacks zwischen Gehäuserahmen und Zellblock. Abweichungen vom vorliegenden Aufbau, zum Beispiel durch die Stapelung von Zellblöcken oder aufgrund einer alternativen Gestaltung des Batteriegehäuses, sind möglich [27]. Die prismatische Batteriezelle zeichnet sich durch ihre flache, längliche Form aus (Bild 2, rechts). Die Länge beträgt je nach Variante 208 mm bis 2.500 mm [27]. Die Zelle besitzt an beiden Enden einen Pol (101, 102), sodass eine beidseitige Zellkontaktierung vorgesehen ist, sowie ein Entgasungsventil (103) [29].

Bild 2

Aufbau eines Batteriepacks (links) und einer Batteriezelle (rechts) gemäß der Patente von BYD [27, 29]

CATL

Der weltweit größte Batteriehersteller CATL hat eine standardisierte CTP-Batterielösung Ende 2019 zur Serienreife entwickelt. Die erste Serienapplikation im batterieelektrischen Fahrzeug BAIC EU5 wurde im September 2019 auf einer offiziellen Einführungsveranstaltung angekündigt [21]. Weiterhin wird die durch CATL entwickelte CTP-Technologie Stand heute in ausgewählten elektrischen Modellen von Mercedes-Benz sowie im neuentwickelten 100-kWh-Batteriepack des Fahrzeugherstellers NIO zum Einsatz kommen [30, 31].

Die patentierte CTP-Lösung kann wie folgt beschrieben werden (Bild 3): Mehrere prismatische Einzelzellen sind in Form eines Zellblocks in einem Batteriegehäuse bestehend aus Gehäuseunterteil (12) und Gehäusedeckel (11) angeordnet. Vorder- und hinterseitig angebrachte Endplatten (24, 25) sowie Seitenplatten (22, 23) fixieren den Zellblock innerhalb des Batteriepacks. Die Seitenplatten sind neben einem unter dem Gehäusedeckel verlaufenden Kühlkanal Bestandteil des Kühlsystems und dienen dem Zufluss (22) und Abfluss (23) des Kühlmittels sowie der Verteilung der Kühlflüssigkeit auf weitere Kühlkanäle [32].

Bild 3

Aufbau eines Batteriepacks gemäß dem Patent von CATL [32]

SVOLT

SVOLT hat im Rahmen der Einführung kobaltfreier Batteriezellen im Jahr 2020 zwei CTP-Konzepte auf Basis unterschiedlicher Zellformate präsentiert. Ein Konzept basiert auf prismatischen Zellen im „MEB“-Format, das zweite Konzept namens „Matrix Pack“ auf knapp 60 cm langen prismatischen Zellen mit seitlich positionierten Zellpolen [33, 34]. Beide Konzepte konnten durch Patente des Batterieherstellers aus den Jahren 2018 und 2019 bestätigt werden [35, 36, 37, 38]. Im Folgenden werden die Aufbauten anhand zweier ausgewählter Patente skizziert.

Die in Patent CN 110504395 A vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein modulfreies Batteriepack mit mehreren Zellgruppen (Bild 4, links). Eine Zellgruppe setzt sich aus aneinandergereihten, prismatischen Einzelzellen (41a, 41b) und Wärmeisolationsschichten zusammen. Jede Zellgruppe ist an beiden Enden durch Endplatten begrenzt und mittig durch eine Zwischenplatte (43) in zwei gleichgroße Untergruppen unterteilt, um die Stabilität der Anordnung zu erhöhen. Die Zellgruppen werden zur Fixierung in einen Zwischenrahmen eingebracht, der durch eine spezielle Konstruktion (243) mit dem Gehäuserahmen verbunden ist. Wie in Bild 4 angedeutet, sind alle Zellen in Reihe geschaltet. Das Kühlsystem ist in Form einer Bodenkühlung realisiert [36].

