Die Geheimnisse der Batterie-Entwicklung bei Porsche
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Batterien sind nicht nur für die Reichweite eines Elektroautos entscheidend, sondern auch für die Leistungsfähigkeit. Damit die Dynamik bei einem Porsche nicht zu einer Momentaufnahme verkommt, tüfteln die Zuffenhausener an potenten Hochleistungsbatterien, die zugleich sicher sind.
Bei den Verbrennungsmotoren ist die Diktion bei Porsche klar: Erst kommt der Sechszylinder-Boxer, dann vielleicht noch ein V8 und dann lange nichts. Doch wie schaut es bei den Elektroautos aus? Auch die sollen „typisch Porsche“ sein. Da bei Elektromotoren eine Differenzierung schwierig ist, rücken die Batterien zunehmend in den Fokus der Entwickler. Denn leistungsfähige Akkus garantieren auch dynamische Fahrleistungen. Und das steht bei dem schwäbischen Autobauer ganz oben im Lastenheft. „Die Entwicklung ist immer den Kunden verpflichtet“, erklärt Batterie-Experte Dr. Matthias Goldsche.
Bei der Reichweite können sich die Zuffenhausener Strategen nicht auf den Blick in die Glaskugel verlassen. Deswegen hilft nur die Ratio. „Die Kurve flacht ab 2030 ab“, prophezeit Matthias Goldsche und zeigt auf eine Grafik. Das heißt, die Zeit der großen Reichweitensprünge ist am Ende des Jahrzehnts erst einmal vorbei. Die Gründe sind vielfältig. Zum einen käme mit größeren Batterien immer mehr Gewicht ins Auto und auch die Kosten würden steigen. Lieber schneller laden und dafür kleinere Batterien, lautet die Maxime. Im gleichen Atemzug erteilt der Physiker Goldsche auch den LFP-Batterien (Lithium-Eisenphosphat) eine klare Absage: „Die sind wie ein Vierzylindermotor, und der hat bei Porsche wenige Fans.“ Bei solchen Aussagen dürfte jedem Flat-Six-Gusseisernen das Herz vor Freude höher schlagen.
Das bedeutet, dass man bei Porsche auf die teureren NMC-Zellen (Nickel-Mangan-Kobalt) setzt. Das macht sich auch in der Ladeleistung bemerkbar. Der Taycan basiert auf der J1-Plattform, dessen Energiespeicher hochwertiger sind als die der PPE-Konzernarchitektur des VW-Konzerns, die beispielsweise der Porsche Macan und der Audi Q6 e-tron nutzen. Deshalb erreicht der Taycan auch eine Spitzen-Ladeleistung von 320 kW. Noch wichtiger ist, dass die Ladeleistung möglichst lange möglichst hoch bleibt. Bei Porsche bedeutet das mindestens fünf Minuten mit mindestens 300 kW.
Die Porsche-Truppe redet sich leicht
Klar ist aber auch: Die Porsche-Truppe redet sich leicht. Premium-Fahrzeuge haben auch einen dementsprechenden Preis, und wenn man rund 200.000 Euro für ein Auto hinlegt, erwartet man auch beim Stromtanken Top-Leistung. Da geht es auch um die Energiedichte der Zellen. Beim aktuellen Taycan beträgt sie 168 Wh/kg, ein Plus von 13 Prozent gegenüber dem Prä-Facelift.
Die Batterieentwicklung ist eine Gleichung mit vielen Variablen. Die Reichweite ist und bleibt ein wichtiger Faktor, ist aber nicht der alleinige. Bei Porsche geht es auch um die Fahrdynamik, also das Gewicht des Akkus, die Reisezeit, die Sicherheit der Batterie, den CO2-Abdruck und natürlich die Lebensdauer. „Wenn man nur auf die Reichweite schaut, würden wir unseren ganzheitlichen Ansatz vernachlässigen“, unterstreicht Goldsche. Die Batteriekapazität hängt auch vom Nutzungsprofil der Nutzer ab: 95 Prozent der E-Porsche-Fahrer legen pro Tag weniger als 200 Kilometer zurück. Bei weniger als zwei Prozent sind es mehr als 300 Kilometer pro Tag.
Also geht es beim Taycan auch um die Performance. Dabei sind Details entscheidend: Zum Beispiel haben die Batterieexperten geschafft, beim Taycan II den maximalen Entladestrom gegenüber dem Taycan I um 28 Prozent zu steigern. In absoluten Zahlen bedeutet das von 860 Ampere auf 1100 Ampere. Das verbessert die Beschleunigung deutlich: Der Taycan Turbo S absolviert den Sprint von null auf 100 km/h in 2,4 Sekunden, also um 0,4 Sekunden schneller als bisher.
Press-Inform / Porsche
Der Schlüssel ist die Chemie der Pouchzellen, die beim Facelift des Taycan von NCM 622 auf NCM 811 geändert wurde, also mit mehr Nickel-Anteilen, dafür weniger Kobalt und Mangan. Das bedeutet eine um zwölf Prozent höhere Energiedichte und einen um 20 Prozent höheren Ladestrom (400 A). Das Gewicht der Batterie ist um neun Kilogramm auf 625 kg gesunken, während die Kapazität von 93,5 kWh auf 105 kWh angestiegen ist. So kommt der Standard-Taycan nun bis zu 678 statt bisher 503 km weit. Extrem wichtig ist auch, dass die Starttemperatur beim Schnellladen von 25°C auf 15°C gesunken ist. Das hilft bei der Vorkonditionierung der Akkus und beschleunigt das Stromtanken.
