Gemessene Ladeverluste je nach Ladeleistung (als Diagramme)

Gemessene Ladeverluste je nach Ladeleistung (als Diagramme)

Beitragvon TiJ » So 21. Mai 2017, 07:49

Nachfolgend einige Diagramme zu gemessenen Ladeverlusten (wie viel der dem Fahrzeug zugeführten Energie, wird nicht im Akku gespeichert) bei unterschiedlichen Ladeleistungen. Die Messungen sind im Alltag entstanden und entsprechend fehlerbehaftet. Dennoch lassen sich schon mit den vorliegenden groben Messungen einige Zusammenhänge zeigen. Für viele sicher nichts Neues aber ich wollte dies an eigenen Messungen sehen.

Untersuchte Ladeleistungen:
Die Ladeleistungen 0,7 bis 2,6kW wurden mit dem Notladekabel und passenden Einstellungen im Fahrzeug und am Notladekabel (resources/image/39165) durchgeführt, die 3,6kW mit dem selbstgebauten Simple EVSE.
Die Ladeleistung von 7,1kW an den 43kWh-AC Schnelladern und die 45kW an den 50kWh-DC Schnelladern von T&R (RWE). Die 18kW Ladeleistung an den 20kWh-DC Schnelladern von Ikea (ABB).
Die Ladeleistung von 4,6kW fehlt in der Aufstellung, da ich selbst keine Wallbox habe und die öffentlich zugänglichen in meiner Region keine Leistungs/Energie-Anzeige. Die Verluste bei der Ladeleistung über die theoretisch gelieferte zu berechnen, führt zu deutlich falschen Werten.

Durchführung der Messung:
Die Ladeenergie (und die daraus errechnete Ladeleistung) wurde mit einem Energiezähler gemessen (oder an der Ladesäule abgelesen), die im Akku gespeicherte Energie über die %-Angabe des Fahrzeugs.
Alle Verbraucher wie Licht, Radio, Klima, etc. waren aus. Es wurde weiter darauf geachtet, dass keine deutlich hörbaren Lüfter-Geräusche aus dem Akku-Raum kamen (was bei hohen Ladeleistungen manchmal auftritt).
Alle Ladungen erfolgten direkt nach der Fahrt (wenn nicht wurde das extra vermerkt). Es handelt sich bei dem verwendeten Fahrzeug um die Ausstattung Trend. Die Messungen wurden bei Außentemperaturen zwischen 0 und 10° durchgeführt.
Eine Akkukapazität von 0-100% entspricht 0-28kWh.

Messfehler:
Der größte Einzelfehler liegt in der Auflösung der Akkustandanzeige in Prozent. Der Gesamtfehler der Ladeverluste liegt zu Beginn der Ladung bei ca. 10%, gegen Ende unter 5%. Die Fehlerbalken sind nicht eingezeichnet, da die Diagramme sonst noch unübersichtlicher werden.

Zu den Diagrammen:
Der erste Messwert zur Bestimmung der Ladeverluste erfolgte meist erst nach einigen Minuten/Stunden bzw. geladenen „Akku-Prozent“. D.h. der anfängliche Verlauf der Ladeverluste innerhalb der ersten Ladeprozente ist hier nicht zu sehen.
Jede Ladeleistungsgruppe ist mit einer eigenen Farbe und einem eigenen Symbol dargestellt.

Beobachtung:
• Die Ladeverluste innerhalb einer Ladeleistungs-Gruppe streuen zum Teil erheblich -> unklare Vorgänge im Akku haben erheblichen Einfluss (für weitere Messungen werden die Daten des „Akkuinnenlebens“ benötigt). Als Beispiel ist dies im Diagramm 1 (mit 1,5kW) und im Diagramm 3 (mit 20kWh-DC bzw. 45kWh-DC) zu sehen.
• Die Außentemperaturen zeigen keinen direkten Einfluss auf die Ladeverluste, daher sind sie nicht im Graphen vermerkt (unbekannter innere Zustand des Akkus hat den größeren Einfluss).
• Die Ladeverluste steigen am Anfang leicht an (Diagramm 3; während der ersten geladenen Prozente) – wurde nicht für jede Ladeleistung gemessen.
• Kurze Ladezeiten oder geringe Akku-Nachladung führen zu hohen Ladeverlusten (und das ist unabhängig davon bei welchem Akkustand die Ladung durchgeführt/begonnen wurde) – Diagramm 7.
• Die geringsten Ladeverluste (1 stelliger %-Bereich) haben einige der DC-Schnell-Ladungen, allerdings nur bei bestimmten Akkubedingungen (und diese sind bisher unbekannt) – Diagramm 3.
• Bei den AC-Ladungen scheint die Ladeleistung von 3,6kW die geringsten Ladeverluste (auch von Beginn an; Diagramm 2) zu verursachen (wie bereits erwähnt wurde keine Messungen mit 4,6kW durchgeführt).
• Bei hohem Akkustand (>90%) ist oft eine leichte Zunahme der Ladeverluste zu bemerken (z.B. Diagramm 7: 2,6kW; 7,1kW und die „Spezialfälle“ aus 20kWh-DC und 50kWh-DC).
• Etc.

