Interessante Daten zur Batteriekalibrierung/-konditionierung

Was spielt das für eine Rolle? Die Energie fürs Heizen wird ohnehin benötigt, entweder während der Fahrt oder am Schnelllader. Der Unterschied ist, dass die fürs Heizen benötigte Energie schneller wieder nachgeladen werden kann, wenn nicht erst am Schnelllader geheizt wird.

In obigem Beispiel hätte er höchstens eine halbe Stunde pro Fahrt heizen können. Also 1,5kWh bei 3kW Heizleistung.

[mdm1266]

Dies hätte nicht annähernd gereicht, um eine 440 kg schwere Batterie von 11 auf 20 °C aufzuheizen. In diesem Beispiel wäre dein gewünschter "Button" nutzlos gewesen.

Wie viel Energie benötigt man um eine Masse von 440kg von 11 auf 20 °C aufzuheizen?

Ja, alles nutzlos. Alles perfekt so, wie es Opel tut und wenn nicht, dann ist es wenigstens nur so schlecht wie bei allen anderen Herstellern. Und während du dir 30min lang das Innere deines perfekten Autos anschaust, während das versucht, auf die Temperatur zu kommen, die du nach 30min Heizen während der Fahrt gehabt hättest, kannst du dich über all die Perfektion freuen.

[mdm1266]

Mich hätte einfach interessiert, wie viel Energie es wirklich braucht, um einen so grossen Akku aufzuheizen. Eventuell weiss hier jemand anders weiter?

Bei deinem Beispiel mit 1,5 kWh bei 3kW Heizleistung, würde bei einem Durchschnittsverbrauch von 18 kWh/100km ein Mehrverbrauch von 17% für die Batterieheizung resultieren. Dafür hätte man "nach deinen Angaben" 30 Minuten lang schneller laden können, statt mit 46 kW vielleicht mit 36 kW im Schnitt. Dies wäre eine Zeitersparnis von 8 Minuten für das Laden gewesen. Umgekehrt schrumpft die Reichweite um 17% und dadurch steigt auch wieder die Zeit, welche man für eine gleichlange Fahrtstrecke brauchen würde.

Die Frage ist, wie lange dauert es um mit 3kW Heizleistung die Batterie vom Ampera-e um X °C zu erhöhen.

[TomTomZoe]

Daraus lässt sich zum Beispiel die angenommene Abnahme der nutzbaren Batteriekapazität in Bezug auf die gefahrenen Kilometer ablesen:

(Gemäß mdm1266's Grafik nach 300.000km noch 80% nutzbare Kapazität)


Unter der so oft gemachten Annahme daß die Ampera-e Zellen dieselben sind wie die Zoe ZE40 Zellen, nur eben 50% mehr davon, habe ich mal die Degradationsangaben bei Pushevs auf den Ampera-e hochgerechnet:

Ampera-e Batteriepack (192 Zellen in 3p96s Konfiguration):

Nominale Kapazität: 68,01 kWh (entladen bei 22,4 kW) – 67,19 kWh (entladen bei 33,69 kW)
Minimum Kapazität: 66,98 kWh (entladen bei 22,4 kW) – 66,15 kWh (entladen bei 33,69 kW)
Nominalspannung: 345,6 V
Ladeschlußspannung: 400 V
Gewicht: 277,89 kg (nur die Zellen)


Einfluss der Temperatur auf die entnehmbare Kapazität:

-20°C: 60,2% = 39,63 kWh
-10°C: 84,2% = 55,44 kWh
0°C: 90,4% = 59,52 kWh
25°C: 100% = 65,85 kWh
45°C: 102,1% = 67,22 kWh


Lebenszyklus bei 25°C:

94% der anfänglichen Batteriekapazität nach 200 Zyklen (25°C)
84% der anfänglichen Batteriekapazität nach 1.000 Zyklen (25°C)
80% der anfänglichen Batteriekapazität nach 1.400 Zyklen (25°C)


Lebenszyklus bei 45°C:

91% der anfänglichen Batteriekapazität nach 200 Zyklen (45°C)
78% der anfänglichen Batteriekapazität nach 1.000 Zyklen (45°C)
72% der anfänglichen Batteriekapazität nach 1.400 Zyklen (45°C)


