Neue Zellchemien mit hoher Energiedichte, Schnellladefähigkeit und Leistungsfähigkeit

Insight Mercedes-Benz Drivetrains & Efficiency: die Batterie-Kompetenz

• Modulares Hochintegrationskonzept mit kompakter Bauform der Batterie
• Top-Type-Batterie mit bis zu 85 kWh nutzbarem Energieinhalt und Siliziumoxid-Anode
• Basis-Type-Batterie mit bis zu 58 kWh nutzbarem Energieinhalt und Lithium-Eisen-Phosphat-Kathode
• Höchste Sicherheitsstandards von Mercedes-Benz werden erfüllt

Die Zellchemie definiert wesentlich die Leistungsfähigkeit der Batterie und damit die Charakteristik des gesamten Antriebsstrangs. Wie wichtig die Beherrschung der Zellchemie für die Entwicklung künftiger Produkte ist, hat das Technologieprogramm VISION EQXX gezeigt. Dank einer leistungsfähigen Batterie mit zukunftsweisender Zellchemie hat dieses Fahrzeug bei mehreren Fahrten Streckenrekorde für Elektrofahrzeuge aufgestellt. Mit hoher Energiedichte und Schnellladefähigkeit knüpft daran die neue Batterie-Generation an. Zugleich konnten die Kosten für die Batterie um bis zu 30 Prozent verringert werden.

Die Batterie-Software hat Mercedes-Benz selbst entwickelt und so das markentypische Fahrerlebnis definiert. Von der vollständige Datentransparenz während der gesamten Entwicklungsphase profitiert die Qualität. Zugleich unterstreicht der Inhouse-Ansatz den Anspruch von Mercedes-Benz, führend bei der Fahrzeug-Software zu sein.

Modulare Architektur und zwei Batterietypen mit unterschiedlichen Zellchemien

Das innovative Batteriesystem der neuen Elektroauto-Generation von Mercedes-Benz basiert auf einem modularen Hochintegrationskonzept. Die reparaturfähigen Batterien umfassen vier große Zellmodule mit Hardcase-Zellen und zeichnen sich durch eine kompakte und flache Bauform aus.

Kundinnen und Kunden werden zwischen Batterien mit zwei verschiedenen Zellchemien wählen können. Die Zellen der Top-Variante mit einem nutzbaren Energiegehalt von insgesamt 85 kWh verfügen über Anoden, bei denen Siliziumoxid zum Graphit beigemischt ist. Im Vergleich zur Vorgänger-Batterie mit herkömmlichen Graphit-Anoden konnte die gravimetrische Energiedichte um bis zu 20 Prozent erhöht werden. Die volumetrische Energiedichte der Zellchemie liegt bei 680 Wh/l. Der Anteil an Kobalt konnte weiter reduziert werden.

Es folgt eine vollelektrische Einstiegsvariante mit einer Batterie mit Lithium-Eisen-Phosphat-Kathoden (LFP). Dort betragen der nutzbare Energiegehalt 58 kWh und die volumetrische Energiedichte der Zellchemie 450 Wh/l.

Intelligentes Thermomanagement und umfassendes Batteriezertifikat

Damit die Hochvolt-Batterie auch bei klirrender Kälte oder starker Hitze stets in einem optimalen Temperaturbereich arbeitet, ist sie in das intelligente Thermomanagement der vollelektrischen MMA-Modelle eingebunden. Das System ist mit einer Flüssigkeitskühlung ausgerüstet. In diesen Wasserkreislauf ist ein Zuheizer integriert. Bei niedrigen Temperaturen heizt dieser das Kühlwasser auf, das anschließend die Hochvolt-Batterie durchströmt. Dadurch wird diese erwärmt und in einen bestmöglichen Leistungs- und Effizienzbereich gebracht.

Ist die Navigation mit Electric Intelligence aktiviert, wird die Batterie bei Bedarf während der Fahrt vorgewärmt. Durch diese Vorkonditionierung erreicht sie am Ladepunkt die optimale Temperatur für schnelles DC-Laden mit Leistungen von bis zu 320 kW bei der Top-Type-Batterie. Binnen zehn Minuten lassen sich dort so bis zu 36 kWh Energie nachladen.

Trotz wesentlich gestiegener Ladeleistung gelten für die neuen vollelektrischen Einstiegsmodelle weiterhin die Umfänge des Batteriezertifikats der Baureihen EQA und EQB. Für die Dauer von insgesamt acht Jahren oder bis zu einer Fahrleistung von insgesamt 160.000 km (je nachdem was zuerst eintritt) garantiert Mercedes‑Benz, dass die maximale Batteriekapazität der Hochvoltbatterie nicht weniger als 70 Prozent beträgt.

Umfangreiche Maßnahmen für eine hohe Sicherheit

Das Batteriegehäuse ist Teil der Fahrzeugstruktur und in das Crashkonzept integriert. Batterie, Hochvolt-(HV)-Leitungen und weitere HV-Komponenten sind so ausgelegt und abgesichert, dass sie bei einem Unfall die hohen Sicherheitsanforderungen von Mercedes-Benz erfüllen. Neben den gesetzlichen Vorgaben müssen sowohl das Gesamtfahrzeug wie die Batterien zusätzlich interne, teils strengere Prüfnormen bestehen.