Erster Diagrammsatz:
Messung der Ladeverluste, aufgetragen gegen die in den Akku geladene Energie (in % angegeben).
G1_inAkku_niedrige_kW.jpg

G2_inAkku_mittlere_kW.jpg

G3_inAkku_hohe_kW.jpg
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Re: Gemessene Ladeverluste je nach Ladeleistung (als Diagram

Beitragvon TiJ » So 21. Mai 2017, 07:50

... Vortsetzung:

Zweiter Diagrammsatz:
Messung der Ladeverluste, aufgetragen gegen die Ladezeit (in Minuten angegeben). Da bei niedrigen Ladeleistungen die Ladezeiten sehr große werden (Diagramm 4; und ich nicht warten konnte, da ich das Fahrzeug benötige) wurden teilw. nur 10 – 30% Akkustand zugeladen (siehe Diagramm 1).

G4_Ladezeit_niedrige_kW.jpg

G5_Ladezeit_mittlere_kW.jpg

G6_Ladezeit_hohe_kW.jpg
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Re: Gemessene Ladeverluste je nach Ladeleistung (als Diagram

Beitragvon TiJ » So 21. Mai 2017, 07:51

... Vortsetzung:

Anbei noch eine Übersicht über alle Messungen und in welchem „Akkustand-Bereich“ diese erfolgt sind.

G7_Übersicht.jpg
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Re: Gemessene Ladeverluste je nach Ladeleistung (als Diagram

Beitragvon BernhardLeopold » So 21. Mai 2017, 07:59

Die Streuung der Werte ist ja gewaltig, sowohl bei DC als auch AC. Hier müsste dringend an der Systematik des Tests gearbeitet werden, bevor man eine Bewertung der Effizienz des Autos abgeben kann.

Mögliche Fehlerquellen:
Die Anzeigen sowohl an den Ladesäulen als auch im Auto.
Der Fahrzustand vor der Ladung (die Leistungsaufnahme der Fahrt vor der Ladung sollte möglichst ähnlich sein)

Abhilfe:
Direkter Zugriff auf die Daten des BMS im Auto (gibt es sowas wie CanZE oder LeafSpy für den IONIQ?)
Bei der Ladesäule müsste man wohl auf eine private Säule gehen, wo man Zugriff auf die Daten eines geeichten Stromzählers vor der Ladesäule hat.
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Re: Gemessene Ladeverluste je nach Ladeleistung (als Diagram

Beitragvon TiJ » So 21. Mai 2017, 08:14

Ja, genau die Streuung das ist das Problem. Das sagt mir, dass alle bisher (auch hier im Forum) angegebenen Ladeverluste mehr oder weniger nur Zufallswerte sind. Ganz grob richtet sich der Ladeverlust schon zwischen 5% und 15% ein.
Der systematische Fehler (Streuung) liegt am unbekannten Akkuzustand.

Der Fehler der von den Ladesäulen angezeigt Energie ist nicht so groß (macht wenige % beim Ladeverlust aus). Die ungenaue Ablesung des SOC hat wie erwähnt den größten Einfluss auf den Messfehler. Soweit möglich hatte ich das Fahrzeug vor Ladung "ähnlich" bewegt. Genaueres würd ich halt über das BMS feststellen können.
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Re: Gemessene Ladeverluste je nach Ladeleistung (als Diagram

Beitragvon gekfsns » So 21. Mai 2017, 09:09

Sehr interessante Messungen ! Hab schon lange darauf gewartet.
Ich habe die Bedeutung der X-Achse bei den ersten Kurven noch nicht richtig verstanden.
Egal mit wievielen % Du startest ist der erste Messwert dann auf der X-Achse 0%, wenn Du zu.B. mit 50% startest dann endet die Kurve spätestens bei 50% ?
Die ersten Minuten siehst Du die höchsten Verluste ?
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Re: Gemessene Ladeverluste je nach Ladeleistung (als Diagram

Beitragvon TiJ » So 21. Mai 2017, 10:49

@gekfsns

Bei den Diagrammen 1-3 bedeutet die x-Achse wieviel "% an Energie" der Akkuladestand zunimmt.
Da es sich bei der x-Achse um eine Ladestandszunahme handelt, wird der Startzeitpunkt (also der aktuelle SOC/Akkustand) auf 0% gesetzt. Der erste Punkt im Graphen ist auch der erste abgelesene Messwert aus dem ein Ladeverlust gerechnet werden kann.
Nehmen wir im Diagramm 1 die Ladeleistung von 0,7kW und hier die oberste Kurve: Der erste Verlust-Messwert (ca. 47% Ladeverlust) erfolgte nachdem 4% geladen wurden (siehe x-Achse Diagramm 1). Im Diagramm 7 sieht man bei diesem Graphen den ersten Messwert bei 48%. Daraus folgt, dass die Ladung bei 44% SOC/Akkustand gestartet wurde.