Unter der Annahme daß die durchschnittliche Reichweite meines neuen Ampera-e bei 300 km liegt (das entspricht meinem persönlichen Durchschnittsverbrauch von rund 20kWh/100km durch überwiegend 120-130km/h Autobahnfahrten), sind nach 1.000 Zyklen mindestens 240 km (80%) zu erwarten. Während der ersten 1.000 Zyklen sollte die durchschnittliche Reichweite bei etwa 270 km sein, das bedeutet daß nach 270.000 km 1.000 Zyklen erreicht werden. Nachdem das konservativ gerechnet ist, ist es durchaus im Rahmen des Möglichen, daß die Batterie nach 350.000 km noch 80% ihrer ursprünglichen Kapazität behält.

[TomTomZoe]

Was für Akkuzellen von Tesla gut ist, kann für die Ampera-e Zellen nicht schlecht sein.
Um die Lebensdauer des Akkus zu verlängern, nicht nur von 0% SOC und 100% SOC entfernt bleiben, sondern so gut es eben im Alltag geht den Ladehub möglichst flach halten, lieber jeden Tag wenig knapp oberhalb des mittleren SOC Bereich laden als alle paar Tage viel von ziemlich leer bis ziemlich voll laden.

Wenn man die komplette Reichweite des Akkus im täglichen Alltag nicht braucht (und jeden Tag zuhause oder beim Arbeitgeber laden kann), dann am besten im Bereich zwischen 65% und 75% SOC herum laden/fahren, so heißt es im Video.

Ich geh jetzt mal die Bergabfahrreserve von "nur Zuhause ein" (wo ich eh nur alle 2 Monate einmal lade) auf "immer ein" umschalten, dann hört der Akku im Alltag zumindest mal bei 90% SOC von selbst auf zu laden.
Denn die OBD sagt bei mir derzeit nach 53 tkm das nur noch 56,9 kWh Kapazität (von früher schon mal abgelesenen 60,6 kWh) nutzbar sind. Möglicherweise wird es immer Frühling/Sommer ja wieder von selber etwas mehr nutzbare Kapazität

[neo24]

ich habe meinen bei gut 65.000KM mal bis auf ca. 6% gefahren. Laut Anzeige habe ich auf 286KM 53,8 kWh verbraucht. laut dessen hätte ich keine 54kWh mehr zur Verfügung. mein Händler meint immer er würde da nichts sehen da die Daten direkt an Opel gehen. passen die werte die das Fahrzeug anzeigt?
bezüglich der Reichweite kann ich nicht sagen ob sich was geändert hat, dafür ist er noch zu jung xD

er wird fast jeden Tag mit 7,2 KW geladen und am Wochenende meist Schnell geladen.

[TomTomZoe]

Wenn Du 94% Energie entnimmst, zeigt die Verbrauchsanzeige 53,8kWh an.
Hochgerechnet auf 100% wären das 57,2kWh. Demnach etwa 95,3% SOH. Paßt würde ich sagen.

[TomTomZoe]

Ich habe mal mittels DeepL die Ergebnisse, die aus der Dissertion mit dem Titel "Aging of Lithium-Ion Batteries in Electric Vehicles" aus dem Jahr 2017 bei der Technischen Universität München stammen, ins Deutsche übersetzt:

6.6 Schlussfolgerungen
Diese experimentelle Alterungsstudie hat wertvolle Erkenntnisse über den Batterieabbau unter EV-Fahrbetrieb geliefert.

Die Zyklusalterung nimmt mit der Temperatur ab
Der Vergleich verschiedener Betriebstemperaturen hat ergeben, dass die Kapazität durch Zyklen, die zusätzlich zur Kalenderalterung auftreten, mit der Temperatur stark abnimmt. Diese widersprüchliche Alterung des Lokalkalenders, die mit steigender Temperatur zunimmt. Bei niedrigen Temperaturen wird die Lithiumbeschichtung zur treibenden Kraft für das Verblassen der Kapazität, da sie einen Verlust an zyklischem Lithium mit sich bringt. Beim Zyklisieren bei 10°C wurde eine beschleunigte Degradation beobachtet, die in mehreren Fällen zu einer Auslösung des CID führte. Dies wurde durch einen Anstieg des inneren Zelldrucks verursacht, der mit gasförmigen Reaktionsprodukten aus Nebenreaktionen zwischen plattiertem Lithium und dem Elektrolyten in Verbindung gebracht werden kann. Insgesamt hat die Studie gezeigt, dass eine warme Batterie während des Fahrbetriebs von Vorteil ist.

