ISBN 978-3-8439-3130-4

978-3-8439-3130-4, Reihe Produktentwicklung

Matthias Tschech
Methodik zur Auslegung kosteneffizienter Lithium-Ionen-Zellen für ein Fahrzeugportfolio

251 Seiten, Dissertation Technische Universität Braunschweig (2017), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die Einhaltung zukünftiger Emissionsgesetze stellt für Automobilhersteller aktuell eine der wichtigsten technologischen und ökonomischen Herausforderungen dar. Ohne eine deutliche Erhöhung des Anteils elektrifizierter Fahrzeuge in ihrem Produktportfolio ist die Erfüllung der Emissionsvorschriften langfristig nicht möglich. Zur Erreichung großer Stückzahlen müssen jedoch die Kosten elektrischer Antriebssysteme weiter gesenkt werden. Dabei fällt der Batteriezelle aufgrund ihres großen Kostenanteils von circa einem Drittel der Gesamtfahrzeugkosten eine Schlüsselrolle zu.

Existierende Ansätze zur Reduktion der Zellkosten zielen insbesondere auf die energiespezifischen Kosten einzelner Fahrzeugprojekte ab. Wechselwirkungen zu weiteren Anforderungen wie Kurzzeit- und Dauerleistungen sowie Restriktionen der Fahrzeugintegration bleiben weitestgehend unberücksichtigt. Die Betrachtung gesamter Fahrzeugportfolios zur Identifikation kosteneffizienter Zellbaureihen wird bisher nicht durchgeführt.

Die Komplexität, die aus den unterschiedlichen Anforderungskollektiven hinsichtlich Leistung und Energie, den Integrationsrestriktionen und der schnellen Weiterentwicklung der Batterietechnologie resultiert, erfordert ein systematisches Vorgehen bei der Zellentwicklung für ein gesamtes Fahrzeugportfolio. In Anbetracht dieser Herausforderungen wird in dieser Arbeit ein methodischer Ansatz zur Auslegung kosteneffizienter Lithium-Ionen-Zellen für ein Fahrzeugportfolio entwickelt.

Zunächst werden effiziente Zellauslegungen hinsichtlich energie- und leistungsbezogener Kosten ermittelt. Mit einem vereinfachten, geometrischen Auslegungsmodell für Lithium-Ionen-Zellen werden durch Veränderung der Elektrodenparameter Zusammenhänge von Funktion, Gestalt und Kosten quantifiziert. Auf Basis dieser Zusammenhänge kann die kostenoptimale Auslegung für das Anforderungskollektiv eines einzelnen Fahrzeugprojektes ermittelt werden.

Anschließend werden für mehrere Fahrzeugprojekte mit unterschiedlichen Anforderungskollektiven die Anzahl an Zellvarianten sowie die dazugehörigen Auslegungen bestimmt, die das Gesamtkostenminimum ergeben. Hierzu erfolgt eine optimale Dimensionierung von Leistung und Energie unter Berücksichtigung der einmaligen Kosten für zusätzliche Zellvarianten. Als Ergebnis ergibt sich der kostenoptimale Zuschnitt einer Zellbaureihe für das betrachtete Fahrzeugportfolio.