Die höchsten Ladeverluste treten am Anfang des Ladevorgangs auf. Ich behaupte mal aufgrund der bisherigen Daten: Öfters wenig nachladen bringt höhere Verluste als einmal lange laden.
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Re: Gemessene Ladeverluste je nach Ladeleistung (als Diagram

Beitragvon umrath » So 21. Mai 2017, 12:14

Bist du dir sicher, dass die anfänglich so hohen Ladeverluste tatsächlich richtig gemessen sind? Das klingt ein wenig übermäßig hoch.
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Re: Gemessene Ladeverluste je nach Ladeleistung (als Diagram

Beitragvon E-lmo » So 21. Mai 2017, 12:42

Grundsätzlich müsste man dc- und Ac-Ladungen getrennt betrachten. Bei AC-Ladungen sind die Wandlungsverlusste vom Bordlader durch die Messungen erfasst.
Bei DC-Ladung wird die Energie unter Umgehung des Bordladers in die Batterie geleitet. Hier dürfte vom Prinzip keinerlei Wandlungsverlusste erfasst werden, wenn von der Ladesäule die reine Energie auf der Gleichstromseite abgerechnet wird. Hier würde ich lediglich die rein chemischen Ladeverlusste und sehr geringe Leitungsverlusste erwarten.
Den geringen Wirkungsgrad bei kurzen Ladezeiten würde ich Ansatzweise durch die Ablesegenaugkeit erklären. Hier hast Du prinzipbedingt nur kleine Änderungen des Ladestands. Zum Anderen ist die Chemie im Akku auch recht träge. So führt die Zufuhr von Energie auch erst verzögert zum Ansteigen der Zellspannung. Zusätzlich könnte auch die Berechnung des Ladestandes selbst recht träge sein, was den von Dir gemessenen Effekt ebenso erklären könnte.
Vielleicht könntest Du das vergleichend durch mehrere kurze Ladevorgänge mit längeren Pausen dazwischen überprüfen, indem Du die netto-Ladezeit mit einem durchgängigen Laden gleicher Ladezeit gegenüberstellst?
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Re: Gemessene Ladeverluste je nach Ladeleistung (als Diagram

Beitragvon TiJ » So 21. Mai 2017, 15:03

@ umrath
richtig gemessen im Sinne von richtig abgelesen: ja


Der Ioniq zeigt den Akkustand nur auf 1% (=> 0,28kWh) genau an. Am Anfang macht das einfach nun mal eine große Messunsicherheit. Die beträgt zu Beginn der Messung durchaus schon mal +/- 10% für den Ladeverlust (und dazu kommen die kleineren Unsicherheiten von der Energiemessung). Der Ladeverlust am Anfang liegt also irgendwo innerhalb einer Spannbreite von +/- 10% um den dargestellten Wert!
Beispiel: Ich kann nicht unterscheiden ob ich nun z.B. von 23,4% (=23%) auf 24,5% (=25%) oder 23,5% (=24%) auf 24,4% (=24%) geladen habe. Bei diesen beiden Beispielen würde das Fahrzeug eine Steigerung von 23% auf 25% anzeigen (delta 2%) oder eben keine (0%) aber real waren es 0,9% weniger oder eben 0,9% mehr. Das macht einen Unterschied von ca. 0,25kWh - und das ins Verhältnis zur zugeführten Energie kommen da hohe Messunsicherheiten zustande.

Was ich mich frage ist: Wenn die anfänglich erhöhten Ladeverluste rein auf den Ablesefehler beim Akkustand zurück zu führen sind, müßte da nicht eine deutliche Streuung zu erkennen sein (also die Anzahl erhöten Ladeverlust am Anfang der Messung müßten in etwa der Anzahl der zu niedrigen entsprechen)? Ein Beispiel dafür wäre in Diagramm 1 die 1,5kW-Messung, hier wurden zum 1. Messwert nur ca. 8% geladen. War der Ablesezeitpunkt des Akkustandes ungünstig (also bspw. 72,4% zu 77,5% entspricht ebenso 8% Zuladung in der Fahzeuganzeige), so wäre das Ergebnis 39% Ladeverlust (statt 34) - und der Graph würde stetig fallen und nicht am Anfang ansteigen.

Mit den Diagrammen kann ich Tendenzen erkennen, keine exakten Ladeverluste (-> vielleicht mit besseren Werten aus dem BMS?). Die Werte zum Ende der Messung hin, bei denen die 1% Unsicherheit im Akkustand einen kleineren Einfluss auf die Messunsicherheit spielt, stufe ich da schon etwas vertrauenswürdiger ein.

Deshalb sprach ich bei der Vorstellung der Messungen auch von Beobachtungen (die sich aus den erhaltenen Diagrammen ableiten lassen) und nicht von gefestigten Ergebnissen/Erkenntnissen.
TiJ
 
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