Audi Hochvoltbatterien: Ausgesprochen langlebig

Langsame Alterung der Hochvoltbatterie

Rund 90 Prozent State of Health (SoH) nach 160.000 Kilometern, ca. 88 Prozent nach 200.000 Kilometern – beides im Mittelwert nach fünf Jahren beim Audi e-tron. Diese Kapazität der Hochvoltbatterien der Audi Elektrofahrzeuge im Alterungsprozess ist ein echtes Statement. Sie übersteigt die Garantiezusage von 70 Prozent Netto-Batterieenergieinhalt bis maximal acht Jahre oder 160.000 Kilometer deutlich, die Audi den Käufern eines rein elektrischen Audi Neuwagens gibt. Ermittelt wurden diese Werte aus Nutzungsdaten von Hunderttausenden Audi Elektrofahrzeugen, die weltweit in unterschiedlichsten Klimazonen seit 2019 bei den Kund_innen in Gebrauch sind. Josef Gandlgruber, Ingenieur für Lebensdauersimulation und Data Science und damit Herr über diese Daten, stellt erfreut fest: „Ja, wir sehen, dass die Batterien nach aktuellem Datenstand sehr robust sind.“ Daten aus der Praxis des Alltags sind enorm wichtig für die Ingenieur_innen bei Audi. „Unsere Batterien sind für verschiedene Extremszenarien ausgelegt. Aus den Daten ziehen wir Rückschlüsse, wie intensiv unsere Kund_innen diese Extremszenarien nutzen. So können wir die Batterie besser für den relevanten Gebrauch optimieren, was sich letztlich auch positiv auf den Preis und die Performance auswirkt“, betont der Audi Ingenieur.

Maßgeschneidert für Premiumkundinnen und -kunden

Optimiert wird die Hochvoltbatterie – zusätzlich zum Standort Neckarsulm – im Audi Batterietechnikum in Gaimersheim bei Ingolstadt. Hier werden die Alterungsmechanismen von einzelnen Zellen, Zellmodulen (bestehend aus 15 Zellen) und gesamten Batteriesystemen (12 Zellmodule) getestet und simuliert. Dr. Bernhard Rieger sorgt als Cell Integration Expert an der Schnittstelle zwischen Zellentwicklung und Batteriesoftware dafür, dass die Systeme optimal auf Lebensdauer, Sicherheit und Performance ausgelegt werden: „Die PPE-Zelle, die in allen Fahrzeugen unserer Premium Platform Electric verbaut wird, ist auf die Bedürfnisse unserer Premiumkundinnen und -kunden zugeschnitten. Unser Ziel ist eine ideale Kombination aus einer hohen Energiedichte für große Reichweiten auf Langstrecke und einer sehr guten Ladeperformance.“
Das bedeutet bei Fahrzeugen der PPE-Plattform: circa 21 Minuten Ladezeit von 10 auf 80 Prozent SoC zusammen mit WLTP-Reichweiten um die 600 Kilometer beim 
Audi Q6 e-tron bzw. 700 Kilometer beim Audi A6 e-tron.

Extreme Tests auf Prüfständen

Um besser zu verstehen, wie die Batteriezellen für diese Höchstleistung reagieren, bringen die Audi Ingenieurinnen und Ingenieure die Zellen ans Limit. Sie simulieren und testen das Verhalten der Batterien für alle relevanten Nutzungsverhalten: Wenigfahrer, Vielfahrer, häufiges Schnellladen, mit hohem State of Charge fahren/parken sowie unterschiedliche Klimazonen. Beim Lebensdauertest für die zyklische Alterung werden hohe Laufleistungen getestet, die Zellmodule werden dabei permanent wechselnd mit Schnellladen und normalem Laden betrieben.
Die kalendarische Alterung wird über ein thermisches Modell berechnet. Bei unterschiedlichen Temperaturen bis zu 60 °C werden die Zellen vermessen, und ein Alterungsmodell wird mit Messdaten gefüttert. Dr. Bernhard Rieger: „Mit diesem Modell können wir die Alterung in unterschiedlichen Klimazonen simulieren.“ Denn bei hohen Temperaturen altern Batteriezellen schneller. „Wir arbeiten momentan ebenfalls an gekoppelten elektrochemischen Modellen. Diese verschaffen uns ein besseres Verständnis über die Alterungsmechanismen und eröffnen uns weitere Optimierungspotenziale für die Batterie“, so Josef Gandlgruber. Beim Rundgang durch die Labore weist Ingenieur Rieger noch auf den Prüfstand des Temperaturwechseldauerlaufs hin: „Hier wird die Batterie mit extremen Temperaturen richtig geärgert, von –30 auf +60 °C temperiert. Dadurch erlangen wir relevante Erkenntnisse über die Robustheit der thermischen Anbindung der Zellmodule.“ Diese extremen Tests loten Grenzen aus, an die man als Fahrende im alltäglichen Gebrauch wohl in den seltensten Fällen stößt.

Erkenntnisse fließen in die eigene Batteriemontage

All diese Erkenntnisse aus den Prüfstandtests fließen in den Batterie-Prototypenbau der Expertinnen und Experten des Audi Batterietechnikums ein. Für jedes zu entwickelnde neue Elektrofahrzeug werden die benötigten Prototypenbatterien gebaut. Dafür statten die Audi Spezialistinnen und Spezialisten schon sehr früh in der Entwicklung Batterien mit über einhundert Temperatursensoren aus, um genau die Temperaturverteilung der Zellen im Batteriesystem analysieren zu können. In diesem Stadium finden auch virtuelle Simulationen über digitale Zwillinge der Batterien statt, die ebenfalls wichtige Parameter zur Optimierung des Batteriedesigns beisteuern.
Weist die Batterie dann alle gewünschten Eigenschaften auf und erhält die Freigabe, findet die Serienproduktion der Audi Hochvoltbatterien unweit der Labore in einer eigenen Halle der Audi Fertigung statt. Bis zu 1.000 Batterien werden dort täglich aus einzelnen Modulen zusammengefügt und für die Fahrzeuge der PPE-Plattform bereitgestellt. Neue Batteriegenerationen werden bei Neueinführungen oder Produktaufwertungen der Audi Modelle integriert. Und wie schätzt der Audi Batteriespezialist Dr. Bernhard Rieger die weitere Entwicklung der Fahrzeugbatterien ein? „Bei der Zellchemie sehen wir tatsächlich dynamische Entwicklungsschübe. So konnten wir zum Beispiel die Hochvoltbatterie des Audi e-tron von 95 kWh nur durch eine neue Zellchemie auf 114 kWh im Audi Q8 e-tron aufwerten. Ich bin jetzt seit zwölf Jahren im Batterietechnikum tätig. Und immer noch gewinnen wir jede Woche neue Erkenntnisse.“