Batterie und Ladetechnologie

Mit seinem ersten rein elektrisch angetriebenen Serienmodell hat sich Audi vom klassischen Automobilhersteller zum Systemanbieter für Mobilität gewandelt. Dank eines ganzheitlichen Ladeangebots mit intelligenten Lösungen für zu Hause und unterwegs fährt der Kunde rein elektrisch, ohne dabei Kompromisse eingehen zu müssen.

95 kWh Energie: das Hochvolt-Batteriesystem

Die leistungsstarke Lithium-Ionen-Batterie im Audi e-tron ermöglicht mehr als 400 Kilometer Reichweite im WLTP-Fahrzyklus. Sie arbeitet mit 396 Volt Nominalspannung und speichert 95 kWh Energie. Das Batteriesystem des Audi e-tron befindet sich unter der Fahrgastzelle und ist 2,28 Meter lang, 1,63 Meter breit und 34 Zentimeter hoch. Insgesamt enthält es 36 Zellmodule, die als quaderförmige Aluminium-Gehäuse gestaltet und in etwa so groß sind wie ein Schuhkarton. Sie sind in zwei Ebenen, sogenannten „Floors“, angeordnet – als langer unterer und als kurzer oberer. Die Zellmodule des Audi e-tron können über breite Temperatur- und Ladezustandsfenster kontinuierlich und reproduzierbar Strom abgeben sowie aufnehmen. Sie lassen sich so dicht packen, dass sie im vorhandenen Volumen eine sehr hohe Leistungs- und Energiedichte erzielen. Zum Marktstart ist jedes Zellmodul mit zwölf Pouch-Zellen bestückt, die eine flexible Außenhülle aus Aluminium-beschichtetem Kunststoff besitzen. Künftig setzt Audi in seinem Modulkonzept technisch gleichwertig ebenso prismatische Zellen ein – auch im Sinne einer Mehrlieferantenstrategie.

Für einen dauerhaften Hochleistungsbetrieb der Lithium-Ionen-Batterie sorgt ein indirektes, vom Zellraum getrenntes Kühlsystem. Es besteht aus flachen Aluminium-Strangpressprofilen, die einheitlich in kleine Kammern aufgeteilt sind. Der Wärmeaustausch zwischen den Zellen zu dem unterhalb angeordneten Kühlsystem erfolgt über ein wärmeleitfähiges Gel, das unter jedes Zellmodul gepresst wird. Es führt die entstehende Abwärme gleichmäßig über das Batteriegehäuse in das Kühlmittel – eine besonders effiziente Lösung.

Das Management der Batterie mit allen wichtigen Parametern – etwa Ladezustand, Leistungsabgabe und Thermomanagement – obliegt dem externen Battery Management Controler (BMC). Er ist in der Fahrgastzelle an der rechten A-Säule des Audi e-tron untergebracht. Der BMC kommuniziert sowohl mit den Steuergeräten der E-Motoren als auch mit den Zellmodul-Controllern (CMC), von denen jeder die Ströme, die Spannung und die Temperatur der Module überwacht. Die Battery Junction Box (BJB), die die Hochvolt-Relais und -Sicherungen integriert, bildet die elektrische Schnittstelle zum Auto. Von einem Gehäuse aus Aluminiumdruckguss umgeben, befindet sie sich im vorderen Bereich des Batteriesystems. Der Datenaustausch zwischen dem BMC, den CMCs und der BJB erfolgt über ein eigenes Bussystem.

Serienmäßig mit 11 kW, auf Wunsch mit 22 kW: Laden zu Hause

Typischerweise wird ein Großteil aller Ladevorgänge des Audi e-tron zu Hause stattfinden. Und jeder von ihnen kostet den Besitzer nur wenige Sekunden Zeit – jene Momente, in denen er das Ladekabel anschließt und absteckt. In den meisten Fällen wird der Elektro-SUV über Nacht laden, am nächsten Morgen startet er dann mit voller Batterie und mehr als 400 Kilometer Reichweite gemäß WLTP-Prüfzyklus.

Für das Laden zu Hause bietet Audi verschiedene Lösungen an. Auf Wunsch prüft ein Elektriker, den der örtliche Audi-Händler vermittelt, die Stromversorgung in der Garage und installiert die geeignete Technik. Das serienmäßige mobile Ladesystem kompakt lässt sich auf zwei Arten nutzen – an einer 230 Volt-Haushaltssteckdose mit bis zu 2,3 kW Ladeleistung und an einer 400 Volt-Drehstromsteckdose mit bis zu 11 kW Leistung. Letztere sorgt dafür, dass die Batterie in etwa achteinhalb Stunden wieder voll ist. Mit dem optionalen Ladesystem connect verdoppelt sich die Ladeleistung auf bis zu 22 kW. Voraussetzung dafür ist das zweite Ladegerät an Bord des Audi e-tron, das ab 2019 erhältlich sein wird. Das System connect umfasst eine Bedieneinheit mit einem 5 Zoll-Touchdisplay und eine Wandhalterung. Es ermöglicht den Kunden, im myAudi Portal und in der myAudi App ihre individuelle Ladestatistik und den Ladeverlauf einzusehen.

