Batterietechnologie

Die Stromregelung für das schnelle und batterieschonende Laden verantwortet das für die Premium Platform Electric (PPE) neu entwickelte zentrale Steuergerät, der Battery Management Controller (BMCe). Der BMCe, die elektrische Schaltzentrale, ist dabei komplett in der HV-Batterie der PPE-Modelle integriert. Der BMCe steuert die wichtigsten Parameter der Batterie wie Ladezustand, Leistungsabgabe und Thermomanagement. Im Rahmen eines permanenten Monitorings senden die Cell Module Controller (CMC) Daten, wie die aktuelle Modultemperatur oder die Zellspannung an den BMCe, der seine Information – beispielsweise hinsichtlich des State of Charge (SoC) – an den Hochleistungsrechner HCP4 (Teil der neuen Elektronikarchitektur E³ 1.2) sendet. Von diesem Rechner gehen die Daten wiederum an das prädiktive Thermomanagement, das je nach Bedarf den Kühl- oder Heizkreislauf für eine optimale Batterieperformance regelt.

Das Thermomanagement sorgt durch die Verteilung der Wärmeströme zwischen Antrieb, Hochvoltbatterie und Innenraum dafür, dass die Batterie der vollelektrischen Modelle ihren optimalen Effizienzbereich zügig erreicht und in diesem bleibt – vom Kaltstart im Winter bis zu schnellen Autobahnfahrten an heißen Sommertagen. Das bietet nicht nur die Möglichkeit, mehrmals hintereinander zu beschleunigen, ohne dass die Leistung nachlässt. Es ist auch die Voraussetzung für eine hohe und reproduzierbare Performance an der Schnellladesäule. Gleichzeitig trägt das Thermomanagement zur Langlebigkeit der Batterie bei. Dem fortschreitenden Alterungsprozess der Batterie wirkt die Steuerungssoftware für den Ladeprozess entgegen. Die Software passt die Ströme und Spannungen je nach Alter und verbleibender Kapazität so an, dass die Batterie beim Laden nicht überlastet wird.

Bewährt hat sich in diesem Zusammenhang das Wärmepumpensystem, das Energie aus dem Antriebsstrang oder der Umgebungsluft umwandelt. So kann die geringer werdende Abwärme aus dem immer effizienter arbeitenden Antriebsstrang ausgeglichen werden. Auf diese Weise stehen zwei voneinander unabhängige Systeme für die Beheizung von Innenraum und Hochvoltbatterie zur Verfügung.

Das intelligente Thermomanagement trägt wesentlich zur hohen Ladeperformance und der langen Lebensdauer der HV-Batterie in der Premium Platform Electric (PPE) bei. Wichtigster Baustein ist das prädiktive Thermomanagement, welches die Daten aus der Navigation, dem Streckenverlauf, dem Abfahrtstimer und dem Nutzungsverhalten der Kundinnen und Kunden verwendet, um den Kühl- oder Heizleistungsbedarf vorauszuberechnen und entsprechend rechtzeitig und zugleich effizient bereitzustellen. Wird zum Laden eine in der Routenplanung enthaltene HPC-Ladesäule angefahren, bereitet das prädiktive Thermomanagement den DC-Ladevorgang vor und kühlt oder heizt die Batterie, um schneller laden zu können und somit die Ladezeit zu verkürzen. Steht ein steiler Anstieg bevor, stellt das Thermomanagement die HV-Batterie durch eine entsprechende Kühlung darauf ein, um einer höheren thermischen Belastung vorzubeugen.

Sollten die fahrenden Personen keine Informationen zur Verfügung stellen, aus denen sich prädiktive Daten ableiten lassen, regelt ein Basis-Algorithmus das Thermomanagement der HV-Batterie. Auch dieser sammelt viele Informationen und reagiert auf die Fahrsituation. Wenn Fahrerinnen und Fahrer beispielsweise den efficiency-Modus im drive-select Menü ausgewählt haben, wird die Konditionierung der Batterie später aktiviert und die Realreichweite kann in Abhängigkeit des Fahrverhaltens ansteigen. Im dynamic-Modus wird eine optimale Performance angestrebt. Sollte die aktuelle Verkehrslage allerdings kein dynamisches Fahren erlauben, reagiert das Thermomanagement darauf und minimiert den Energieeinsatz für die Batteriekonditionierung.

Neu im Thermomanagement der PPE ist die Nach- und Dauerkonditionierung. Diese Funktion überwacht für die gesamte Lebensdauer die Batterietemperatur, um die Batterie auch dann im optimalen Temperaturbereich zu halten, wenn das Fahrzeug steht – beispielsweise bei heißen Außentemperaturen. Auch diese Maßnahme kommt einer verlängerten Lebensdauer der Batterie zugute.

