NMC und LFP, 96S3P, SEI und Schubrekuperation, Kühlplatten und Kühlschlangen: Batterietechnik ist schon was für Nerds. Und wir möchten nicht behaupten, nach ein paar Jahren Berichterstattung für InsideEvs schon alles auf dem Kasten zu haben. Umso begieriger sind wir, etwas Neues zu lernen. Und das kann man bei dem neuen Artikel von Peter Holderith von Motor1 USA.

Er ließ sich die Ultium-Batterien von Jerry Beemer erklären, dem Chefingenieur für die Elektroantriebe von GM. Aber auch wenn es dabei um Fahrzeuge von General Motors geht, die bei uns (noch) nicht angeboten werden: Wenn man die Zusammenhänge an diesem Beispiel kapiert, sind sie wohl auf andere Akkus übertragbar. Also, los geht's.

Die Ultium-Batteriezellen in Pouch-Form mit 103 Amperestunden

Module mit 8S3P, Batterie mit 96S3P

Die Ultium-Batterien bestehen sämtlich aus langen, schmalen Pouch-Zellen mit 103 Amperestunden (Ah) und NMC-Chemie (Nickel, Mangan und Cobalt). Die Nennspannung liegt bei etwa 3,6 bis 3,7 Volt. Daraus errechnet sich eine Speicherkapazität von 3,6 V x 103 Ah = 371 Wattstunden (Wh). Im folgenden die wichtigsten Daten zur Batterie des Cadillac Lyriq AWD: 

  Cadillac Lyriq AWD
Batteriezelle: Form und Chemie Pouch-Form, NMC-Chemie 
Batteriezelle: Elektrische Daten 3,6-3,7 Volt nominal, 103 Ah, ca. 371 Wh
Zahl der Zellen und Module 12 Module à 24 Zellen = 288 Zellen 
Konfiguration jedes einzelnen Moduls 8S3P
Konfiguration des Batteriepakets 96S3P
Nennspannung der Batterie ca. 3,6 Volt x 96 = ca. 345 Volt
Berechnete Brutto-Speicherkapazität 288 x ca. 371 Wh = ca. 106,8 kWh
Offizielle Nettokapazität des Akkus 102 kWh

Versuchen wir zunächst die Angaben aus der Tabelle von Peter zu verstehen. Das ist eigentlich nicht weiter schwer: Die Batterie besteht aus 12 Modulen mit je 24 Zellen. Die Modul-Konfiguration ist 8S3P, das heißt, die 24 Zellen teilen sich in drei Achtergruppen. Die acht Zellen dieser Gruppen sind jeweils seriell (in Reihe) geschaltet, die Achtergruppen sind parallel geschaltet.

Nun zur Batteriekonfiguration. Die 12 Module werden in Reihe geschaltet. So sind nun jeweils 12 mal 8 gleich 96 Zellen in Serie geschaltet. Drei dieser seriellen Gruppen gibt es, was insgesamt wieder die Gesamtzahl der Zellen ergibt: 96 mal 3 gleich 288 Zellen. Die Batteriekonfiguration ist also 96S3P. 

Jede Zelle liefert etwa 3,6 Volt, aber nur die in Reihe geschalteten Zellen erhöhen die Spannung der Batterie. Seriell geschaltet sind 96 Stück und 96 mal 3,6 Volt ergibt 345 Volt – die Nennspannung der Batterie. Zur Speicherkapazität tragen dagegen alle 288 Zellen bei. Da die Speicherkapazität der einzelnen Zelle 371 Wattstunden beträgt, liegt die Nennkapazität des Akkus bei 371 mal 288 = 106,8 kWh. Davon werden laut GM aber nur 102 kWh genutzt –das ist die Nettokapazität der Batterie.

Kleinere Ultium-Batterien mit LFP-Chemie

Nun schreibt Peter, dass der kommende Chevrolet Bolt angeblich ebenfalls auf der Ultium-Plattform basieren wird, aber eine Lithium-Eisenphosphat-Batterie (LFP) erhalten soll. Ob auch dort Pouch-Zellen eingesetzt werden, ist noch nicht bekannt.