Regenerative Bremsung verbessert die Lebensdauer des Zyklus
Der Vergleich auf verschiedenen Ebenen des regenerativen Bremsens hat gezeigt, dass die kurzen Ladezeiten während des Bremsens den Batterieabbau nicht erhöhen - selbst bei niedrigen Temperaturen von 10°C und 0°C. Im Gegensatz dazu hat das regenerative Bremsen den Abbau reduziert, insbesondere bei hohem SoC und bei niedrigen Temperaturen, die typische Bedingungen für die Intensifylithiumbeschichtung sind. Die verminderte Degradation wurde auf die verminderte Entladungstiefe beim teilweisen Aufladen der Batterie während der Bremszeiten zurückgeführt, was zu kürzeren Laufzeiten der nachfolgenden Ladeperioden führt, wobei gezeigt wurde, dass die Kapazitätsabnahme stärker von der Ladungsmenge an der Ladestation abhängt als vom Gesamtladedurchsatz. Daher ist ein hohes Maß an regenerativer Bremsung für ein EV von Vorteil. Darüber hinaus ist bei den heutigen Lithium-Ionen-Batterien keine Hybridisierung des Batteriesystems mit zusätzlichen Superkondensatoren zur Pufferung von Lastspitzen erforderlich, da typische Fahrlastprofile die EV-Batterien nicht übermäßig belasten.

Zyklustiefe als dominanter Faktor für die Lebensdauer des Zyklus
Die Zyklustiefe wurde als wesentlicher Einflussfaktor für den Batterieabbau identifiziert. Mit höheren Zyklustiefen werden Kapazitätsabfall und Widerstandserhöhung verschärft. Insbesondere die Widerstandserhöhung zeigte eine starke Abhängigkeit von der Zyklustiefe und nur eine geringe Abhängigkeit von SoC. Darüber hinaus wird die Widerstandserhöhung hauptsächlich durch steigende Ladungsübertragungswiderstände der NCA-Kathode verursacht. Die steigenden Widerstände führen zu höheren Verlusten und einer geringeren Energieeffizienz. Dies ist bei der Auslegung des Kühlsystems für EV-Batterien zu berücksichtigen. Ähnlich wie bei den Kalenderalterungsstudien konnte kein direkter Zusammenhang zwischen Widerstandserhöhung und Kapazitätsabfall festgestellt werden. Was die Widerstandsbeiträge der Anode betrifft, so hat sich zu Beginn der Zyklusalterungsstudie sogar eine Verringerung ergeben, wenn die Zellen bei 40°C oder 25°C zyklisch bewegt wurden - obwohl die Kapazität abnahm.

Erholungseffekte durch gespeichertes Lithium in den Anodenüberhangbereichen
Kapazitätserholungseffekte ohne Veränderung der inneren Widerstände wurden während längerer mehrmonatiger Pausen für Zellen beobachtet, die bei hohem SoC zyklisch betrieben werden. Die Coulomb Tracking-Analyse hat eine Linksverschiebung des Entlade-Endpunktes ergeben, so dass wieder mehr Lithium aus der Graphitanode entladen werden konnte. Ein solcher reversibler Kapazitätsverlust entsteht durch die Diffusion von Lithium in die Überhangbereiche der Anoden, die keinem Kathodengegenstück gegenüberliegen. Wenn die Zellen über einen längeren Zeitraum einen hohen SoC-Wert aufweisen, der dem Plateau mit dem niedrigsten Anodenpotenzial entspricht, diffundiert eine beträchtliche Menge Lithium in die Seitenbereiche und wird während der Zyklenabläufe unzugänglich. Um eine Anhäufung von unzugänglichem Lithium zu vermeiden, sollten längere Zeiten bei hohem SoC vermieden werden und längere Zeiten bei mittlerem oder niedrigem SoC helfen, Teile des unzugänglichen Lithiums zu gewinnen, indem die potenziellen Gradienten zwischen aktiven Bereichen und überhängenden Bereichen des anodenaktiven Materials umgekehrt werden.