Durch eine hohe Temperaturhomogenität innerhalb der Batterie lässt sich die Performance steigern, weshalb das Kühlmittel im U-Flow-Prinzip unterhalb der Module geführt wird. Die Batteriekühlplatte ist zudem Bestandteil des Batterierahmens, wodurch ein zusätzliches Bodenblech im HV-Raum des Batteriegehäuses entfallen kann und die thermische Anbindung über eine Wärmeleitpaste an die Module optimiert wird.

Die Batterie für die Premium Platform Electric (PPE) besteht im Vergleich zu den bei Audi bislang eingesetzten Batteriesystemen nur noch aus zwölf Modulen mit insgesamt 180 prismatischen Zellen. Zum Vergleich: Die HV-Batterie im Audi Q8 e-tron setzt sich aus 36 Modulen und 432 Zellen zusammen. Die signifikante Vergrößerung der Zellen korreliert nahezu ideal mit der Systemspannung von 800 Volt, um so den bestmöglichen Kompromiss zwischen Reichweite und Ladeperformance zu erreichen. Das Mischungsverhältnis von Nickel, Kobalt und Mangan der Zellen beträgt für die PPE etwa 8:1:1, wobei der Kobalt-Anteil reduziert und der für die Energiedichte besonders relevante Nickel-Anteil gesteigert werden konnte.

Die Reduzierung der Modulanzahl für die PPE-Batterien bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich. Die Batterie, die modular für Hoch- und Flachboden-Modelle einsetzbar ist, benötigt weniger Bauraum, ist leichter und lässt sich besser in die Crashstruktur sowie in das Kühlsystem des Fahrzeugs integrieren. Sie benötigt zudem weniger Kabel und Hochvoltverbinder. Die Anzahl der Schraubverbindungen ließ sich signifikant verkleinern. Zudem sind die elektrischen Verbindungen zwischen den Modulen kürzer, was die Verlustleistung und das Gewicht deutlich verringert. Eine im Batteriegehäuse integrierte Kühlplatte sorgt für eine homogene Wärmeübertragung und somit für eine nahezu optimale Konditionierung der Batterie. Die schützenden Seitenschweller aus warmgeformtem Stahl sind nicht an der Batterie, sondern besonders stabil an der Karosserie befestigt. Neu ist ebenfalls der Unterbodenschutz aus Faserverbundmaterial. Diese Konstruktion reduziert ebenfalls das Gewicht und verbessert die thermische Isolation der Batterie zur Umgebung. Auf diese Weise lässt sich der Akkumulator für die PPE effizienter kühlen oder heizen.

Wenn eine Ladesäule mit 400-Volt-Technik arbeitet, ist bei der PPE erstmals das sogenannte Bankladen möglich. Dabei wird die 800-Volt-Batterie automatisch in zwei Batterien mit gleicher Spannung geteilt, die sich parallel mit bis zu 135 kW aufladen lassen. Beide Batteriehälften werden je nach Ladezustand zuerst angeglichen und dann gemeinsam geladen.

Die HV-Batterien des Modularen E-Antriebsbaukastens (MEB) arbeiten mit 352 Volt Nennspannung. Controller, die im Längsträger des Gehäuses sitzen, überwachen die Module und die Zellen im Hinblick auf Spannung und Temperatur. In Kooperation mit dem zentralen Batteriemanagement-Controller gleichen sie kleine Abweichungen bei der Kapazität der einzelnen Zellen aus. Das Hauptsteuergerät und die Anschlussbox mit ihren Sicherungen sind im hinteren Bereich des Batteriesystems montiert. Bei einem schwereren Unfall wird sofort der Stromfluss zu allen anderen Hochvoltkomponenten unterbrochen.

Das Thermomanagement der kompakten Elektro-SUVs auf dem MEB besteht aus zwei Kühlmittelkreisläufen. Einer davon temperiert die E-Maschinen, die Leistungselektronik, das Onboard-Ladegerät und den DC/DC-Wandler, der das 12-Volt-Bordnetz an das Hochvoltsystem ankoppelt. Mit diesem Mitteltemperaturkreislauf ist ein Niedertemperaturkreis verbunden, der ausschließlich die Traktionsbatterie versorgt. Das Kühlmedium – eine Wasser-Glykol-Mischung – durchströmt die flachen Kanäle, die in der Bodenplatte liegen, und temperiert die Zellräume somit von unten. Eine wärmeleitende Paste stellt die thermische Verbindung her. Bei niedrigen Außentemperaturen sorgt ein Hochvoltheizer dafür, dass sich das Kühlmittel rasch erwärmt.