Im Zusammenspiel mit einem Heimenergie-Managementsystem bietet das Ladesystem connect intelligente Funktionen. Hier kann der Audi e-tron mit der maximal verfügbaren Leistung laden und dabei den Bedarf der anderen Verbraucher im Haushalt berücksichtigen, um eine Überlastung des Anschlusses zu vermeiden. Zudem hat der Kunde die Möglichkeit, individuelle Prioritäten festzulegen, etwa das Laden zu kostengünstigen Zeiten. Verfügt sein Haus über eine Photovoltaik-Anlage, kann das Auto bevorzugt den eigenerzeugten Strom nutzen, wobei es auch prognostizierte Sonnenscheinphasen einbezieht.

Fernsteuerung per App: Laden und Klimatisieren

Für eine entspannte Bedienung vom Sofa aus sorgt die myAudi App auf dem Smartphone. Mit ihr kann der Kunde die Ladevorgänge und die Vorklimatisierung des Audi e-tron planen, fernsteuern und überwachen. Zum Beispiel kann er einen Timer für die Abfahrtszeit anlegen, so dass der Elektro-SUV zum gewünschten Zeitpunkt geladen und/oder vorklimatisiert ist.

Dabei hat der Kunde erstmalig die Möglichkeit, bestimmte Zonen im Auto bevorzugt zu klimatisieren. Zum Beispiel kann er an kalten Wintertagen die Sitz-, Lenkrad- und Heckscheibenheizung per Smartphone aktivieren. Zusätzlich zeigt die App Lade- und Fahrdaten an. Die Kommunikation zum Auto erfolgt über das integrierte LTE-Modul, das beim Audi e-tron zur Serienausstattung gehört.

Mit bis zu 150 kW: Laden unterwegs

Aufgrund der hohen Reichweite von mehr als 400 Kilometern sind Stopps an Ladesäulen bei alltäglichen Fahrten meistens nicht notwendig. Anders dagegen auf Langstrecken, beispielsweise bei der Fahrt in den Urlaub. Hier kann der Audi e-tron an Schnellladesäulen mit dem europäischen Ladestandard Combined Charging System (CCS) mit bis zu 150 kW Gleichstrom laden – als erstes Serienauto überhaupt. Damit ist der Elektro-SUV in etwa einer halben Stunde bereit für die nächste Langstrecken-Etappe. Die Basis dafür ist das aufwändige Thermomanagement der Lithium-Ionen-Batterie, das Laden mit bis zu 150 kW ermöglicht. Bis 2020 sind im Netz von Ionity 400 solcher High-Power-Charging (HPC)-Stationen an europäischen Autobahnen und Hauptverkehrsachsen in je 120 Kilometer Entfernung geplant. Der Volkswagen-Konzern mit Audi und Porsche, die BMW Group, die Daimler AG und die Ford Motor Company treiben den Ausbau des HPC-Netzwerkes gemeinsam voran. Auch außerhalb dieses Joint Ventures entstehen weitere kompatible HPC-Ladepunkte in Europa.

Neben Gleichstrom kann der Elektro-SUV unterwegs auch mit Wechselstrom an AC-Säulen laden – standardmäßig mit bis zu 11 kW, bei optionalem zweitem Onboard-Charger mit 22 kW. Zum Anschluss an die Ladesäule dient das serienmäßige Mode-3-Ladekabel. Etwa 95 Prozent aller vorhandenen Ladepunkte in Europa entsprechen aktuell diesem Standard.

Vom Marktstart an offeriert Audi seinen Kunden einen eigenen Ladedienst – den Audi e-tron Charging Service. Er erschließt den hochkomfortablen Zugang zu etwa 80 Prozent aller Ladestationen in Europa, was weit über 70.000 öffentlichen Ladepunkten in 16 EU-Ländern entspricht. Ob AC- oder DC-Laden, ob 11 oder 150 kW – eine einzige Karte genügt, um den Ladevorgang zu starten. Die Datenübertragung basiert auf der Funktechnologie RFID (Radio Frequency Identification). Viele Säulen lassen sich auch über das Scannen eines QR-Codes per Smartphone freischalten. Um den Dienst zu nutzen, muss sich der Kunde einmalig im myAudi Portal registrieren und einen Vertrag abschließen. Die Abrechnung erfolgt automatisiert über das hinterlegte Benutzerkonto – ohne physisches Zahlungsmittel. Über das myAudi Portal kann der Kunde jederzeit seine aktuelle Ladehistorie und die letzten Abrechnungen einsehen sowie seinen Vertrag verwalten. Unabhängig davon kann er auch an Säulen laden, die nicht in das Portfolio des e-tron Charging Service eingebunden sind. Dort rechnet er direkt mit dem jeweiligen Anbieter ab.