Degradation bei dynamischen Lasten ähnelt im Wesentlichen konstanten Lasten
Der Vergleich zwischen dem dynamischen Fahrlastprofil und einem Konstantlastprofil mit identischem mittleren Strom und gleicher Zyklustiefe hat gezeigt, dass der Abbau in den meisten Fällen ähnlich ist. Lediglich bei der niedrigen Temperatur von 10°C hat das Fahrlastprofil zu einem schnelleren Abbau geführt als die Dauerbelastung. Dieses Ergebnis hat zusammen mit den Ergebnissen verschiedener Größenordnungen des regenerativen Bremsens gezeigt, dass Lithium-Ionen-Batterien ein bestimmtes Tiefpassverhalten aufweisen, so dass der Abbau weitgehend von der Durchschnittslast und nicht von kurzen Spitzenlastereignissen bestimmt wird. Lediglich bei der niedrigen Temperatur von 10°C haben sich schwankende Entladeströme als schädlicher erwiesen als ein konstantes Entladeverfahren.

Auswirkungen des Ladens und Entladens bei niedrigen Temperaturen
Das Alterungsexperiment, das auf einer wechselnden Betriebstemperatur basiert, hat es ermöglicht, die Auswirkungen von Laden bei niedriger Temperatur und Entladen bei niedriger Temperatur separat zu untersuchen. Der DVA hat bestätigt, dass das Laden bei niedrigen Temperaturen zu einem Anodenabbau führt. Der Gesamtkapazitätsabfall war jedoch geringer als beim Entladen mit dem Fahrlastprofil bei 0°C. In diesem Fall trat beim Laden bei 25°C kein Anodenabbau auf. Obwohl ein gewisser Kathodenabbau beobachtet wurde, war die Hauptursache für den Kapazitätsverlust ein Verlust von cyclbarem Lithium. Da diese Beobachtung mit dem derzeitigen Verständnis des Abbaus von Lithium-Ionen-Batterien schwer zu erklären ist, ist weitere Forschung notwendig, um die Alterungsmechanismen beim Entladen bei niedrigen Temperaturen besser zu verstehen. Es ist zu beachten, dass die Entladeströme in diesem Experiment deutlich höher waren als die Ladeströme. Wären die Ladeströme so hoch wie die Entladeströme gewesen, wäre beim Laden bei 0°C mehr Lithiumbeschichtung und ein schnellerer Abbau erfolgt.

Betriebsbedingungen für eine lange Lebensdauer
Für die Abschätzung der Lebensdauer eines EVs wurden Zellen bis zu 2000EFC recycelt, was weit über den Entwicklungszielen der USABC für zukünftige EV-Batterien von 1000 Zyklen liegt. Der 2000EFC konnte bei 25°C mit einer Kapazität von weniger als 20% erreicht werden, bei Zyklustiefen bis zu ca. 60%. Insgesamt wurde die beste Zykluslebensdauer bei einer geringen Zyklustiefe in Kombination mit einem niedrigen durchschnittlichen SoC erreicht. Im Allgemeinen reduziert die Vermeidung des SoC-Regimes mit dem niedrigsten Anodenpotenzial die Alterung des Kalenders und damit auch die Anfälligkeit für Lithiumbeschichtungen.

[TomTomZoe]

7 Strategien zur Maximierung der Batterielebensdauer in Elektrofahrzeugen
Um die Akkulaufzeit zu maximieren, sollten sowohl die Kalenderalterung als auch die Zyklusalterung minimiert werden. Die Ergebnisse der in den drei vorangegangenen Kapiteln vorgestellten experimentellen Studien haben wertvolle Erkenntnisse über die vorherrschenden Mechanismen der Batteriealterung unter verschiedenen Betriebsbedingungen ergeben. Basierend auf den Erkenntnissen der drei Alterungsstudien werden in diesem Kapitel idealoperierende Strategien geschult. Darüber hinaus werden Batterielebensdauerabschätzungen vorgenommen, die zeigen, unter welchen Betriebsbedingungen, die USABC-Entwicklungsziele von 15 Jahren Batterielebensdauer und 1000 Zyklen für 2020 EV-Batterien[7] mit der heutigen Batterietechnologie bereits erreicht werden können.

