Mercedes zeigt Akku mit zellindividuellen Stromwandlern

Bisher brauchen Elektroautos einen Inverter pro Antriebsachse, um den Gleichstrom aus der Batterie in Wechselstrom für den Motor zu wandeln. Künftig könnte jede Zelle eine eigene Leistungselektronik haben. Eine solche Lösung wurde nun im Rahmen des Technik-Workshops Mercedes Future Experience vorgestellt. 

Die Mikrowandler, die Mercedes auf jede einzelne Zelle setzen will, könnten programmierbar sein und damit eine sehr gute Steuerung jeder einzelnen Zelle und eine Kommunikation der Zellen untereinander ermöglichen, so die Grundidee.

Der Stand der Technik bei der Leistungselektronik (links) und die Lösung mit zellindividuellen Microwandlern

Aktueller Stand der Technik

Wie im obigen Video erklärt wird, werden beim aktuellen Stand der Technik eine große Zahl von Zellen in Reihe geschaltet, um die nötige Batteriespannung von zum Beispiel 800 Volt zu erreichen. So braucht man zum Beispiel für ein 800-Volt-System fast 200 in Reihe geschaltete Zellen, weil eine einzelne Lithium-Ionen-Zelle nicht mehr als etwa 3,6 bis 3,7 Volt liefert. So hat zum Beispiel der kommende CLA mit EQ-Technologie 192 in Reihe geschaltete Zellen, die Batteriekonfiguration ist 192s1p.

Die Spannung der Batterie fällt beim Fahren parallel zum Ladestand der Batterie (SoC) ab. Da die Antriebsleistung in kW gleich dem Produkt aus Stromstärke in Ampere und Spannung in Volt ist, werden für eine konstante Leistung größere Ströme benötigt, was auch die Wärmeverluste in die Höhe treibt – der Wirkungsgrad verringert sich mit dem SoC. Zudem hängt die Performance der gesamten Batterie von der schwächsten Zelle ab. So kann eine einzelne schlechte Zelle den ganzen Akku ausbremsen, und zwar sowohl beim Laden an der Säule oder beim Rekuperieren als auch beim Entladen während der Fahrt. 

Die Lösung mit den Microwandlern

Bei der Lösung mit den Microwandlern werden dagegen die Zellen parallel geschaltet. Auf jede Zelle wird eine eigene kleine Leistungselektronik gesetzt. Diese ermöglicht es, Zellen individuell zu regeln und die Höhe der Ausgangsspannung festzulegen. Damit kann die Batterie auf konstant 800 Volt gesetzt werden – die Spannung fällt nicht mehr während des Fahrens parallel zu Ladestand (SoC) ab. Auch eine Spannungsabnahme aufgrund der Alterung der einzelnen Batteriezellen (SoH) könnte so vermieden werden.

Ein Micro-Stromwandler ist nicht viel größer als eine Ein-Euro-Münze

Die von der Traktionsbatterie gelieferte Spannung ist zudem nicht mehr durch die Anzahl der in Reihe geschalteten Batteriezellen gegeben. Mit den Micro-Stromwandlern hängt die Zahl der Zellen nur mehr von der benötigten Speicherkapazität der Batterie ab (sowie von der benötigten Antriebs- und Ladeleistung, denn große Batterien können typischerweise schneller geladen werden als kleine).

Bei dieser Lösung könnten die Zellen individuell geladen werden. Zudem wäre es möglich, Zellen mit verschiedener Chemie zu kombinieren, also zum Beispiel LFP und NMC. Mercedes verspricht sich von dem Konzept auch eine höhere Effizienz und damit größere Reichweite. Ein weiterer Vorteil wäre eine größere Modularität: Statt die Inverter jeweils auf das individuelle Fahrzeug auszulegen, könnten Einheitsbauteile verwendet werden, nämlich die Microwandler. Die neue Technologie könnte auch den Platzbedarf minimieren, da die separaten Inverter mit eigener Kühlung etc. wegfallen.

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Unter dem Strich

Mercedes präsentiert eine Technik, bei der die Inverter in den Akku verlagert werden könnten. Dabei würde jede einzelne Zelle eine kleine Leistungselektronik erhalten, die programmierbar gestaltet wäre. Uns hat der Ansatz zunächst an die Multilevel-Batterie vom Startup Bavertis erinnert, das nun Pulsetrain heißt. Leser Tobias T. widersprach, und er hat Recht.

Beim Bavertis-System kann die Verschaltung innerhalb von Sekundenbruchteilen geändert werden, Mercedes dagegen nutzt Parallel- statt Reihenschaltung. Um auf die nötige Spannung zu kommen, heben die Inverter die Spannung der Einzelzellen von 3,7 auf 800 Volt. Die spannende Frage wird sein: Wie viel kosten die Mikrowandler und lassen sich die versprochenen Vorteile in Sachen Effizienz auch realisieren?