Bild 4

Aufbau zweier Batteriepacks gemäß der Patente von SVOLT (Die Linie stellt die serielle Schaltung der Zellen dar) [36, 38]

In Patent CN 111653700 A wird der Aufbau eines modulfreien Batteriepacks mit langen prismatischen Zellen beschrieben (Bild 4, rechts). Mehrere aneinandergereihte Einzelzellen bilden zwei parallel angeordnete Zellgruppen (90), die jeweils durch beidseitig angebrachte Endplatten (40) fixiert werden. Die Batteriezellen zeichnen sich durch ihre lange, flache Form sowie durch eine beidseitige Zellkontaktierung aus. Das Kühlsystem befindet sich in Form einer Bodenkühlung unterhalb der Zellanordnung [38].

Für weitere Daten zur vorgestellten CTP-Lösung sei auf Tabelle 1 verwiesen.

Zusammenfassung und Ausblick

Auf Grundlage einer strukturierten Internet- und Patentrecherche wurde der aktuelle Entwicklungsstand der CTP-Technologie vorgestellt. Es konnte gezeigt werden, dass die Batteriehersteller BYD, CATL und SVOLT eigene CTP-Systeme entwickelt haben und zum Teil bereits in Serie produzieren. Die Patentrecherche lieferte Erkenntnisse zum potenziellen Aufbau der Batteriepacks mit Fokus auf Zellfixierung, Zellkontaktierung, Kühlsystem und Gehäuseaufbau.

Zusammenfassend lassen sich folgende Motive der CTP-Applikation ableiten (vgl. Tabelle 1):

1. Senkung von Kosten und Montageaufwand des Batteriepacks durch eine verringerte Komponentenanzahl;

2. Senkung der Kosten und Erhöhung der Nachhaltigkeit und Sicherheit der Batterie durch den Einsatz von LFP-Zellen, deren vergleichsweise geringe Energiedichte durch einen höheren volumetrischen Zellanteil im Pack kompensiert werden kann;

3. Erhöhung der Energiedichte auf Ebene des Batteriepacks bei gleichbleibenden oder sinkenden Gesamtkosten durch unveränderten Einsatz einer Zelltechnologie.

Künftig ist mit einer schrittweisen Durchdringung der CTP-Technologie auf dem weltweiten Automobilmarkt zu rechnen, da diese gezielt an den beiden zentralen Hebeln batterieelektrischer Fahrzeuge – Kosten des Batteriepacks und elektrische Reichweite – ansetzt und auch ohne den Einsatz innovativer Zelltechnologien Wirkung zeigt. Im Kontext von CTP ist mit dem Wiederaufleben der LFP-Zelle und der damit verbundenen Erhöhung der Sicherheit sowie mit der Etablierung von langen, flachen, prismatischen Zellen zu rechnen. Mit Blick in die Zukunft tritt eine weitere Innovation – Cell-to-Chassis – in den Fokus. Tesla plant laut eigenen Angaben den Einsatz dieser Technologie in künftigen Fahrzeuggenerationen. Cellto-Chassis als Weiterentwicklung von CTP impliziert die direkte Integration des Batteriepacks in das Chassis, wodurch die Batteriezellen selbst zu strukturtragenden Teilen werden [19]. Auch CATL hat einem Medienbericht zufolge bereits mit der Entwicklung eines vergleichbaren Batteriesystems begonnen [39].

In künftigen Forschungsarbeiten kann die CTP-Technologie aus unterschiedlichen Blickwinkeln weiter erforscht werden. Aus batterietechnologischer Perspektive entsteht die Frage, ob sich ein CTP-Batteriepack auch auf Grundlage von Pouch-Zellen realisieren lässt. Aus Sicht der Produktionstechnik kann untersucht werden, inwiefern sich ein CTP-optimiertes Produktionssystem von einem konventionellen Batterie-Produktionssystem unterscheidet. Aus Produktsicht sind die Auswirkungen des Wegfalls von Batteriemodulen auf die Konfigurierbarkeit von Batteriesystemen abzuschätzen. Im Kontext der Kreislaufwirtschaft und dem damit einhergehenden Bedarf einer Batterie-Demontage ist schließlich eine Potenzialabschätzung der CTP-Technologie bezüglich der Demontagefähigkeit entsprechender Batteriepacks zu treffen.