Von 2019 an wird das Laden für Audi-Kunden noch komfortabler. Dann debütiert die Funktion Plug & Charge. Damit autorisiert sich der Audi e-tron über modernste kryptographische Verfahren selbst an Ladesäulen und schaltet sie frei – die Karte wird nicht mehr benötigt. Voraussetzung dafür ist ein gültiger Ladevertrag beim e-tron Charging Service. Alle Audi e-tron, die ab Mitte 2019 vom Band fahren, unterstützen die Funktion ab Werk.

In Szene gesetzt: der Ladevorgang

Jeder Ladevorgang des Audi e-tron beginnt mit einer kleinen Inszenierung: Per Tastendruck fährt die Klappe im Kotflügel auf der Fahrerseite elektrisch nach vorn und nach unten, um den von einer weißen LED beleuchteten Anschluss freizugeben. Neben ihm befindet sich eine zweite LED, die den Status visualisiert – ein grün pulsierendes Licht etwa zeigt einen aktiven, ein konstant grünes Licht einen abgeschlossenen Ladevorgang an. Wenn der Stecker abgezogen wird, schließt sich die Ladeklappe innerhalb von fünf Sekunden selbsttätig. Zusammen mit dem optionalen zweiten Ladegerät liefert Audi einen zusätzlichen Anschluss für Wechselstromladen auf der Beifahrerseite.

Wichtiger Performance-Faktor: das Thermomanagement

Das leistungsfähige Thermomanagement des Audi e-tron ist Garant für das schnelle Gleichstromladen mit bis zu 150 kW, für eine lange Lebensdauer der Batterie und für reproduzierbare Fahrleistungen auch bei starker Beanspruchung. Für den Kunden bedeutet das hohe Performance zu jeder Zeit.

Das Thermomanagement des Audi e-tron umfasst vier Kreisläufe, die sich je nach Bedarf auf unterschiedliche Weise zusammenschalten lassen. Es kühlt die E-Maschinen samt ihrer Rotoren, die Leistungselektroniken und das Ladegerät. Darüber hinaus kühlt und heizt es den Innenraum sowie die Hochvolt-Batterie. Die Rotoren, die im realen Fahrbetrieb bis zu 13.300 Umdrehungen pro Minute erreichen, bestehen aus magnetisch leitfähigen Elektroblechen und leichtem, hochreinem Aluminium. Das Innere der Wellen wird mit Kühlmittel durchströmt, so dass die Temperatur 180 Grad Celsius nicht übersteigt. Die Statoren und die Lagerschilde der Elektromotoren sind ebenfalls wassergekühlt – eine Lösung, von der die auf den Lagerschilden montierten Getriebe indirekt profitieren. Speziell beim koaxial angeordneten Elektromotor an der Hinterachse stellte eine effektive Kühlung die Entwickler vor neue Herausforderungen. Die Lösung ist eine Kühlmittelführung über ein doppelwandiges Rohr und ihre keramische Abdichtung am Rotor der E-Maschine.

Insgesamt zirkulieren in den etwa 40 Meter langen Kühlwasserleitungen des Audi e-tron 22 Liter Kühlmittel. Als heißeste Bauteile im Antriebsstrang stellen die E-Maschinen dem Thermomanagement eine große Wärmemenge zur Verfügung. Die serienmäßige Wärmepumpe nutzt ihre Abwärme – bis zu 3 kW der eigentlichen Verlustleistungen werden effizient für die Aufheizung und Klimatisierung des Innenraums verwendet. Je nach Außentemperatur erzielt der Audi e-tron im Kundenbetrieb so Reichweitenvorteile von bis zu zehn Prozent.

Das Thermomanagement sorgt auch dafür, dass die Batterie in allen Situationen – vom Kaltstart im Winter bis zu schneller Autobahnfahrt an heißen Sommertagen – in ihrem optimalen Effizienzbereich von 25 bis 35° Celsius bleibt. Das trägt ebenfalls zur Langlebigkeit bei. Beim Gleichstromladen mit 150 kW Leistung, das der Audi e-tron als erstes Serienauto überhaupt ermöglicht, führt kaltes Kühlmittel die Wärme ab, die durch die elektrischen Widerstände entsteht. Ist die Batterie beim Laden im Winter noch kalt, wird sie mit warmem Kühlmittel beheizt.