Doch der GM-Manager sagte, die Zellen seien nicht konstitutiv für die Ultium-Batterien. So verkaufe man den Lyriq in China mit einer anderen Zellchemie und prismatischen Zellen statt mit Pouch-Zellen (wie auch aus einem offiziellen GM-Erklär-Video zur Ultium-Plattform hervorgeht). Mit anderen Worten: Die 103-Ah-Zelle, welche in den meisten nordamerikanischen GM-Fahrzeugen verwendet wird, ist keine Systemvoraussetzung für die Ultium-Batterien.

Ultium-Modul mit länglichen Pouch-Zellen

Ultium-Modul mit länglichen Pouch-Zellen

Ultium-Modul mit prismatischen Zellen

Ultium-Modul mit prismatischen Zellen

Der kompakte Chevrolet Bolt braucht sicher keine 102-kWh-Batterie wie der Lyriq. Wie könnte man diese Batterie aus den Modulen des Lyriq bauen? Für eine halb so große Batterie bräuchte man 144 Zellen und sechs Module. Jedes 8S3P-Modul des Lyriq liefert aber nur 8 mal 3,6 Volt gleich etwa 29 Volt. Sechs Module würden also nur 174 Volt ergeben. Wenn im Bolt tatsächlich eine LFP-Chemie eingesetzt wird, liegt die Nennspannung sogar nur bei 3,2 Volt; damit würde die Modulspannung nur 26 Volt betragen. Sechs davon ergäben nur etwa 154 Volt. Aus diesem Grund, folgert  Peter, werden Fahrzeuge mit weniger Modulen als beim Lyriq wohl mit einer niedrigeren Spannung betrieben.

GMC Hummer EV

GMC Hummer EV

GMC Hummer EV: Ein 800-Volt-System mit Ultium-Batterie

Der GMC Hummer EV verwendet die gleichen Zellen und Module wie der Lyriq, aber die Batteriekonfiguration ist anders: 96S6P. Damit besteht die Batterie praktisch aus zwei übereinander gestapelten Lyriq-Akkus. Der Hummer treibt seine Motoren mit 400 Volt an, aber die Batterie kann mit 800 Volt geladen werden. Dazu werden die beiden Lyriq-Batterien in Reihe geschaltet, so dass sich die Batteriekonfiguration 192S3P ergibt. 192 serielle 3,6-Volt-Zellen ergeben eine Spannung von  691 Volt – hier spricht man schon von einem 800-Volt-System.

2022 Ultium-Akkupack von GMC Hummer EV

Die Ultium-Batterie des GMC Hummer EV: Sozusagen zwei Lyriq-Pakete übereinander

Man habe auch einen Antrieb der Elektromotoren mit 800 Volt in Erwägung gezogen, so Beemer. Aber wichtiger sei GM momentan eine Senkung der Produktionskosten durch die Steigerung des Produktionsvolumens gewesen. 

Eine niedrigere Spannung kann zu weniger Leistung führen, denn 1 Watt ist gleich 1 Volt mal 1 Ampere. Dennoch wird die Entladespannung der Batterie offenbar nicht zu stark gesenkt, denn der Hummer bietet eine Peak-Leistung von 745 kW. Der Lyriq AWD liefert mit der Hälfte der Module logischerweise auch nur die Hälfte der Leistung, also rund 373 kW.

Unter dem Strich

Wir haben einiges aus dem Artikel von Peter Holderith gelernt. Manche Zusammenhänge, die Peter vorausgesetzt hat, haben wir dabei genauer erklärt. Den Schluss des Artikels haben wir weggelassen, weil wir nicht sicher sind, ob wir alles richtig verstanden haben – dieser Part schien uns aber auch weniger interessant als das Obige. Wenn Sie sich dafür interessieren, finden Sie den Link zum amerikanischen Original unter diesem Artikel.