Beim Pfahlaufpralltest, einem konzerneigenen Crashversuch, geht es bei Elektrofahrzeugen beispielsweise nicht nur darum, dass die Seitenstruktur möglichst viel Insassenschutz bietet. Untersucht wird dabei auch das Deformationsverhalten der Batterie. Bei dieser Crashtest-Konfiguration prallt das Testfahrzeug auf einem Schlitten seitlich gegen einen Stahlpfahl. Mit einem weiteren speziellen Prüfstandsverfahren testet Mercedes‑Benz das sogenannte Aufsetzmanagement. Darunter werden die konstruktiven Vorkehrungen gegen Beschädigungen des Unterbodens durch Aufsetzen etwa beim Überfahren von Bordsteinen verstanden. Beim Test wird ein Stempel mit einer Kraft von mehreren Tonnen in den Fahrzeugboden gedrückt. Damit wird zugleich getestet, ob eine Intrusionsgefahr durch auf der Fahrbahn liegende Fremdkörper wie zum Beispiel verlorene Anhängerkupplungen besteht.

Den bereits heute sehr hohen Sicherheitsstandard der Batterien hat Mercedes-Benz bei der neuen, in den MMA-Modellen eingesetzten Batteriegeneration mit technischen Lösungen weiter verbessert. So wurden mit entsprechenden Abständen zwischen den Batteriezellen sowie dem Aufbau der Zellen und der Zellmodule umfassende Vorkehrungen gegen eine potenzielle thermische Reaktion der Batterie getroffen. Das weiterentwickelte Frühwarnsystem bei dieser Modellfamilie umfasst neben der Alarmierung der Insassen weitere fahrzeugseitige Schutzmaßnahmen – beispielsweise schließen Seitenscheiben und Lüftungsklappen automatisch. Ein neuer, zentral in der Batterie positionierter Sensor überwacht die Batterien von Mercedes‑Benz Fahrzeugen auch im abgestellten Zustand.

In einer Fabrik für Batterien von vollelektrischen Pkw findet die sogenannte Backend-Montage der Batterie statt, in der die Batteriemodule zu einem Gesamtsystem verbaut werden. Die Fertigung der Lithium-Ionen-Batterie umfasst eine Vielzahl von automatisierten und manuellen Produktionsschritten. Höchste Präzision ist nötig, um die aus Batteriemodulen und vielerlei weiterer Komponenten bestehenden Batteriesysteme zu fertigen. Die Qualitätssicherung ist essenzieller Teil des Produktionsprozesses: Zu Beginn werden die zugelieferten Batteriemodule durch einen automatisierten Prozess auf ihre Qualität und Funktion überprüft. Auch während des Herstellprozesses wird jede einzelne Batterie engmaschig überwacht. Bei der sogenannten End-of-Line-Prüfung werden alle Funktionen detailliert getestet, bevor die Batterien an die Fahrzeugwerke geliefert werden. Unter anderem führt Mercedes-Benz mit jeder Batterie am Ende der Produktion einen Dichtigkeitstest und eine elektrische Funktionsprüfung durch. Beim Dichtigkeitstest setzt Mercedes-Benz dabei ein Gas ein, um kleinste Leckagen erkennen zu können. Das erfolgt mittels maschineller Schnüffelprüfungen. Darüber hinaus müssen die Batteriegehäuse schon in der Entwicklung weitere Tests bestehen. Um die umfassenden Maßnahmen gegen Korrosion zu bestätigen, werden sie unter anderem Salzwasser ausgesetzt.

Bereits in den anderen vollelektrischen Modellen von Mercedes-Benz hat sich das mehrstufige Schutzkonzept des HV-Systems bewährt. Auch die Analysen von Realunfällen durch die Mercedes-Benz Unfallforschung haben bestätigt, dass bei Modellen mit Stern Sicherheit keine Frage des Antriebskonzepts ist. Bei Gefahr kann das HV-System automatisch abgeschaltet und von der Batterie getrennt werden. Dabei wird zwischen einer reversiblen und einer irreversiblen Abschaltung unterschieden. Die reversible Abschaltung findet bei leichteren Unfällen statt. Danach ist eine Wiederzuschaltung des Hochvoltsystems möglich, wenn eine vom Fahrzeug vorher durchgeführte Isolationsmessung keinen Fehler erkennt. So bleiben noch fahrfähige Fahrzeuge auch weiterhin fahrbereit. Nur bei schweren Unfällen, bei denen in der Regel das Fahrzeug ohnehin nicht mehr fahrfähig ist, wird das Hochvolt-System irreversibel abgeschaltet. Ohne Reparatur in einer Fachwerkstatt kann es nicht mehr aktiviert werden. Beim Abschalten wird sichergestellt, dass innerhalb weniger Sekunden im Hochvolt-System außerhalb der Batterie keine elektrische Restspannung mehr vorhanden ist. Für die Rettungskräfte sind zusätzlich auch Trennstellen vorgesehen, an denen sie das Hochvolt-System manuell deaktivieren können.

Neues Kompetenzzentrum für die Entwicklung von Hochleistungszellen, globales Produktionsnetzwerk

Mit dem „eCampus” in Stuttgart-Untertürkheim hat Mercedes-Benz kürzlich die Entwicklungsaktivitäten in der Batterietechnologie verstärkt. In diesem neuen Kompetenzzentrum werden neuartige Chemiekombinationen und optimierte Fertigungsprozesse für Batterie-Hochleistungszellen mit „Mercedes‑Benz DNA“ entwickelt. Die im eCampus gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Technologieentwicklung und Serienproduktion von Batteriezellen bei den Partnerunternehmen ein, um in künftigen Mercedes-Benz Batteriegenerationen eingesetzt zu werden.

Die Batterien für die vollelektrischen Mercedes-Benz Fahrzeuge werden im globalen Batterie-Produktionsnetzwerk hergestellt. Die Batteriefabrik Kamenz wird als erste Fabrik in diesem Verbund Batterien für die neuen Modelle der MMA-Plattform produzieren. Die Zusammenarbeit mit weltweit unterschiedlichen Zelllieferanten folgt dem „Local-for-Local“-Ansatz.