7.1 Reduzierung der Kalenderalterung
Die Kalenderalterungsstudien haben gezeigt, dass der Kapazitätsverlust überwiegend auf einen Verlust von cyclischem Lithium durch Nebenreaktionen an der Anode zurückzuführen ist. Das Halten des SoC auf einem niedrigen oder mittleren Niveau und das Absenken der Batterietemperatur minimiert die Kalendarisierung.

Vermeidung des SoC-Regimes, das dem niedrigsten Anodenpotential entspricht.
Die Nebenreaktionen an der Anode haben eine starke Abhängigkeit vom Anodenpotential gezeigt und verschärfen sich mit niedrigeren Potentialen. Da das Anodenpotential bestimmte Plateaus aufweist, reduziert eine Reduzierung des Speicher-SoC nicht automatisch diese Nebenreaktionen. Stattdessen weisen SoC-Bereiche, die mehr als 20-30% der Nennkapazität der Zelle ausmachen, einen ziemlich konstanten Abbau auf. Da das LiC6/LiC12-Zweiphasenregime das Niederspannungsplateau darstellt, führt ein SoC in diesem Regime zum schnellsten Kapazitätsabfall. Daher sollte der Lithiationsgrad der Graphitanode unter 50% gehalten werden, wenn die Zellen länger auf dem gleichen SoC gehalten werden, z.B. beim Parken. Das Niederspannungsplateau der Anode beginnt typischerweise bei 55-80% SoC, abhängig von der Elektrodenausrichtung der Zelle. Um den Beginn des Niederspannungsplateaus des Graphitanodens der Vollzelle zu identifizieren, sollte eine DVA-Messung durchgeführt werden. Der charakteristische zentrale Graphitpeak zeigt direkt den Beginn des LiC6/LiC12-Zweiphasenregimes an, was mit einer höheren Rate von Nebenreaktionen verbunden ist. DVA-Messungen sollten von Zeit zu Zeit wiederholt werden, da sich das Balancieren der Elektroden mit der Alterung der Zellen oft ändert. Für eine Batterie bei 25°C wurde für niedrige und mittlere SoCs ein Kapazitätsverlust von 8-9% nach 15 Jahren prognostiziert. Im Gegensatz dazu wurde für 15 Jahre Kalenderalterung bei hohem SoC innerhalb des LiC6/LiC12-Zweiphasenregimes ein Kapazitätsabfall von 16% geschätzt.

Halten der Batterietemperatur während der Stillstandszeiten auf niedrigem Niveau
Da sich die Nebenreaktionen an der Anode mit zunehmender Temperatur verschärfen, sollte die EV-Batterie kühl gehalten werden, wenn die Batterie nicht betrieben wird. Für den in dieser Arbeit untersuchten Zelltyp hat die Absenkung der Batterietemperatur von 25°C auf 10°C die Kapazitätsabnahme in den 15-jährigen Projektionen um ca. 40% verringert.

Vermeidung sehr hoher Ladezustände
Bei SoCs über 80% wurde ein zunehmender Kathodenabbau beobachtet. Dies hat zu gekoppelten Nebenreaktionen und einer deutlichen Erhöhung des Ladungsübertragungswiderstands der NCA-Kathode geführt. Wenn der SoC während längerer Betriebszeiten nicht im niedrigen oder mittleren SoC-Bereich gehalten werden kann, um beschleunigte Nebenreaktionen an der Anode zu vermeiden, sollten zumindest die sehr hohen SoCs von 80% und mehr vermieden werden, um den Kathodenabbau zu reduzieren. Die positiven Auswirkungen dieses Mittels bleiben jedoch begrenzt, da die anodischen Nebenreaktionen nach wie vor der dominierende Treiber für den Kapazitätsabfall sind.

Zeitpunkt des Ladevorgangs der Batterie
Da ein niedriger SoC die Kalenderalterung reduziert, kann die Akkulaufzeit durch ein intelligentes Timing der Akkuladung verbessert werden. Wenn der Akku immer direkt nach der Fahrt aufgeladen wird, verbringt er die folgenden Ruhephasen bei höheren SoCs. Eine verzögerte Ladung, die den Akku so lange wie möglich auf niedrigem SoC hält und den Ladevorgang kurz vor der nächsten Fahrzeit abschließt, trägt somit auch dazu bei, die Kalenderalterung zu reduzieren.