Die Energiespeicher sind robuster als bisher
Wären die Hochleistungsbatterien Menschen, würde man sie als Sensibelchen bezeichnen. Denn die Akkus wollen gehegt und gepflegt werden, damit sie nicht vorschnell altern. Auch da hat sich einiges getan. Die Energiespeicher sind robuster als bisher. Die Entwicklung geht natürlich weiter – und das noch schneller. Der Druck aus China kommt auch in Weissach an, wo sich die Porsche Denkfabrik befindet. Die Details sind spannend. Jede Batteriezelle besteht aus einer Kathode und einer Anode, und die Spezialisten tüfteln ständig daran, die Anode der Lithium-Ionen-Akkus zu verbessern. Dazu nutzt der Sportwagenhersteller natürlich auch Künstliche Intelligenz. Zum Beispiel ist Graphit ausgereizt, weswegen Porsche Silizium hinzufügt. Da sich aber Silizium beim Ladevorgang um bis zu 300 Prozent ausdehnt und Graphit nur um zehn Prozent, kann man den Siliziumanteil nicht unbegrenzt erhöhen. Dazu kommt, dass der mechanische Stress, dem die Zellen beim Laden und Entladen ausgesetzt sind, die Siliziumpartikel verschleißen kann.
Das muss tunlichst vermieden werden, um die Leistungsfähigkeit der Energiespeicher möglichst lange zu gewährleisten. Ein Thema, das die Experten umtreibt, ist das sogenannte Lithium-Plating. Ein Phänomen, das beispielsweise beim Schnellladen auftritt, wenn man mit Gewalt mehr Ionen in das Aktivmaterial der Anode pressen will, als dieses aufnehmen kann. Dann lagern sich die ehemaligen Ionen als metallisches Lithium an der Oberfläche der Anode ab. Das führt zu Kapazitätsverlusten der Batterie. Dieser Effekt ist kontraproduktiv für jedes Elektroauto. Weitere Gründe für das Lithium-Plating sind zu niedrige Temperaturen (der Widerstand ist höher, die Diffusion der Ionen ins Aktivmaterial ist erschwert) und der Ladestand der Batterie (SOC). Je mehr die Batterie geladen ist, desto mehr steigt der Widerstand an. Das Gleiche passiert, wenn sich der Gesundheitszustand der Akkus (State of Health / SOH) verschlechtert, und somit die Kapazität und Leistungsfähigkeit. Wenn man sich das vor Augen hält, wird klar, wie wichtig es ist, die Akkus in eine Wohlfühloase zu bringen, die Lade- und Entladeströme möglichst perfekt zu steuern und die Temperatur im richtigen Fenster zu halten.
Porsche nimmt die Akkus bei der Erprobung richtig ran
Grundsätzlich verkraften Batterien niedrige Temperaturen besser als hohe. Damit eröffnet sich ein weiterer Kernkonflikt. Ein Porsche wird gerne schnell bewegt, wodurch die Temperaturen steigen. Deswegen nimmt Porsche die Akkus bei der Erprobung richtig ran. Dabei wird ein Stresstest durchgeführt, bei dem 300.000 km als Lade- und Entladezyklus simuliert werden, wobei die Hälfte der Ladevorgänge im Schnelllademodus stattfinden. Eine Tortur für die Energiespeicher.
Um die Akkus widerstandsfähiger zu machen, hat Porsche einen Maßnahmenkatalog verabschiedet: Die Zellchemie muss robust sein, das Batterie-Management-System (BMS) pflegt die Akkus durch eine passende Steuerung des Stroms sowie der Spannung. Ganz wichtig ist das aktive Heizen und Kühlen, um die Batterie in ihrem optimalen Temperaturbereich zu halten. Das bedeutet: Selbst bei Vollgas erhitzen sich die Akkus nicht über 60°C, die Durchschnittstemperatur schwankt zwischen 25°C bis 30°C (auch im geparkten Zustand). Ein aufwendiger Prüfstand, der sich über drei Etagen erstreckt, stellt alle möglichen Fahrsituationen nach. Ein Hauch Formel 1 in Weissach.
Press-Inform
Zu einer Batterie gehört immer das Thema Sicherheit. Ein brennendes Fahrzeug mit dem Porsche-Wappen auf der Motorhaube ist ein Bild, das man in Zuffenhausen tunlichst verhindern will. Nicht ganz einfach, da die NMC-Zellen deutlich reaktiver sind als etwa die LFP-Variante. Das bedeutet, dass die Sicherheitstests nicht nur den obligatorischen Crashstest, sondern auch extreme Temperaturen beinhalten. Gerade bei einem 800-Volt-System, wie es Porsche verwendet, besteht unter Umständen, die Gefahr eines hochenergetischen Lichtschlags. Ein Teufelskreis, denn eine höhere Batteriespannung erlaubt schnelleres Laden.
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